虛擬仿真技術(shù)在材控類課程中的應(yīng)用研究

楊健 江河 陳樹海 葉政

[摘 要] 針對當(dāng)前材料成型及控制工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中學(xué)生較多的知識(shí)掌握需求、實(shí)踐能力培養(yǎng)與教學(xué)課時(shí)、教學(xué)資源限制之間的矛盾，以及理論課程知識(shí)點(diǎn)復(fù)雜且抽象、技能訓(xùn)練課程與理論課程脫節(jié)、實(shí)踐課程課時(shí)不足的現(xiàn)狀，提出在材控類課程中采用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建實(shí)際工作場景，使學(xué)生通過虛擬仿真掌握更多的基礎(chǔ)知識(shí)和操作技能，獲得更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生分析問題、解決問題和增強(qiáng)創(chuàng)新思維的能力，力爭適應(yīng)當(dāng)代大學(xué)生發(fā)展與培養(yǎng)的要求。

[關(guān)鍵詞] 材料成型及控制工程;虛擬仿真技術(shù);人才培養(yǎng)

[基金項(xiàng)目] 2019年度北京科技大學(xué)本科教育教學(xué)改革項(xiàng)目“虛擬仿真技術(shù)在材控類課程教學(xué)中的應(yīng)用研究”（JG2019M09）

[作者簡介] 楊 ?。?987—），男（滿族），河北承德人，博士，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事真空釬焊、擴(kuò)散焊研究;江 河（1988—），女，河北秦皇島人，博士，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事高溫合金研發(fā)、制備研究;陳樹海（1979—），男，山東日照人，博士，北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事異種金屬材料連接研究。

[中圖分類號] G642.0 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）30-0136-04 ? ?[收稿日期] 2021-03-23

一、引言

作為材料科學(xué)與工程學(xué)科中的核心專業(yè)之一，材料成型及控制工程（以下簡稱材控）專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)出面向設(shè)計(jì)、生產(chǎn)一線需要的高端技能型人才，面向的工作崗位主要有材控類技術(shù)、裝備和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造等[1，2]。相比其他材料類專業(yè)，材控專業(yè)就業(yè)范圍較廣，技術(shù)、產(chǎn)品種類很多，而且工種也很多，因此在教學(xué)過程中需要學(xué)生掌握大量基礎(chǔ)知識(shí)和相關(guān)技能[3]。

二、材控類課程教學(xué)當(dāng)前存在的問題

（一）理論課程知識(shí)點(diǎn)復(fù)雜、抽象

材控類專業(yè)學(xué)生涉及的知識(shí)領(lǐng)域極廣，理論課程涵蓋鑄造、鍛壓、軋制、焊接、模具等各領(lǐng)域（以本校為例，材控類專業(yè)學(xué)生需要學(xué)習(xí)近20門理論專業(yè)課程），課程知識(shí)點(diǎn)復(fù)雜且相互聯(lián)系緊密[4]。此外，雖然材控類專業(yè)課程的理論知識(shí)點(diǎn)提煉于生產(chǎn)問題，但是由于具體的工業(yè)生產(chǎn)過程（及問題）難以在課堂中用語言描述清晰，且工業(yè)生產(chǎn)的樣例、樣件難以帶入課堂，因此理論知識(shí)點(diǎn)較為抽象，較難理解。因此，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，學(xué)生很難做到集中注意力對如此枯燥乏味且復(fù)雜的理論知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，極大地限制了理論課程的授課成果[5]。

（二）技能訓(xùn)練課程與理論課程脫節(jié)

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，材控類課程中理論課與實(shí)驗(yàn)課（技能訓(xùn)練課）是分離的，技能訓(xùn)練由于得不到及時(shí)的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生的技能掌握浮于形式。隨著教學(xué)改革的發(fā)展，出現(xiàn)項(xiàng)目教學(xué)、教學(xué)做一體化等新型的教學(xué)模式。這些新的教學(xué)模式采用的技能訓(xùn)練通常有兩種：第一種是僅限于實(shí)驗(yàn)課程提供的幾個(gè)固定實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需按教師指導(dǎo)的相對固定的方案即可完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)少，不能真正地參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中[6];第二種是基于一些實(shí)際的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（以教師的研究課題為主導(dǎo)），然后自發(fā)進(jìn)行工藝方面的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，能提高學(xué)生的思考和動(dòng)手能力，但是實(shí)際操作時(shí)要受教師研究課題等方面的限制，而且耗時(shí)大，占用課時(shí)太多，耗材的消耗量也很大，成本較高[7]。

（三）實(shí)踐課程課時(shí)不足

如前所述，材控類專業(yè)學(xué)生在畢業(yè)后會(huì)面臨一些實(shí)際生產(chǎn)問題，而豐富的生產(chǎn)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)是解決問題的基礎(chǔ)與根基，因此充足的實(shí)踐課程是提高學(xué)生畢業(yè)后從業(yè)能力的重要保障。然而，由于當(dāng)前培養(yǎng)模式和培養(yǎng)條件的限制，學(xué)生的實(shí)踐課程嚴(yán)重不足。以本校為例，材控類專業(yè)學(xué)生僅有一次認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)（1周）和一次生產(chǎn)實(shí)習(xí)（2周）的實(shí)踐課程，且實(shí)習(xí)過程中由于時(shí)間因素，往往只是“走馬觀花”，難以對生產(chǎn)流程、生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的問題有真正的了解，更談不上獲得豐富的生產(chǎn)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

三、虛擬仿真技術(shù)在材控類課程教學(xué)中的優(yōu)勢

仿真技術(shù)是繼數(shù)學(xué)推理與科學(xué)試驗(yàn)之后認(rèn)識(shí)世界自然規(guī)律的第三類基礎(chǔ)方法。虛擬仿真教學(xué)是指利用實(shí)物和計(jì)算機(jī)軟件共同模擬出真實(shí)的情境，讓學(xué)生在模擬的情境下進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)。

（一）虛擬仿真技術(shù)有助于提高學(xué)生理論課的學(xué)習(xí)效果

材控類理論課程知識(shí)點(diǎn)的復(fù)雜化、抽象化往往會(huì)使學(xué)生理解起來有較大困難，而學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的理解一旦跟不上教師的講課速度，必然會(huì)導(dǎo)致上課出現(xiàn)注意力不集中等現(xiàn)象，從而使學(xué)生理論課（理論知識(shí)點(diǎn)）的學(xué)習(xí)效果大幅下降。采用虛擬仿真技術(shù)可以根據(jù)具體知識(shí)點(diǎn)建立對應(yīng)的宏觀模型，將理論課程知識(shí)點(diǎn)融入更加直觀、具體的樣品、樣件、模型之中，使原本枯燥乏味的理論知識(shí)形象化、生動(dòng)化。采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行理論課程的講述，一方面可以引起學(xué)生的興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性;另一方面可以使學(xué)生通過對具體樣品、樣件、模型的分析，更加容易掌握理論知識(shí)點(diǎn)[8-10 ]。

（二）虛擬仿真技術(shù)有助于提高學(xué)生技能訓(xùn)練課程的學(xué)習(xí)效果

在當(dāng)前條件下，材控類學(xué)生的技能訓(xùn)練課程不僅存在技能訓(xùn)練課程與理論課程脫節(jié)的問題，而且存在儀器設(shè)備數(shù)量較少、型號舊、時(shí)間周期長和受眾學(xué)生人數(shù)多、新技能訓(xùn)練需求強(qiáng)之間的矛盾。以本校為例，在進(jìn)行焊接技能訓(xùn)練課程中，一個(gè)小組平均10名學(xué)生分配到一臺(tái)儀器，且單次試驗(yàn)最長所需時(shí)間可達(dá)12小時(shí)。技能訓(xùn)練課程儀器的缺乏和較長的時(shí)間周期導(dǎo)致學(xué)生受到的訓(xùn)練遠(yuǎn)不足以完全掌握相應(yīng)的技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)完全依賴計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行仿真操作，在大學(xué)生平均人手一臺(tái)計(jì)算機(jī)的今天，材控類技能訓(xùn)練課程的虛擬仿真打破了試驗(yàn)資源和試驗(yàn)周期的限制，利用計(jì)算機(jī)軟件的優(yōu)勢可創(chuàng)造出靈活多樣的工作條件，為學(xué)生建立更加方便、安全、快捷、可控的技能訓(xùn)練環(huán)境。尤為重要的是，在技能訓(xùn)練課程的過程中，學(xué)生可以隨時(shí)調(diào)用理論課程中構(gòu)建的樣件、模型，得到及時(shí)的理論指導(dǎo)，真正實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做一體化，進(jìn)而極大程度提高學(xué)生技能訓(xùn)練課程的學(xué)習(xí)效果[ 11 ]。