“新工科”背景下虛擬仿真技術(shù)在地方高校材料類專業(yè)中的應(yīng)用

＊馬菲 張琳 魏標(biāo) 白翠冰 盛良全

（阜陽師范大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院 安徽 236037）

前言

2017年，為推進(jìn)“新工科”建設(shè)項(xiàng)目，教育部發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》等相關(guān)文件[1]，探究并逐漸形成中國模式的工程教育、形成中國經(jīng)驗(yàn)，并助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)[2]。“新工科”的內(nèi)涵是促進(jìn)產(chǎn)教融合，促進(jìn)高等教育轉(zhuǎn)型，從知識(shí)的傳授轉(zhuǎn)向?qū)嵺`、實(shí)訓(xùn)。“新工科”的目的是提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力以及解決復(fù)雜工程問題能力[3]。在當(dāng)前教育轉(zhuǎn)型的背景下，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐等教學(xué)過程中，大部分高校都遇到了一系列較為棘手的難題，比如：一些實(shí)驗(yàn)具有高消耗、高污染的特點(diǎn)，還有一些實(shí)踐課程面臨高危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，甚至有些項(xiàng)目由于周期較長不合適重復(fù)做等等；再有，一些以簡單操作、演示為主的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)和教學(xué)儀器，很難開展具備創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。這些問題的存在，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)與“新工科”的建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)改革產(chǎn)生了一定的距離。

在人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等快速發(fā)展的背景下，“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”也應(yīng)運(yùn)而生，1989年，美國學(xué)者William Wolf首先提出“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”這一概念[4]，該實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要是工作人員通過虛擬仿真真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景，進(jìn)而開展許多僅限于概念層面的相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)不可視的結(jié)構(gòu)或者原理，采用以虛補(bǔ)實(shí)、以虛代實(shí)，快速響應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，最終完成相應(yīng)預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)。因此，虛擬仿真技術(shù)在一定程度上拉近實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)踐距離，在很大程度上解決了目前實(shí)驗(yàn)較為棘手的一些問題。

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)教育生產(chǎn)力的改革和發(fā)展。隨著虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了一些亟需解決的突出問題。本文對當(dāng)下虛擬仿真技術(shù)在地方高校材料類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的發(fā)展及應(yīng)用提出了幾點(diǎn)思考。

1.地方高校工科的現(xiàn)狀

眾所周知，對于高校的實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐課程，大型儀器、設(shè)備占有著舉足輕重的地位，首先，它是高校開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)、培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才必備的工具，其次，也是高校發(fā)展前沿科研成果的保證，再次，也是評(píng)測高等院校人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)。最后，在我國一些地方院校中，尤其是新建材料類專業(yè)的院校，基本都存在開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)器材缺乏、缺乏場地等問題，不能保障每個(gè)學(xué)生都有操作設(shè)備、儀器運(yùn)行的機(jī)會(huì)，當(dāng)面對一些突發(fā)狀況導(dǎo)致常規(guī)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)無法開展時(shí)，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程只能停止。此外，對于一些開辦了工科類專業(yè)的師范類高校，由于工科類專業(yè)實(shí)踐課程所用到的儀器、設(shè)備需要較大的占地面積，這就導(dǎo)致此類專業(yè)的實(shí)踐、應(yīng)用課程較少，甚至無法開展一些實(shí)踐課程。面對這一困境，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)就成了老師們無奈的選擇，甚至采用講解的方式展示大型儀器設(shè)備的操作方法。而學(xué)生根本得不到實(shí)驗(yàn)操作鍛煉，很難達(dá)到相關(guān)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐課程的教學(xué)目的和要求。致使學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力不能很好的發(fā)展和提高[5]。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢

(1)提升教學(xué)效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以讓抽象甚至是概念性的實(shí)驗(yàn)過程形象且逼真的演示出來，幫助學(xué)生更加透徹地了解實(shí)驗(yàn)過程，而且對于一些現(xiàn)實(shí)中無法觀察到的現(xiàn)象，通過虛擬仿真技術(shù)也可以逼真、立體的展示出來。教師可以結(jié)合實(shí)際情況發(fā)揮虛擬資源的優(yōu)勢，虛實(shí)結(jié)合提升教學(xué)效果。

(2)增強(qiáng)課堂趣味性

借助對多媒體（音頻、視頻、圖像）技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)踐和真實(shí)世界的交互，使學(xué)習(xí)者體驗(yàn)身臨其境的感覺，更加有效地實(shí)現(xiàn)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛實(shí)互補(bǔ)。不但提高了教學(xué)效果，還激發(fā)同學(xué)的興趣，并規(guī)范學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，提升了教學(xué)質(zhì)量。

(3)完成不可能的實(shí)驗(yàn)

對于一些高成本實(shí)驗(yàn)、危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)、反應(yīng)周期過長的實(shí)驗(yàn)以及在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不能開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等，虛擬仿真技術(shù)可以有效地輔助教師進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)演示并安全、直觀的展示出來。

(4)降低實(shí)驗(yàn)成本

虛擬仿真技術(shù)最大程度地實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐資源的高度共享和開放，促進(jìn)高校學(xué)生相互交流。有利于高校在有限的資金和場地的情況下，根據(jù)學(xué)科發(fā)展前沿增加最新的儀器設(shè)備。

3.項(xiàng)前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)存在的問題

近年來，我國高校在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐項(xiàng)目建設(shè)方面進(jìn)行了長足的發(fā)展，開展了諸多的探索，然而，在這一建設(shè)過程中仍出現(xiàn)一些問題。

(1)缺乏原創(chuàng)性

隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的數(shù)量也得到了快速增加。然而對于大多數(shù)虛擬仿真中心，不少實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目并非自主開發(fā)建設(shè)，而是從市場中直接采購，因此，大多教學(xué)項(xiàng)目并不擁有產(chǎn)權(quán)。這就導(dǎo)致虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)效果不佳，對虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)以及高校的創(chuàng)新性發(fā)展產(chǎn)生不良影響[6]。

(2)項(xiàng)目質(zhì)量亟需提升

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)過程中，缺乏相應(yīng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只是把實(shí)體實(shí)驗(yàn)做成三維動(dòng)畫，簡單進(jìn)行虛擬化，這種教學(xué)過程學(xué)生缺乏積極探索，造成學(xué)生的思維訓(xùn)練以及綜合能力得不到有效的提高。

(3)教學(xué)模式混亂

當(dāng)前高校更加側(cè)重于虛擬仿真中心的建設(shè)，卻對于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程中采用何種教學(xué)方法、教師充當(dāng)什么角色等的探索較少。雖然利用軟件將實(shí)驗(yàn)場景可視化模擬仿真，初期確實(shí)激發(fā)了學(xué)生的興趣，然而隨著教學(xué)的進(jìn)行，學(xué)生發(fā)現(xiàn)還需要相關(guān)的理論知識(shí)支撐，有些過程通過點(diǎn)擊一通鼠標(biāo)便能完成操作，但是內(nèi)在原理不能理解，最終失去學(xué)習(xí)興趣，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目流于形式。

(4)開放共享有限

對于很多高校，由于共享尚未善性、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目產(chǎn)權(quán)缺失、平臺(tái)對接不同步等因素的影響，導(dǎo)致許多虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的共享變得有心無力，不得不降低實(shí)驗(yàn)室的開放程度，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的共享只能是紙上談兵。

(5)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)欠客觀，仿真實(shí)驗(yàn)秩序電腦操作即可開展

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的考核以及評(píng)價(jià)的方式比較單一，在不懂相關(guān)理論知識(shí)、操作規(guī)范、工藝流程的情形下，根據(jù)模擬訓(xùn)練界面的提示信息，學(xué)生也能順利通過考核。并且能獲得不錯(cuò)的成績，考核的標(biāo)準(zhǔn)形同虛設(shè)，最終成績無法反映一些學(xué)生的真實(shí)水平。

4.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)金項(xiàng)的發(fā)展前景探索

(1)科教融合

高校應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)科專業(yè)的優(yōu)勢，通過科研反哺教學(xué)，鼓勵(lì)教師把自己特色和優(yōu)勢科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。鼓勵(lì)專業(yè)教師采用相關(guān)科研軟件，把優(yōu)秀科研成果轉(zhuǎn)化為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，一方面可以讓學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)去解決科研過程中遇到的問題，另一方面學(xué)生可以通過科研項(xiàng)目過程中材料的分析測試技術(shù)，加深對實(shí)踐課程的理解。既擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度、又提高了科研設(shè)備的使用率。科教融合不僅提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的水平，還可以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容的持續(xù)更新和不斷發(fā)展，更加有效地為企業(yè)和社會(huì)培養(yǎng)所需要的應(yīng)用性人才[7]。

(2)校企合作，構(gòu)建先進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

圖1 材料化學(xué)專業(yè)實(shí)踐課程構(gòu)建模式

近年來，我國很多高校結(jié)合自身情況，逐漸和當(dāng)?shù)仄髽I(yè)進(jìn)行合作，把校企合作教育模式引入到實(shí)踐教學(xué)中。通過校內(nèi)校外實(shí)踐項(xiàng)目的劃分、建立校企共同管理機(jī)制，鼓勵(lì)教師到企業(yè)掛職、從企業(yè)聘任“校外導(dǎo)師”，培養(yǎng)穩(wěn)定的專、兼職“雙師型”師資隊(duì)伍，提高學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，達(dá)到校內(nèi)教育與企業(yè)鍛煉的有機(jī)結(jié)合的目的。然而，就當(dāng)前國內(nèi)而言，把校企合作模式與虛擬實(shí)踐教學(xué)相互融合的高校為數(shù)不多。眾所周知，校企結(jié)合是適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，是培養(yǎng)為地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)的應(yīng)用性人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8]。對于地方院校材料類工科專業(yè)而言，面臨著大型儀器短缺的窘境，卻在運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)上缺少真實(shí)的實(shí)踐技術(shù)支撐，僅通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作是不可能讓學(xué)生熟練掌握材料分析測試技術(shù)和儀器的規(guī)范操作[9]。只有把虛擬仿真技術(shù)和線下實(shí)踐鍛煉二者有機(jī)結(jié)合，建立以校企合作為基礎(chǔ)的虛擬-實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，才能有效達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的培養(yǎng)目的。同時(shí)聘請高級(jí)技術(shù)人員到高校為相關(guān)專業(yè)的學(xué)生開展教學(xué)，把理論與實(shí)際相聯(lián)系，傳授現(xiàn)代材料生產(chǎn)制備理論與技術(shù)以及現(xiàn)代典型工藝知識(shí)，達(dá)到校企相互促進(jìn)的目的。培養(yǎng)被地方企業(yè)認(rèn)可，為地方經(jīng)濟(jì)服務(wù)的卓越人才。

以阜陽師范大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)核心課程“材料實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新訓(xùn)練”為例，經(jīng)過多年的發(fā)展，把虛擬仿真技術(shù)與科教融合、產(chǎn)教融合相結(jié)合，逐步構(gòu)建了一種新型實(shí)踐、實(shí)訓(xùn)完善的教育教學(xué)模式，并取得了一定的成果。以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“高分子材料3D打印工藝”為例，化學(xué)與材料工程學(xué)院與安徽省能長朗三維科技公司建立聯(lián)合培養(yǎng)實(shí)習(xí)實(shí)踐基地。在校內(nèi)，借助通過虛擬仿真交互技術(shù)，學(xué)生可以在虛擬場景中進(jìn)行模擬開展樣品的3D打印，打印樣品的打磨、拋光等工序，也可以模擬對打印樣品進(jìn)行電鍍、噴漆等表面開展涂層處理技術(shù)，甚至通過局部放大對3D打印樣品的細(xì)節(jié)之處進(jìn)行修飾、塑造。而且該環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生進(jìn)行反復(fù)、多次模擬練習(xí)。通過校內(nèi)考核后學(xué)生可以到企業(yè)進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，由企業(yè)對學(xué)生進(jìn)行實(shí)操過程進(jìn)行考核。并結(jié)合校內(nèi)、校外表現(xiàn)獲得最終成績。并開展了基于3D打印材料設(shè)計(jì)的畢業(yè)論文，學(xué)生參與3D打印材料開發(fā)，申請了4項(xiàng)SLA型3D打印光敏樹脂專利、參與發(fā)表了1篇FDM型3D打印材料文章，并在安徽省教育廳網(wǎng)站進(jìn)行了報(bào)道。在此基礎(chǔ)上，我?；瘜W(xué)與材料工程學(xué)院與長朗三維科技公司聯(lián)合建立了“3D打印創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室”，通過此模式既節(jié)約了成本，又增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)對企業(yè)由用的人才。促進(jìn)了專業(yè)的發(fā)展，提升學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。

圖2 學(xué)生自主設(shè)計(jì)3D打印樣品圖

5.結(jié)語

基于高校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)現(xiàn)狀，本文從一線教師的觀點(diǎn)出發(fā)，對當(dāng)前高等院校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐項(xiàng)目建設(shè)現(xiàn)狀及產(chǎn)生的問題進(jìn)行了討論，結(jié)合以地方高校材料類工科的特點(diǎn)，提出了一些發(fā)展探索。隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的不斷充實(shí)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程獲得全新的感知體驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新將在更廣闊的平臺(tái)上得以實(shí)現(xiàn)，探究式、合作式教學(xué)模式將進(jìn)一步發(fā)展。為培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新型人才構(gòu)建平臺(tái)、奠定基礎(chǔ)。