于美燕 張玥 陳守剛

[摘 要] “材料研究方法與測試技術(shù)”是材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程，其教學(xué)內(nèi)容理論性強(qiáng)，晦澀難懂，且實(shí)踐教學(xué)匱乏，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高，教學(xué)效果不理想，導(dǎo)致課程目標(biāo)與畢業(yè)能力要求的達(dá)成度存在差距。通過對虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)理論教學(xué)相融合的教學(xué)模式進(jìn)行探討，結(jié)果表明，新教學(xué)模式極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，在促進(jìn)學(xué)生對理論知識掌握的同時(shí)，提高了學(xué)生的動手能力，也激發(fā)了學(xué)生對科研和創(chuàng)新的興趣，為培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;材料科學(xué);復(fù)合型人才

[基金項(xiàng)目] 2019年度中國海洋大學(xué)本科教育教學(xué)研究項(xiàng)目“材料研究方法與測試技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)和虛擬仿真教學(xué)相融合的探討”（2019JY58）

[作者簡介] 于美燕（1975—），女，山東濰坊人，博士，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，主要從事功能陶瓷材料及海洋防污材料研究;張 玥（1972—），女，黑龍江哈爾濱人，博士，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長，教授，主要從事納米復(fù)合材料及聚合物基復(fù)合材料研究;陳守剛（1974—），男，山東臨沂人，博士，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長，教授，主要從事海洋防污防腐材料及微生物腐蝕與防護(hù)研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）07-0169-04? ? [收稿日期] 2020-08-24

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)相融合，利用信息技術(shù)提供的優(yōu)質(zhì)教育資源，探索建立以學(xué)生為中心的教學(xué)新模式，成為培養(yǎng)基礎(chǔ)厚、素質(zhì)高的創(chuàng)新型人才，具有較強(qiáng)實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才和具有國際視野、能參與國際競爭的復(fù)合型人才所必需的。“材料研究方法與測試技術(shù)”是材料科學(xué)與工程本科專業(yè)的核心課程，在整個(gè)材料學(xué)知識體系中起著舉足輕重的作用。本課程主要介紹了現(xiàn)代材料研究分析與測試技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論知識，包括X射線衍射分析（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、電子能譜分析（AES、XPS、STM）、電子衍射（ED、LEED）、熱分析（TG、DTA、DSC）、有機(jī)波譜分析（UV、IR、NMR）等測試技術(shù)的基本原理、儀器構(gòu)造、工作原理、譜圖數(shù)據(jù)分析及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用。該課程的目標(biāo)是在掌握基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)上，具備收集、分析、判斷、選擇國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)信息的能力和解決復(fù)雜工程問題的能力。因此，改革現(xiàn)有的傳統(tǒng)教學(xué)模式，使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相融合，是對“材料研究方法與測試技術(shù)”課程教學(xué)改革的首要任務(wù)[1-3]。本文分析了“材料研究方法與測試技術(shù)”課程教學(xué)中存在的問題，探索了虛擬仿真技術(shù)在該課程教學(xué)中的應(yīng)用。在虛擬仿真教學(xué)的輔助下，理論教學(xué)效果達(dá)到了教學(xué)要求和教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生的綜合能力也更好地達(dá)到了畢業(yè)要求。

一、“材料研究方法與測試技術(shù)”教學(xué)中存在的問題

“材料研究方法與測試技術(shù)”涵蓋了材料學(xué)科及與它相關(guān)的許多分支學(xué)科、邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科的基本理論與技術(shù)，因此，課程內(nèi)容具有知識面覆蓋廣、理論性強(qiáng)、枯燥抽象等突出特點(diǎn)。同時(shí)，“材料研究方法與測試技術(shù)”是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程。該課程實(shí)踐性很強(qiáng)，它要求在理解、掌握理論知識的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用這些測試技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。然而，由于目前對于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)的投入并不能完全滿足教學(xué)需要，尤其是實(shí)驗(yàn)中的中、大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備價(jià)值昂貴，使用和維護(hù)成本較高，對操作技術(shù)要求很高，同時(shí)設(shè)備數(shù)目難以滿足每一名學(xué)生的動手操作需求，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上的參與感不強(qiáng)，在一定程度上制約了學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

針對教師“講到底，滿堂灌”的傳統(tǒng)教學(xué)模式，在教學(xué)方法上進(jìn)行了相應(yīng)的改革，如授課過程中加入了動畫教學(xué)、視頻教學(xué)和模型教學(xué)等，這些教學(xué)手段的加入，在一定程度上引起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善了課堂教學(xué)效果。但是，在經(jīng)歷過幾個(gè)教學(xué)周期后，對教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（見圖1），結(jié)果發(fā)現(xiàn)不管動畫、視頻還是模型教學(xué)的加入，只是在課堂上短暫地調(diào)動了學(xué)生的聽課積極性，而那些枯燥抽象的工作原理和復(fù)雜煩瑣的精密儀器結(jié)構(gòu)對學(xué)生來說依舊晦澀難懂，難以掌握;同時(shí)，由于缺乏實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生對所學(xué)知識的理解仍然浮于表面，沒有達(dá)到理論與實(shí)踐的真正融合，無法培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和應(yīng)用能力，使得學(xué)生對所學(xué)知識的“可用性”仍然存在疑問，漸漸喪失了對該課程學(xué)習(xí)的積極性和信心，無法達(dá)到既定的教學(xué)目標(biāo)和要求。

綜上所述，“材料研究方法與測試技術(shù)”教學(xué)過程中存在著基礎(chǔ)知識理論性強(qiáng)、實(shí)踐教學(xué)缺乏等弊端，使得學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)興趣不高，缺乏主動性和創(chuàng)造性。為了適應(yīng)新時(shí)代創(chuàng)新型人才發(fā)展的需求，提高學(xué)生的動手能力和操作能力，就需要開發(fā)一種新的教學(xué)模式，讓學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)他們的科研創(chuàng)新能力，把虛擬仿真技術(shù)融合到“材料研究方法與測試技術(shù)”的教學(xué)過程中恰好滿足這一要求[4]。

二、虛擬仿真技術(shù)在“材料研究方法與測試技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用

“材料研究方法與測試技術(shù)”是一門理論與實(shí)踐并重的課程，實(shí)踐性很強(qiáng)，課程教學(xué)中存在的問題，各個(gè)高校都不同程度地存在，也都在通過探索不同的方法以期解決。一般情況下，都是開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，探討和研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助理論教學(xué)，但是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果不很理想。根據(jù)對相關(guān)儀器分析課程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)是解決這一教學(xué)難題的有效辦法[5-8]。

（一）作為理論教學(xué)輔助手段，促進(jìn)學(xué)生鞏固和拓寬課堂所學(xué)理論知識

在計(jì)算機(jī)上建立與真實(shí)儀器設(shè)備完全相同的虛擬仿真系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生通過操作虛擬仿真儀器設(shè)備，可以獲得與操作真實(shí)儀器設(shè)備一樣的豐富經(jīng)驗(yàn)，比傳統(tǒng)多媒體教學(xué)更加靈活，與學(xué)生的互動性更強(qiáng)，可以提供形象直觀、內(nèi)容豐富、生動逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。教師可以把枯燥的理論知識和復(fù)雜的操作流程用動態(tài)虛擬的形式形象直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，促進(jìn)學(xué)生感性地理解課堂教學(xué)理論，促進(jìn)學(xué)生對儀器設(shè)備的熟悉和原理的理解，激發(fā)學(xué)生興趣，調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性。將虛擬仿真技術(shù)教學(xué)與傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式相結(jié)合，相輔相成，有利于提高“材料研究方法與測試技術(shù)”課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

（二）促進(jìn)理論與實(shí)踐一體化教學(xué)，訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用理論知識的能力

“材料研究方法與測試技術(shù)”作為一門材料科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程，更注重于對學(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)，但是，該課程涉及的大型儀器設(shè)備受到資金或場地的影響，很難達(dá)到該課程的教學(xué)目的。虛擬仿真教學(xué)克服了學(xué)生只能看、不能動手操作的不足，可以使每個(gè)學(xué)生都能利用仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬操作，復(fù)習(xí)掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，形象理解理論知識，使理論知識與實(shí)際操作有機(jī)結(jié)合，在訓(xùn)練學(xué)生靈活運(yùn)用理論知識的同時(shí)，提高了學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。

（三）補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力

利用虛擬仿真技術(shù)可以模擬實(shí)驗(yàn)過程，從而對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)而提高學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。模擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，靈活地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，以各種形式輸出結(jié)果并實(shí)時(shí)分析，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，滿足實(shí)踐應(yīng)用的需求，有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。對虛擬仿真技術(shù)教學(xué)方法的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（見圖2），結(jié)果發(fā)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)模式的加入，使得學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，更加生動地掌握了基本實(shí)驗(yàn)技能，具備了分析測試能力和解決實(shí)際工程問題的能力，達(dá)到了課程學(xué)習(xí)的畢業(yè)要求。

（四）教學(xué)方式靈活，安全性高，便于學(xué)生學(xué)習(xí)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是建立在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，不受時(shí)間、空間和實(shí)驗(yàn)次數(shù)的限制，學(xué)生可以隨時(shí)隨地多次訪問操作，如果操作不對，可重復(fù)操作演練，從而不斷強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)知識。而且，學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)中不必?fù)?dān)心由于操作失誤而引起人身傷害和設(shè)備損害，可以大膽、獨(dú)立地進(jìn)行學(xué)習(xí)和練習(xí)，鍛煉他們解決問題和分析問題的能力。

（五）減少教學(xué)支出，減輕學(xué)校負(fù)擔(dān)

虛擬仿真教學(xué)投資較少，仿真系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)在不同的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，因此，學(xué)生在校園內(nèi)任何一臺計(jì)算機(jī)上都可完成相關(guān)儀器操作和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，無維護(hù)費(fèi)用。另外，學(xué)生利用仿真軟件進(jìn)行模擬練習(xí)后，再到真實(shí)儀器上操作，大大減少了失誤，降低了對藥品的浪費(fèi)和對儀器的損壞，從而降低了教學(xué)成本。

三、結(jié)語

本文探討了虛擬仿真技術(shù)在“材料研究方法與測試技術(shù)”理論教學(xué)中的應(yīng)用。虛擬仿真教學(xué)與傳統(tǒng)理論教學(xué)相結(jié)合，促進(jìn)了學(xué)生對抽象理論知識的理解和掌握，訓(xùn)練了學(xué)生對課堂知識的靈活運(yùn)用，提高了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，最大限度地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了“材料研究方法與測試技術(shù)”的課堂教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了專業(yè)人才培養(yǎng)方案所要求的教學(xué)效果與教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生的綜合能力得到大幅度提高，更好地達(dá)到了畢業(yè)要求。

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Application of Virtual Simulation in the Course of Materials Research Methods and Testing Technology

YU Mei-yan， ZHANG Yue， CHEN Shou-gang

（School of Materials Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao， Shandong 266000， China）

Abstract： Materials Research Methods and Testing Technology is the core course of material science and engineering major. The content of this course is theoretical， obscure and difficult to understand， and the practice teaching is insufficient， which makes students learning enthusiasm is not high and the teaching effect is not ideal， so there is a gap between the achievement of course objectives and the graduation ability requirements. This paper discusses the new teaching model which combines the virtual simulation and traditional theory teaching method. The results show that the new teaching model has greatly aroused students enthusiasm for learning， promoted students mastery of theoretical knowledge， improved students practical ability， and stimulated students interest in scientific research and innovation， which lays a solid foundation for the cultivation of innovative， applied and compound talents.

Key words： virtual simulation; materials science; compound talents