虚拟仿真技术在材控类课程中的应用研究

                 杨  健，江 河，陈树海，叶 政

（北京科技大学 材料科学与工程学院, 北京 100028）

[摘  要]针对当前材料成型及控制工程（简称材控）专业人才培养过程中学生较多的知识掌握需求、实践能力培养与教学课时、教学资源限制之间的矛盾，及理论课程知识点复杂且抽象、技能训练课程与理论课程脱节、实践课程课时不足的现状，提出在材控类课程中采用虚拟仿真技术构建实际工作场景，使学生通过虚拟仿真掌握更多的基础知识和操作技能，获得更多的实践经验，提高学生的分析问题、解决问题、增强创新思维的能力，力争适应当代大学生发展与培养的要求。

[关键词] 材料成型及控制工程；虚拟仿真技术；人才培养

[课题项目] 2019年度北京科技大学本科教育教学改革项目“虚拟仿真技术在材控类课程教学中的应用研究（编号：JG2019M09）”。

 [作者简介] 杨健，（1987—），男，满族，河北承德人，博士，北京科技大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师（通信作者），主要从事真空钎焊、扩散焊方面研究；江河，（1988—），女，河北秦皇岛人，博士，北京科技大学材料科学与工程学院讲师，主要从事高温合金研发、制备方面研究；陈树海（1979—），男，山东日照人，博士，北京科技大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，主要从事异种金属材料连接方面研究。

 [中图分类号] G642.0   [文献标识码] A  

1. 引言

作为材料科学与工程学科中的核心专业之一，材料成型及控制工程（简称材控）专业人才培养目标是培养出面向设计、生产一线需要的高端技能型人才，面向的工作岗位主要有材控类技术、装备和产品的设计、制造等^[1,2]。相比于其他材料类专业，材控专业就业范围较广，技术、产品种类很多，而且工种也很多，因此在教学过程中需要学生掌握大量基础知识和相关技能^[3]。

2. 材控类课程教学当前存在的问题

2.1理论课程知识点复杂、抽象

材控类专业学生涉及的知识领域极广，理论课程涵盖了铸造、锻压、轧制、焊接、模具等各领域（以本校为例，材控类专业学生需要学习近20门理论专业课程），课程知识点复杂且相互联系紧密^[4]。此外，虽然材控类专业课程的理论知识点提炼于生产问题，但是由于具体的工业生产过程（及问题）难以在课堂中采用语言描述清晰，且工业生产的样例、样件难以带入课堂，因此理论知识点较为抽象，较难理解。故此，在传统教学过程中，学生很难做到集中注意力对如此枯燥乏味且复杂的理论知识进行学习，极大程度上限制了理论课程的授课成果^[5]。

2.2技能训练课程与理论课程脱节

在传统的教学模式下，材控类课程中理论课与实验课（技能训练课）是分离的，因此，技能训练由于得不到及时的理论指导，导致学生的技能掌握浮于形式。随着教学改革的发展，出现了“项目教学”、“教、学、做”一体化等新型的教学模式，但在这些新的教学模式下采用的技能训练通常有两种：第一种是仅限于实验课程提供的几个固定实验，学生只需按老师指导的相对固定的方案即可完成实验，学生动手机会少，不能真正地参与到学习活动中^[6]；第二种是基于一些实际的实验内容（以老师的研究课题为主导），然后自发进行工艺方面的设计、优化，大大提高了学生的思考和动手能力，但是实际操作时要受到老师研究课题等方面的限制，而且耗时大，占用课时太多，耗材的消耗量也很大，成本较高^[7]。

2.3实践课程课时不足

如前所述，材控类专业学生在毕业后面临一些实际生产问题，而丰富的生产相关经验是解决问题的基础与根基，因此充足的实践课程是提高学生毕业后从业能力的重要保障。然而，由于当前培养模式和培养条件的限制，学生的实践课程严重不足。以本校为例，材控类专业学生仅有一次认识实习（1周）和一次生产实习（2周）的实践课程，且实习过程中由于时间因素，往往只是“走马观花”，难以对生产流程、生产过程中容易出现的问题有着真正的了解，更谈不上获得丰富的生产相关经验。

3. 虚拟仿真技术在材控类课程教学中的优势

仿真技术是继数学推理与科学试验之后认识世界自然规律的第三类基础方法。虚拟仿真教学是指利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。

3.1 虚拟仿真技术有助于提高学生理论课的学习效果

材控类理论课程知识点的复杂化、抽象化往往会会使学生理解起来有较大困难，而学生对知识点的理解一旦跟不上老师的讲课速度，必然会导致学生上课出现注意力不集中等现象，从而使学生理论课（理论知识点）的学习效果大幅下降。采用虚拟仿真技术可以根据具体知识点建立对应的宏观模型，将理论课程知识点融入到更加直观、具体的样品、样件、模型之中，使原本枯燥乏味的理论知识形象化、生动化。采用虚拟仿真技术进行理论课程的讲述，一方面可以引起学生的兴趣，提高学生学习的主观能动性，另一方面可以使学生通过对具体样品、样件、模型的分析，更加容易掌握理论知识点^[8-10]。

图1 基于虚拟仿真技术的可视化理论模型

3.2 虚拟仿真技术有助于提高学生技能训练课程的学习效果

在当前条件下，材控类学生的技能训练课程不仅存在技能训练课程与理论课程脱节的问题，而且存在仪器设备数量较少、型号旧、时间周期长和受众学生人数多、新技能训练需求强之间的矛盾。以本校为例，在进行焊接技能训练课程中，一个小组平均10名学生分配到一台仪器，且单次试验最长时间可达12小时。技能训练课程仪器的缺乏和较长的时间周期导致学生受到的训练远远不足以完全掌握相应的技术。虚拟仿真技术完全依赖于计算机终端进行仿真操作，在大学生平均人手一台计算机的今天，材控类技能训练课程的虚拟仿真打破了试验资源和试验周期的限制，利用计算机软件的优势创造出灵活多样的工作条件，为学生建立了更加方便、安全、快捷、可控的技能训练环境。尤为重要的是，在技能训练课程的过程中，学生可以随时调用理论课程中构建的样件、模型，得到及时的理论指导，真正实现“教、学、做”一体化，进而极大程度提高学生技能训练课程的学习效果^[11]。

3.3虚拟仿真技术有助于丰富学生实践经验

当前材控类专业学生的实践课程严重不足，并且往往浮于形式。此外，真正生产是流程化的，即使增加实践课程学时，学生依然只能够大概了解总体生产流程，而对具体某一环节的问题及各环节之间的相互关系难以有着较深的理解^[12]。尤为重要的是，在实践课程中，由于学生需要进入企业的一线生产现场进行近距离学习，因此在安全方面存在很大隐患。

采用虚拟仿真技术构建虚拟仿真生产车间，首先打破了资源、课时的限制，学生可以通过计算机终端对实际生产过程进行反复观看、揣摩、操作、分析，并且可以将问题及时向授课老师反馈，获得指导，从而深入了解生产流程；其次，虚拟仿真生产车间可以对现实中连续的生产流程进行分解、模块化处理，学生可以对实际生产中的具体每一环节进行深入研究，分析各环节可能存在的问题，并且可以与理论课程、技能训练课程中所获得的知识内容相结合，为问题提出合理的解决方法，从而真正达到“实践”的目的。此外，虚拟仿真生产车间不需要学生进入企业的一线生产现场（或减少学生进入一线生产现场的时间），极大程度提高了安全性^[13,14]。

4. 虚拟仿真技术在材控类课程教学中的应用模式

在混合式学习理论的指导下，按照高校课程改革的基本要求, 结合虚拟仿真教学设计的基本原则，借鉴信息化和项目教学设计方法，探索基于典型项目和工作任务的虚拟仿真教学模式，实现“教、学、做”一体化教学设计。该模式由“项目导入”、“制定计划”、“实施计划”和“成果展示与评价”四个环节组成。

4.1 “项目导入”环节

如前所述，在材控类课程教学中引入虚拟仿真技术本质目的是提高学生理论课的学习效果、提高学生技能训练课程的学习效果并丰富学生的实践经验，对于不同类型的课程，虚拟仿真技术“项目导入”环节略有不同：（1）在理论基础课方面，首先教师根据教学大纲和教学内容构建知识体系树，并在知识体系树中强调关键点。通过与学生进行咨询交流和分析学生调查问卷，获得学生认为过于抽象的、难以掌握的难点部分。在此基础之上，借助虚拟仿真平台，以某一难点为例，导入项目任务及目标、展示项目结果，使学生初步了解通过虚拟仿真实现知识点具体化、可视化的方法；（2）在技能训练课程方面，教师首先用向学生展示实际技能训练的操作流程，并且通过虚拟仿真技术导入对应的技能训练项目并对相应的操作流程进行简单介绍，让学生明确自己应当完成的具体任务和完成任务后可以得到哪些知识以及达到什么样的水平；（3）在实践课程方面，在学生进行短时间的一线生产现场学习之后，采用虚拟仿真技术导入生产现场/生产车间的整体流程，并对具体的生产流程进行概述，加强学生的理解。

图2 虚拟仿真实验室

4.2 “制定计划”环节

教师针对不同课程的特点和要求，对学生加以引导，使学生通过自主学习、小组协作学习等方式，不同课程类别的项目任务目标进行分析：如针对理论基础课，项目目标为真正掌握原理和机制，并且能够加以运用；针对技能训练课，项目目标为掌握具体的技能操作流程，熟悉各种先进仪器、设备的使用；针对实践课程，项目目标为掌握整体生产流程，并且能够对整体生产流程中的各环节进行具体分析，判断其可能出现的问题及出现该问题的本质性因素。在学生对任务目标进行充分分析之后，制定具体的虚拟仿真学习计划并且在课堂中进行展示，并且在同学的讨论和老师的指导下予以完善。虚拟仿真计划的制定和展示不仅可以促使学生对课程内容再一次进行梳理，达到“温故而知新”的目的。

4.3 “实施计划”环节

在经过“项目导入”环节对理论知识点、基本技能操作和实际生产流程有着基本了解，并经过“制定计划”环节建立合理、科学的学习计划后，学生在虚拟仿真平台上按照已制定好的计划逐步完成项目任务。在理论基础课方面，学生首先可以通过虚拟仿真平台根据具体的样例、样件对理论知识点进行深入剖析，反复思考、讨论知识点的内涵，并将相应的理论知识点反馈到具体样件之中，达到真正的学以致用；在技能训练课程方面，学生不仅不需要考虑教学资源、课时的限制，在虚拟仿真实验室中对各种先进试验仪器进行反复操作，而且可以进行“试错性”技能训练，即有目的性的在仿真技能训练中故意出错，了解操作技能各环节的重要性以及操作不当可能带来的影响和后果，从根本上真正的完成相关技能训练；在实践课程方面，学生一方面对实际生产过程进行观看、揣摩、操作、分析，掌握整体生产流程，另一方面对整体生产过程中的各环节进行有目的的分解，学习各环节对生产流程的支撑、各环节之间的相互关系和各环节容易出现的问题及原因。学生通过应用已学习的知识完成虚拟仿真平台中的各项工作任务，进行知识的建构，形成职业岗位能力。

4.4 “展示与评价”环节

学生在完成既定计划之后，在虚拟仿真平台上展示自己的项目成果，包括但不限于理论知识点的内涵和应用，基本技能操作的步骤、关键点，实际生产流程分析及各环节容易出现的问题及原因。在学生展示完虚拟仿真学习成果之后，接受其他学生的质询、评价，并且以此为基础展开讨论，提高学生的课堂活跃度并加深对相关知识的理解和记忆。学生在汇报和听取同学汇报的过程中，通过对比自己与其他同学的成果，查找不足，反思其成败。

5. 结论

在当前“新工科”建设理念下，虚拟仿真技术可以为当前材控专业人才培养过程中学生较多的知识掌握需求、实践能力培养与教学课时、教学资源限制之间的矛盾提供优异的解决方案。虚拟仿真技术教学生动形象，接近现实工作场景，有利于提高学生兴趣，真实的体验在现实生活中进行设计和操作的感觉，以达到更快掌握知识的目的。

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Application of Virtual Simulation Technology in Material Control Course

Yang Jian, Jiang He, Chen Shuhai, Ye Zheng

(School of Materials Science and Engineering, Beijing University of Science and Technology, Beijing 100028, China)

Abstract: In view of the contradiction between the need of students to master more knowledge, the cultivation of practical ability and the limitation of teaching hours and teaching resources in the course of material forming and control engineering (material control), as well as the current situation that the knowledge points of theoretical courses are complex and abstract, skill training courses are out of touch with theory courses and the hours of practical courses are insufficient, this paper puts forward the use of virtual simulation technology to construct practical work scene, so that students can master more basic knowledge and operation skills through virtual simulation, gain more practical experience, improve students' ability to analyze problems, solve problems and enhance innovative thinking, and strive to meet the requirements of the development and training of contemporary college students.

 Keywords: material forming and control engineering; virtual simulation technology; personnel training