基于虚拟仿真实验教学项目的工程实践
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作者:孙君 朱健 戴礼兴
摘要：在全面实施“六卓越一拔尖”计划的进程中，工程实践教学对于提高高校理工科学生的专业素质尤其重要。虚拟仿真实验是专业与信息技术深度融合的产物，它突破了高校传统的实验教学模式，在工程实践教学中优势明显。文章主要分析了传统工程实验教学的局限性和虚拟仿真在工程实践中的优势，并分析了存在问题，提出了解决对策。
关键词：虚拟仿真;实验教学;工程实践
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2020）14-0219-02
信息技术的快速发展，推动我国高等学校教学模式的改变，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》强调了“加快教育信息化进程”的内容[1]，应用信息化元素的现代化教育模式成为我国教育发展的新方向。工程实验教学是培养理工科高素质人才的重要实践性环节，但传统实验教学方法中存在一些问题限制了教学效果的提高，不利于具有创新精神的工程人才的培养。虚拟仿真实验教学利用虚拟现实、人机交互以及网络通信等技术，构建与真实实验场景等同的操作环境和测试对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展实验，具有全新的实验体验，进而可以达到实物实验无法实现的效果[2-4]。在全面实施“六卓越一拔尖”计划的进程中[5]，为了促进“卓越工程师”的培养，进一步提高教学质量，虚拟仿真实验教学项目或实验教学中心的建设十分必要。
一、传统工程实验教学的局限性
1.实验条件限制。工程实践教学要求具备与实际生产相同或相近的环境，使学生真实感受和理解实际生产场景，培养学生“真刀真枪”解决实际问题的能力，如此培养的学生才能缩短与未来工作环境的距离，更能被社会认可与接受。学校由于场地限制、经费限制、管理限制等，不可能建一座大型实验工厂用于实践教学。因此，这个任务一般只能在企业完成。目前的状况，一是联系实习企业难，三十年前一张介绍信关于实习的什么问题都可轻松搞定，但如今大部分企业是民营企业和外资企业，企业生产任务重、安全责任大，总的来说企业压力很大，所以一般情况下企业都不希望外来因素干扰正常生产。二是实习效果不佳，考虑到企业存在高温、高压、高电压、辐射等不安全因素和保护生产顺利进行不受影响的因素，学生在工厂实习大部分是不能直接动手的，只能看、问、听，没有交互式体验，因此实习效果有限。
2.实验形式单一。如上所述，学生在企业实习实际上是参观的形式，按照流程走一遍，容易浮于表面。如带一个班去一个大型聚酯高分子合成车间实习，共有五层楼高，从加料到最后聚合物颗粒出来，都是自动化。企业师傅按流程走一遍大约半小时，学生有个模糊印象，学生再花半天时间可以基本把流程走完，但是设备内部结构和很多细节问题看不见摸不着，只能听到一点是一点，光靠那么短实习时间根本不够。另外，面对冷酷的机器更显枯燥乏味，有不自觉的学生趁教师不注意就开溜了;学生年轻，比较爱动手，而实习只能看不准动不符合他们的心理，难以激发学生的学习热情和学习积极性，不能达到我们最初设想的教学目的和教学要求，明显影响实习效果。这种实验教学模式在很大程度上让学生“被动”学习，不能自主思考，没有自己的想法和创意，阻碍了学生创新精神和创新能力的培养。所以找到一种更有趣味、更丰富表现形式的实习方式显得十分必要。
二、虚拟仿真实验的优势
1.突破时空限制。虚拟实验是指借助多媒体、仿真和虚拟现实等技术，在计算机上营造虚拟的实验环境，模拟真实实验的操作过程和实验现象，实验者可以像在真实实验环境中一样完成实验项目。如前面提到，聚酯合成实践环节不可能让学生动手操作，从而导致学生对工艺了解不够透彻，无法很好地将理论与实践相融合，更谈不上掌握工艺和管理工艺。因此，我们在此基础上引入虚拟仿真实验教学，模拟聚酯聚合生产。虚拟仿真一大优势是可以不受时间、空间限制方便进行实验，可以用几分钟时间走完实际车间半小时走完的流程。由于软件的逼真效果，意味着学生随时可以进入合成车间去配料、测产物分子量、查看设备等，给予学生完全不同的实习体验。除正规的实验时间外，学生可以利用空余时间随时进行无数次的实习，虚拟仿真实验，提供开放式实验环境，真正实现实验室向学生全天候开放。学生不受时间和空间的约束，随时随地进行实验，这样能更好地培养学生自主创新能力，对学生的学习兴趣能起到正面的激发作用。
2.突破实验条件限制。在工程实践教学中，利用虚拟现实技术，在多媒体计算机上建立虚拟实验室，学习者便可以身临其境般地操作虚拟仪器，操作结果可以反馈给学生，这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可反复操作，直至得出满意结果，有效地解决了实验条件与实验效果之间的矛盾。工程实践生产线投资大、占地广、建设时间长，学校要建设这样的装置几乎是不可能的，但虚拟仿真实验项目建设可以给出完美的解决方案。如建设一个大型聚酯合成企业，投资要以数十亿计，而虚拟仿真实验平台可以比较容易地将真实生产环境逼真模拟出来，将整个生产流程和复杂的设备细节完美呈现，学生除了很好的认知体验外，还有良好的交互体验，且运行和维护成本均较低，取得了以有限的投资给予学生无限的实验环境的效果，拓宽学生的知识视野。随着仿真技术和软件的连续更新发展，仿真系统还可以加入一些新的设备和元件，因此虚拟仿真实验可以方便对实验系统进行更新迭代，快速适应高新技术的发展，使得学生能随时追踪新技术和新设备，对学生的知识视野开阔起到了非常积极的作用。
3.生动的实习体验。三维虚拟仿真实验室界面友好，内容丰富。虚拟现实技术利用计算机软件，将音乐、动画、声效按照学生的生理、心理特点并结合富有新意的操作界面，制作出身临其境的动态效果。如我们按照某高分子大型企业制作的聚酯合成虚拟仿真项目，效果逼真，给学生一种熟悉、自然、真实的感觉和体验，包含了仪器结构的介绍和展示，配料，设备操作及数据处理等模块，同时具有操作步骤提示，错误扣分、基本知识问答等功能。允许学生自己动手设置工艺参数、安装和调节虚拟实验仪器操作设备，如果出现半成品和成品指标不合格，学生可以继续优化参数达到理想的实验结果。三维虚拟仿真实验室还包含了理论课学习模块，使学生能够预习或者复习巩固理论基础，提升对实验的理性认识。另外，三维虚拟仿真实验室还创造性地增加了仪器维护维修模塊，使学生能学习处理日常仪器故障。因此，三维虚拟仿真实验的引入极大地扩展了学生的视野，激发了学生的学习兴趣和学习自主性。 三、结语
虚拟仿真实验在工程实践中具有明显优势，但三维虚拟仿真实验不能取代真实的实验操作，无法获得实际的动手能力，因此只能作为实际实验教学的补充、辅助手段，以“能实不虚、虚实结合、相互补充”为原则，使实验教学达到最佳的效果。通过虚拟仿真实验的建立强化培养学生实践创新能力，锻炼创新思维。
参考文献：
[1]国家中长期教育改革和发展规划纲要工作小组办公室.国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）[Z].2010-07.
[2]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，（11）：5-8.
[3]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，（12）：5-8.
[4]张任平.基于虚拟仿真实验室的创新性实验教学改革探索[J].教育教学论坛，2017，（11）：273-274.
[5]深化拓展“六卓越一拔尖計划”培养德学兼修高素质人才[J].教育发展研究，2017，37（10）：84.
Abstract：In the process of fully implementing the "six excellence and one top-notch plan" program，engineering practice teaching is especially important for improving the professional quality of science and engineering students in universities.The virtual simulation experiment is the product of the deep integration of professional and information technology.It breaks through the traditional experimental teaching mode of universities，and has obvious advantages in engineering practice teaching.This paper mainly analyzes the limitations of traditional engineering experiment teaching and the advantages of virtual simulation in engineering practice，and analyzes the existing problems and proposes solutions.
Key words：virtual simulation;experimental teaching;engineering practice
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