尤一泓

摘 要：將工程材料應(yīng)用到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以幫助學(xué)生理解、鞏固和提高理論知識(shí)，積累實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。本文分析了工程材料在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的現(xiàn)狀及優(yōu)點(diǎn)，并探討了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)化思路。在課堂上，通過引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，可以使學(xué)生更好地了解和掌握實(shí)驗(yàn)方法，從而促進(jìn)學(xué)生的自主思維和創(chuàng)造能力。

關(guān)鍵詞：工程材料;虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在工程材料課程的教學(xué)過程中，利用虛擬仿真模擬軟件，學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)過程驗(yàn)證理論知識(shí)，同時(shí)能夠直觀地了解材料屬性的科學(xué)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠使學(xué)生在實(shí)踐中獲得較好的理論知識(shí)和技能，同時(shí)也能夠提高學(xué)生對(duì)問題的發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)在提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)造性人才方面起著舉足輕重的作用。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解工程材料相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，在提升學(xué)生動(dòng)手能力、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情以及改善學(xué)生學(xué)習(xí)效果方面有積極的作用。本文針對(duì)目前工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，探討了如何將工程材料應(yīng)用于模擬技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并提出了采用模擬技術(shù)進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)示范的方法。

一、現(xiàn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及問題

（一）現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)概況

實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為兩個(gè)部分：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)。工程材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是相關(guān)專業(yè)的重要組成部分，它在工程類學(xué)科教育中具有積極意義。在培養(yǎng)學(xué)生的基本專業(yè)知識(shí)和創(chuàng)造能力的過程中，具有承上啟下、承前啟后的作用?；A(chǔ)型實(shí)驗(yàn)是以基礎(chǔ)知識(shí)為載體，注重基礎(chǔ)知識(shí)與技能的培養(yǎng)，加強(qiáng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。工程材料綜合實(shí)驗(yàn)是一種增強(qiáng)性的實(shí)驗(yàn)，它需要應(yīng)用所學(xué)到的有關(guān)材料的基本理論和基本實(shí)驗(yàn)操作技能。綜合實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是鞏固理論知識(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)?？茖W(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)有利于學(xué)生掌握知識(shí)、技能和方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和綜合素質(zhì)[1]。

（二）試論工程材料在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用應(yīng)注意的幾個(gè)問題

（一）工程材料或場(chǎng)所的限制

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于工程材料，儀器和場(chǎng)所的限制，無法向?qū)W生清晰地展示實(shí)驗(yàn)儀器和操作過程，造成一些學(xué)生對(duì)儀器的理解和使用不規(guī)范;甚至在某些情況下，由于操作失誤，導(dǎo)致儀器的使用和工作效率下降，從而對(duì)試驗(yàn)的順利進(jìn)行造成很大的影響。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有待豐富

在應(yīng)用工程材料進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)同樣應(yīng)重視教學(xué)方法，好的教學(xué)方法能引起學(xué)生的思考和解決問題，同時(shí)也能加深學(xué)生對(duì)工程材料基本理論的認(rèn)知，同時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法的認(rèn)識(shí)，有利于今后的工作和學(xué)習(xí)。在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)前，通過教學(xué)視頻對(duì)實(shí)驗(yàn)所涉及的工程材料進(jìn)行初步介紹，或通過微課的形式，可以在一定程度上解決實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生無從下手的問題。因此，我們必須不斷地探索更好、更多樣化的教學(xué)方法。

（三）理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不協(xié)調(diào)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)當(dāng)與理論教學(xué)相結(jié)合，在對(duì)工程材料的相關(guān)理論講授后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣既能保證工程材料理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)知識(shí)的結(jié)合，又能促進(jìn)學(xué)生的綜合運(yùn)用，同時(shí)也有利于理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)踐中，工程材料理論課和實(shí)驗(yàn)課常常不能同步，進(jìn)度也不能很好地統(tǒng)一。對(duì)初學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的一年級(jí)學(xué)生而言，由于缺乏對(duì)工程材料理論知識(shí)的了解而難以完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和理解存在著諸多問題，缺乏充分的準(zhǔn)備和熟練的實(shí)驗(yàn)技巧。

二、虛擬模擬技術(shù)在工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及優(yōu)越性

傳統(tǒng)的工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)在資源有限的情況下，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也很難達(dá)到良好的教學(xué)效果[2]。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬模擬技術(shù)在理論課和實(shí)驗(yàn)課上的應(yīng)用日益廣泛，它的優(yōu)勢(shì)和作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（一）將工程材料與虛擬仿真技術(shù)結(jié)合，使實(shí)驗(yàn)操作更加清楚、生動(dòng)

多媒體教學(xué)在現(xiàn)代教學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛，利用工程材料相關(guān)圖片、教學(xué)錄像等教學(xué)手段，結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行教學(xué)，可以達(dá)到很好的教學(xué)效果。通過虛擬仿真技術(shù)，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行形象且較為直觀地模擬工程材料實(shí)驗(yàn)過程，清楚地顯示操作過程，增強(qiáng)儀器操作的規(guī)范化，極大地提高了實(shí)驗(yàn)的效率，在激發(fā)了學(xué)生的興趣的同時(shí)，提高了學(xué)習(xí)效果，并且增強(qiáng)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

（二）對(duì)技能培訓(xùn)有積極意義

1.突破現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備，擴(kuò)大試驗(yàn)的范圍

在傳統(tǒng)的工程材料課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)條件、安全等諸多因素的制約，因此，虛擬實(shí)驗(yàn)可以很好地解決這些問題。利用三維模型，可以直觀地顯示工程材料封閉裝置的內(nèi)部或較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，模擬工程材料內(nèi)部的工作原理，拓展教學(xué)內(nèi)容，加深對(duì)儀器的認(rèn)識(shí)，拓寬視野，促進(jìn)工程技術(shù)的進(jìn)步。

2.擴(kuò)大試驗(yàn)的時(shí)間和空間

由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)器材有限，所以很難在有限的時(shí)間和空間上進(jìn)行，而虛擬模擬實(shí)驗(yàn)則可以用電腦和相應(yīng)的模擬軟件來完成，這就大大擴(kuò)展了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和地點(diǎn)。此外，虛擬模擬技術(shù)還可用于工程材料實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的開發(fā) [3]。

三、在工程材料虛擬仿真試驗(yàn)中應(yīng)用的優(yōu)化思路

（一）工程材料虛擬仿真多元化教學(xué)試驗(yàn)示范

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使用工程材料虛擬模擬技術(shù)進(jìn)行模型和動(dòng)畫演示相結(jié)合是最常見的一種;也可以將仿真試驗(yàn)的數(shù)據(jù)過程量制作成教學(xué)視頻，使得學(xué)生能夠更加直觀地了解試驗(yàn)參數(shù)的變化過程與變化規(guī)律。例如，洛氏硬度儀的模擬模型利用常用的模擬軟件，可以把硬度計(jì)的全過程模擬得栩栩如生，將所有硬度數(shù)據(jù)中間結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，制作動(dòng)態(tài)曲線的視頻供學(xué)生參考學(xué)習(xí)，以提升教學(xué)效果，有助于幫助學(xué)生更加仔細(xì)地觀察工程材料的各種屬性。在工程材料相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用虛擬仿真演示與多媒體教學(xué)的形式，可以有效地激發(fā)學(xué)生對(duì)虛擬仿真技術(shù)的興趣和對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的興趣，促進(jìn)他們的自主思維，從而提高工程材料實(shí)驗(yàn)的效果。此外，虛擬仿真技術(shù)還可以進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)室沒有的儀器和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的擴(kuò)充，以拓寬學(xué)生的視野。

（二）研究開發(fā)基于實(shí)驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

通過根據(jù)實(shí)際教學(xué)需要，研制出能滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、操作和答疑的工程材料虛擬實(shí)驗(yàn)室。借助虛擬實(shí)驗(yàn)室;構(gòu)建工程材料實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái);以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，服務(wù)于課程實(shí)驗(yàn)，使其充分運(yùn)用于工程材料虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室之中，從而不斷補(bǔ)充和完善實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體建設(shè)。

四、結(jié)論

本文對(duì)工程材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和問題進(jìn)行了分析，闡述了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能和優(yōu)越性，并將其引入到工程材料實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行了深入探討。通過教學(xué)實(shí)踐，在工程材料課堂上引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以加深對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的認(rèn)識(shí)，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主性思維和創(chuàng)造精神。

參考文獻(xiàn)：

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