張旭茗

（哈爾濱工程大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

虛擬仿真（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR），又稱虛擬現(xiàn)實(shí)或靈境技術(shù)。 該技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、人工智能技術(shù)及傳感與測(cè)量技術(shù)等多種高新技術(shù)的結(jié)晶，具有逼真性、實(shí)時(shí)性和交互性等特征。 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)對(duì)于化學(xué)化工而言有重要的應(yīng)用價(jià)值，不僅能通過(guò)虛擬仿真技術(shù)揭示化學(xué)過(guò)程的本質(zhì)規(guī)律，還能提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，滿足社會(huì)對(duì)高?；瘜W(xué)化工專業(yè)人才培養(yǎng)提出的新要求。 礦冶材料類專業(yè)要求學(xué)生掌握寬厚牢固的化學(xué)理論基礎(chǔ)和專業(yè)熟練的實(shí)驗(yàn)技能。 實(shí)際上，無(wú)論是采礦、選礦、冶金專業(yè)，還是能源、醫(yī)學(xué)、化學(xué)專業(yè)都需要對(duì)學(xué)生處理化學(xué)及工程問(wèn)題能力進(jìn)行培養(yǎng)，尤其注重培養(yǎng)學(xué)生研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的機(jī)理、資源加工時(shí)化學(xué)成分的提取與分析以及環(huán)境污染治理等方面的實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新能力。 然而，由于缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)備或出于安全問(wèn)題的考慮，很多實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)無(wú)法開(kāi)展。 虛擬仿真可以彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)條件的不足，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成或不具備的教學(xué)功能，滿足高層次人才培養(yǎng)目標(biāo)的需要。 因此，探究虛擬仿真如何應(yīng)用于礦冶材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)》一書(shū)由趙增輝和邢明錄主編，煤炭工業(yè)出版社2018 年出版。 該書(shū)融合了近年來(lái)山東科技大學(xué)材料力學(xué)省級(jí)精品課程建設(shè)項(xiàng)目、山東省骨干學(xué)科力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)項(xiàng)目、全國(guó)大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽培訓(xùn)、基礎(chǔ)力學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽及基礎(chǔ)力學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的相關(guān)成果。 全書(shū)內(nèi)容共5章，第一章介紹材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)的地位、任務(wù)、內(nèi)容、測(cè)試方法以及發(fā)展歷程；第二章是基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)，包括6 個(gè)材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)和3 個(gè)電測(cè)實(shí)驗(yàn)；第三章是綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，包含材料彈性模量和泊松比測(cè)定實(shí)驗(yàn)、偏心拉升、等強(qiáng)度梁、復(fù)合梁、壓桿穩(wěn)定5 個(gè)實(shí)驗(yàn)；第四章是創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)講解鋼架和桁架兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、儀器設(shè)備與操作規(guī)程、實(shí)驗(yàn)原理與方法、實(shí)驗(yàn)步驟以及數(shù)據(jù)處理；第五章為基礎(chǔ)力學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐，介紹了山東科技大學(xué)開(kāi)展基礎(chǔ)力學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐的典型題目和第十屆全國(guó)周培源大學(xué)生力學(xué)競(jìng)賽團(tuán)體賽項(xiàng)目。 書(shū)中各章節(jié)的內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，可供非獨(dú)立設(shè)課的學(xué)校選用，也可作為基礎(chǔ)力學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐設(shè)計(jì)參考書(shū)。 該書(shū)闡述詳細(xì)，內(nèi)容豐富，對(duì)于材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)研究具有較強(qiáng)的參考作用。 結(jié)合書(shū)籍內(nèi)容，虛擬仿真在礦冶工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用有以下幾點(diǎn)：

其一，構(gòu)建基礎(chǔ)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 基礎(chǔ)化學(xué)是礦冶工程材料專業(yè)的基礎(chǔ)課程，構(gòu)建基礎(chǔ)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可在3個(gè)方面提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)和技能。一是針對(duì)化學(xué)分子反應(yīng)的微觀過(guò)程。 化學(xué)分子看不見(jiàn)、摸不著，學(xué)生理解其層次結(jié)構(gòu)存在一定困難。 基礎(chǔ)化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可向?qū)W生展示化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程，讓學(xué)生能更為直觀地感受和理解化學(xué)分子、原子的結(jié)構(gòu)，清楚化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程，并能獨(dú)立完成分子設(shè)計(jì)合成。 二是針對(duì)實(shí)驗(yàn)操作條件的不足。 現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，存在試驗(yàn)數(shù)量大、儀器設(shè)備不足，或?qū)W生無(wú)法直觀感受儀器工作原理的問(wèn)題。 利用仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生能清楚了解儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，更好地掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)方法。 三是針對(duì)化工設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜和難以測(cè)定作用機(jī)理的問(wèn)題。 開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能節(jié)約教學(xué)成本，降低實(shí)驗(yàn)污染，還有利于學(xué)生理解化工單元操作。

其二，創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)不具備的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。 礦冶工程材料專業(yè)有部分實(shí)驗(yàn)需在高危或極端的環(huán)境下完成，消耗成本大且涉及不可逆的操作，現(xiàn)實(shí)世界難以滿足實(shí)驗(yàn)條件，而虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能解決這一難題，為礦冶工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供合適的實(shí)驗(yàn)條件與環(huán)境。 真空冶金、高溫冶金、特殊材料的制備都屬于能耗高、危險(xiǎn)性高的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，且不少教學(xué)內(nèi)容對(duì)國(guó)防技術(shù)、節(jié)能技術(shù)的發(fā)展大有裨益，具有重要的學(xué)習(xí)研究?jī)r(jià)值。 通過(guò)虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，學(xué)習(xí)了解高溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程，進(jìn)而掌握高溫環(huán)境下有色金屬冶煉和材料制備的操作步驟及其相關(guān)原理和技術(shù)。 將虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際教學(xué)過(guò)程相結(jié)合，能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)。

其三，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法與內(nèi)容。 礦物分離和濕法冶金是礦冶材料實(shí)驗(yàn)常用的方法，但這兩種方法涉及復(fù)雜的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)熱力學(xué)內(nèi)容，且分離物質(zhì)和制備材料過(guò)程中需要大量水資源和有機(jī)溶劑，不但資源消耗量大，污染也較為嚴(yán)重。在礦冶工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用虛擬仿真，采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，可提高化學(xué)化工領(lǐng)域人才培養(yǎng)質(zhì)量。 先小批量在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作步驟及其反應(yīng)現(xiàn)象與過(guò)程有直觀的認(rèn)識(shí)，再進(jìn)入虛擬仿真模擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行大規(guī)模實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生儀器設(shè)備操作能力和實(shí)驗(yàn)技能。

虛擬仿真可應(yīng)用于礦冶工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)、技能培訓(xùn)及實(shí)驗(yàn)操作等方面，具有完善教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件和改善教學(xué)方法的作用。 《材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)》一書(shū)內(nèi)容專業(yè)，論述清晰，對(duì)礦冶領(lǐng)域相關(guān)研究具有重要參考價(jià)值。