馬世博 汪殿龍 閆華軍 張雙杰 王 偉

河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北石家莊 050018

材料成型及控制工程專業(yè)知識涉及機械、材料和控制學(xué)科，涵蓋了材料的液態(tài)成型、連接成型、模具成形及性能控制和分析等，是一門實踐性很強的專業(yè)，而實驗教學(xué)是培養(yǎng)成型專業(yè)高素質(zhì)人才的重要實踐環(huán)節(jié)[1]。眾所周知，在教學(xué)經(jīng)費不足，校內(nèi)實驗和實習(xí)場所不便，實驗設(shè)備無法及時更新，設(shè)備的臺套數(shù)不足等情況下，學(xué)生無法人人動手操作，達不到實驗教學(xué)的目的和要求[2]；即使設(shè)備滿足，實驗材料的消耗較大，且在實驗過程中材料的流動、應(yīng)力和應(yīng)變等內(nèi)部微觀現(xiàn)象難以直接觀察[3]；一些綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實驗往往因場地、經(jīng)費和人力限制不能系統(tǒng)地開展[4]。

為解決上述問題，克服傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的弊端，突破時空、地域的限制，充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，建立開放靈活的材料成型及控制工程專業(yè)教育資源公共服務(wù)平臺，促進優(yōu)質(zhì)教育資源普及共享[5]。使學(xué)生通過系統(tǒng)的綜合實驗訓(xùn)練，將理論課程所學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)聯(lián)系并應(yīng)用，讓學(xué)生了解專業(yè)基礎(chǔ)性實驗設(shè)計、原理及其驗證，從而幫助學(xué)生理解和領(lǐng)會課堂教學(xué)所學(xué)的理論知識[6]。加強學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，推進實驗教學(xué)內(nèi)容、方法、手段、隊伍、管理及實驗教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新。探討新形勢下實驗教學(xué)的新思路、新模式，是專業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)的必經(jīng)之路。

近幾年，虛擬仿真實驗室及其在教學(xué)中的應(yīng)用已成為國內(nèi)外實驗教學(xué)和遠程教學(xué)研究的熱點[7-9]。虛擬仿真實驗可彌補傳統(tǒng)工程實踐教學(xué)的不足[10]，提高成型專業(yè)本科生創(chuàng)新、動手能力，工程實踐素質(zhì)及思考、解決問題的能力，培養(yǎng)其團隊合作精神[11-12]。河北科技大學(xué)于2014年申請并獲批建設(shè)了河北省省級材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗中心平臺。為了更好地發(fā)揮虛擬仿真實驗教學(xué)的作用和優(yōu)勢，在該平臺基礎(chǔ)上，進一步建設(shè)并開放了以材料成型及控制工程專業(yè)為主體的綜合性虛擬仿真實驗系統(tǒng)。

1 材料成型及控制工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建

虛擬仿真實驗可以實施某些現(xiàn)實條件下無法完成的實驗。傳統(tǒng)實驗受實際物理環(huán)境和場所設(shè)備條件的限制無法進行，如特種鑄造和焊接溫度場預(yù)測、大型模具拆裝與加工和注塑等實驗，該類實驗在高溫或高壓等特定環(huán)境下進行，運行成本非常高，且一些實驗現(xiàn)象難以觀察，而虛擬仿真實驗可以模擬理想環(huán)境，或在人為設(shè)定的物理參數(shù)下運行，是傳統(tǒng)實驗的有力補充。

虛擬實驗教學(xué)能將課堂所講授的理論知識與實踐相結(jié)合，將專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程等各門課程的獨立實驗內(nèi)容有機地結(jié)合在一起，提高學(xué)生的動手能力、分析問題和解決問題的能力，對整個實驗有系統(tǒng)的認識，幫助學(xué)生在實踐中認知理論，提高設(shè)計能力、動手能力，開拓思維。

1.1 系統(tǒng)的框架

材料成型及控制工程專業(yè)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)包括材料成型及控制工程專業(yè)的液態(tài)成型、連接成型和模具工程方向的專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程(如圖1所示)。該系統(tǒng)主要開展材料微觀組織分析、材料力學(xué)性能測試、大型模具拆裝與加工、注塑工藝、離心鑄造、鑄造合金測定、焊接設(shè)備安裝、焊接過程測試等實驗，這些實驗涵蓋了基礎(chǔ)知識、專業(yè)基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識等多個層次和領(lǐng)域，保證了學(xué)生學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性和綜合性，從整體上形成了一個完整的材料成型及控制工程課程虛擬實驗教學(xué)體系(如圖2所示)。此外，為了滿足不同學(xué)時、不同專業(yè)方向?qū)W生學(xué)習(xí)的靈活性和側(cè)重性，系統(tǒng)中的每個子實驗可獨立展開，靈活組織，提高了在不同學(xué)科、專業(yè)之間的資源共享。

圖1 實驗系統(tǒng)的理論課程

圖2 虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)平臺基于B/S結(jié)構(gòu)，根據(jù)用戶已有服務(wù)器所運行的操作系統(tǒng)和工作環(huán)境，采用ASP.NET技術(shù)、3D建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)等進行構(gòu)建。系統(tǒng)的三維場景瀏覽、交互及功能發(fā)布采用目前流行的3D虛擬現(xiàn)實引擎—Unity3D 4.7進行開發(fā)。系統(tǒng)前臺頁面展示部分采用HTML，CSS相結(jié)合的形式進行開發(fā)，瀏覽器中3D場景展示與交互使用Unity Web Player Plugin插件的形式，3D虛擬場景與頁面通信采用JavaScript腳本的形式實現(xiàn)(如圖3所示)。

圖3 系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)

系統(tǒng)開發(fā)主要涉及三維建模、三維可視化交互程序、數(shù)據(jù)庫、Web頁面及Web服務(wù)器程序的開發(fā)，其環(huán)境與開發(fā)技術(shù)內(nèi)容見表1。

表1 系統(tǒng)架構(gòu)說明

1.3 系統(tǒng)的教學(xué)方法

系統(tǒng)采用引導(dǎo)學(xué)習(xí)、虛擬實驗和過程測試并行展開的實驗教學(xué)方法，目的是使學(xué)生在整個虛擬仿真實驗過程中能夠獲得直觀、真實的實驗效果(如圖4所示)。學(xué)生在模擬實驗操作過程中進行知識學(xué)習(xí)和設(shè)備操作，既可以培養(yǎng)學(xué)生對儀器設(shè)備進行操作、維護和檢修的技能，又可以培養(yǎng)學(xué)生自我訓(xùn)練及創(chuàng)新意識，是傳統(tǒng)實驗教學(xué)無法比擬的。

圖4 虛擬實驗場景

系統(tǒng)中每個虛擬實驗科目都包含理論學(xué)習(xí)和虛擬實驗操作2部分。其中，理論學(xué)習(xí)部分包括閱讀實驗說明文檔、查看實驗視頻和在線自測等內(nèi)容，保證學(xué)生在實驗過程中可以隨時查看與之相關(guān)的理論資料，檢查自己對相關(guān)內(nèi)容的掌握程度；虛擬實驗以人機交互的形式讓學(xué)生在虛擬的3D實驗室環(huán)境和實驗設(shè)備上進行操作，包括學(xué)習(xí)模式和測試模式。在學(xué)習(xí)模式下系統(tǒng)提供文字、3D高亮、邏輯約束等標(biāo)識，引導(dǎo)學(xué)生完成實驗過程。測試模式下，系統(tǒng)關(guān)閉提示和引導(dǎo)信息，并加入計時、計分功能，從而檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。此外，每個實驗都包含了提問和解答功能，學(xué)生在實驗過程中所產(chǎn)生的疑問可以直接提交，以便教師及時解答。

系統(tǒng)通過3D虛擬實驗操作、理論學(xué)習(xí)、在線提問等方式，實現(xiàn)了對相關(guān)實驗課程內(nèi)容的全覆蓋，通過理論學(xué)習(xí)與實驗實操的有機結(jié)合，達到了豐富課程資源、提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

1.4 系統(tǒng)的具體實施方式

學(xué)生使用本系統(tǒng)進行虛擬仿真實驗的基本過程如下。

(1)登錄、進入系統(tǒng)(如圖5所示)。在瀏覽器頁面輸入網(wǎng)址，即可打開系統(tǒng)頁面，然后輸入有效的用戶名、密碼和驗證碼，點擊登錄即可。

圖5 系統(tǒng)登錄

(2)在系統(tǒng)專業(yè)實驗界面選擇相關(guān)子實驗，進入3D虛擬實驗。

(3)3D虛擬實驗加載成功后，系統(tǒng)出現(xiàn)理論學(xué)習(xí)、自測題和進入實驗3個學(xué)習(xí)模式。其中進入實驗可直接開始3D虛擬實驗操作，理論學(xué)習(xí)和自測題將打開相應(yīng)的Web頁面進行學(xué)習(xí)或測試。

(4)進入3D虛擬實驗后，可選擇新手模式或?qū)＜夷Ｊ?，新手模式下系統(tǒng)提供自動引導(dǎo)功能，指導(dǎo)學(xué)生按步驟完成實驗；專家模式下系統(tǒng)關(guān)閉引導(dǎo)功能，增加計時和計分功能，檢查學(xué)生對實驗的掌握程度(不同實驗的具體操作步驟、數(shù)量不等)。

(5)虛擬實驗完成后，部分實驗要求學(xué)生填寫實驗報告，可打開實驗報告頁面進行填寫。

(6)學(xué)習(xí)情況查看(如圖6所示)。每次實驗完成后，學(xué)生和教師均可對本次實驗的學(xué)習(xí)情況進行查看，查看內(nèi)容包括過程記錄、實驗報告、理論自測以及疑難問題等。

圖6 學(xué)習(xí)情況查看

1.5 系統(tǒng)的過程評判

系統(tǒng)根據(jù)不同實驗的性質(zhì)和特點對結(jié)果與結(jié)論的管理分為兩類。

(1)在線編輯填寫實驗報告。主要針對理論驗證和知識認知性實驗，實驗完成后通常會產(chǎn)生一定的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供專門的實驗報告模板，讓學(xué)生將實驗數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果填入實驗報告中，并以此為基礎(chǔ)進行分析推理。

(2)自動記錄并評判實驗過程。主要針對工藝流程性實驗，系統(tǒng)地對學(xué)生的操作過程進行自動記錄和評判，并提供學(xué)習(xí)記錄查看功能，便于學(xué)生檢查自己對實驗工藝流程掌握的熟練程度。

2 考核要求

系統(tǒng)主要對學(xué)生的理論掌握程度、實驗工藝流程與設(shè)備操作、實驗數(shù)據(jù)結(jié)果的處理與分析等方面進行考核。針對實驗性質(zhì)提供不同的考核方式，包括過程自動記錄、計時計分、編寫實驗報告和在線試題測試。

(1)理論驗證和認知性實驗。系統(tǒng)以自動判斷的方式對學(xué)生操作實驗過程的正確性進行判斷和記錄，同時對所得到的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行處理分析，要求學(xué)生在線編寫并提交實驗報告，教師可在線查看學(xué)生操作過程和實驗報告內(nèi)容。

(2)工藝流程與設(shè)備操作性實驗。系統(tǒng)采用過程記錄、自動判斷、計分、計時等方式對學(xué)生實際操作過程的正確性、熟練性和知識掌握的完整性進行考核。教師可在線查看學(xué)生的操作過程記錄等。

(3)全部實驗都提供理論自測題，主要以選擇題或判斷題的形式對學(xué)生的理論掌握情況進行在線測試，系統(tǒng)自動判斷、自動計分，并進行記錄，以便教師查詢(如圖7所示)。

圖7 教師查看學(xué)生實驗情況

3 系統(tǒng)特點

3.1 虛實結(jié)合的實驗室環(huán)境

根據(jù)虛實結(jié)合的原則，虛擬實驗室以實體實驗室為基礎(chǔ)，結(jié)合實驗所涉及的理論知識范圍，利用3D建模技術(shù)，在虛擬環(huán)境中增加實體實驗室中不具備或不便于放置安裝的實驗設(shè)備、儀器，保證每一個實驗知識內(nèi)容的完整性。

3.2 完整的專業(yè)實驗教學(xué)系統(tǒng)

系統(tǒng)涵蓋材料微觀分析、性能測試和成型過程及控制等14個子實驗，各子實驗間既相互獨立又相互銜接，形成了一套完整的材料成型及控制工程課程虛擬實驗教學(xué)體系，可滿足不同階段學(xué)生的學(xué)習(xí)。

3.3 直觀豐富的人機交互操作

學(xué)生在虛擬環(huán)境中進行實驗操作，交互操作包括場景漫游、視角控制、定位和虛擬設(shè)備操作等。以虛擬現(xiàn)實的方式使學(xué)生便于接受，提高了學(xué)生科學(xué)實驗的興趣，學(xué)生在實驗的基本技能和綜合、設(shè)計、研究創(chuàng)新等方面可得到系統(tǒng)的訓(xùn)練。

3.4 完善的展示及效果評估等功能

系統(tǒng)根據(jù)實驗性質(zhì)，提供了不同的實驗數(shù)據(jù)描述與展示手段，包括UI數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)走勢曲線描述、虛擬設(shè)備儀表顯示、實驗現(xiàn)象特效模擬等。為了對學(xué)習(xí)效果進行考核評估，系統(tǒng)提供了操作過程自動記錄、評分、計時、理論測試和實驗報告等方式，實現(xiàn)對學(xué)生虛擬實驗過程中的數(shù)據(jù)進行全方面的記錄和總結(jié)。

3.5 開放性高 擴展性強

采用Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)多人同時在線訪問和學(xué)習(xí)，保證學(xué)生在任何地點、任何時間靈活地開展實驗學(xué)習(xí)，打破了傳統(tǒng)實驗課程在時間和空間上的限制。教師用戶也可隨時隨地上傳實驗教學(xué)資料，進行實驗教學(xué)指導(dǎo)和知識更新；并在實驗系統(tǒng)使用和建設(shè)過程中，根據(jù)學(xué)生、教師等使用群體和教學(xué)內(nèi)容的要求隨時進行調(diào)整和增加實驗。

4 結(jié)論

系統(tǒng)綜合運用3D建模、交互式虛擬現(xiàn)實、Web網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，以真實實驗室的空間布局、儀器設(shè)備為藍本，構(gòu)建集實驗環(huán)境、設(shè)備、工具等為一體的虛擬實驗室。通過人機交互，學(xué)生既可在虛擬仿真實驗中體驗與真實實驗相同的效果，又可觀看真實實驗條件下難以體現(xiàn)的現(xiàn)象和結(jié)果。同時，為了提高教學(xué)資源的共享性，系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建了一個基于網(wǎng)絡(luò)的、可遠程控制與交互的實驗教學(xué)、技術(shù)交流、共同研究、協(xié)同工作的平臺。

系統(tǒng)平臺于2014年1月起開始開放并運行，經(jīng)過不斷的發(fā)展和更新。目前，已對2013—2015級學(xué)生進行了開放使用，得到了廣大師生的肯定，獲得良好的使用效果。