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近年來，隨著招生規模的擴大和就業形勢吃緊，社會對學生的素質要求越來越高，特別是隨著新知識、新技術不斷引入材料成型專業的教學中，對材料成型專業的技術人員的素質提出了更高的要求。在新的教學規模、技術背景、質量工程和就業形勢下，找出一條適應材料成型專業實驗教學改革發展的新路，進一步提升材料成型專業的教學水平和教學質量，提高學生專業素質是材料成型專業的當務之急［1］。

1建立規整的實踐教學體系

天津理工大學材料成型專業的培養目標是以金屬材料、復合材料和高分子材料成型專業技術為重點，以材料成型專業工藝及材料成型專業模具的設計制造為主要方向。要求學生經過四年的專業學習，掌握材料加工成型理論、材料成型專業計算機模擬技術、材料成型專業過程中控制和檢測技術以及成型模具的開發技術。實驗教學不僅能夠提高學生理論聯系實際能力和動手能力，更重要的是提高學生利用所學的專業知識分析問題和解決問題的綜合能力、培養學生創新意識的重要環節。為了保證專業基礎課、專業限選課所設置的實驗課能按教學大綱的要求開出并落實，材料成型專業應該建立有相關功能的專業實驗室，“材料性能測試實驗室”、“材料成型工藝與設備實驗室”、“模具設計與制造綜合實驗室”和“材料成型計算機模擬實驗室”。具體任務分別是:“材料性能測試實驗室”主要使學生在材料科學、材料工藝、材料性能等基礎課學習階段，完成材料基礎力學性能測試和分析，包括拉伸、壓縮、沖擊、磨損、杯突等等;“材料成型工藝與設備實驗室”主要使學生在材料成型專業工藝、成型設備與控制、材料成型專業過程與原理等專業課學習階段，完成不同材料成型專業所涉及的設備參觀演示和成型過程實踐操作;包括“模具設計與制造綜合實驗室”主要使學生在材料成型專業與模具設計、模具CAD/CAM、模具制造等專業課學習階段，完成不同材料成型專業所涉及的模具認識，包括拆裝、測繪、模擬、比較等;“材料成型計算機模擬實驗室”主要使學生在材料成型專業計算機模擬技術、測試技術、控制技術、ANSYS有限元分析等專業課學習階段，完成不同材料成型專業所涉及的工程模擬分析。

2在實踐教學環節開展虛擬制造實驗

基于上述認識，材料成型專業的實驗教學的改革不是坐等之事。使用復雜、價格昂貴材料成型專業設備只有少數學校有條件為學生提供演示機會，而在虛擬實驗中則可以輕而易舉地實現。實踐證明［2－4］，虛擬實驗技術已經在很多學科的教學實踐中得到應用，所以，虛擬實驗技術可以作為材料成型專業實驗教學改革的方向。

2．1虛擬實驗的基本概念和特點

虛擬實驗技術是基于原型專業知識體系，采用虛擬現實技術(Virtua1Reality，VR)在計算機系統實現虛擬實驗環境。實驗者通過計算機界面進行操作控制，可以像在真實的環境中一樣完成各種預定的實驗項目［5］，從而體驗實踐過程。低端的虛擬實驗主要實現樹狀知識的結構，高層則可實現浸入式交互作用，或者實現虛擬制造。與傳統實驗相比虛擬實驗具有以下顯著特點:

(1)先進性:實驗教學是幫助學生驗證專業理

論的正確性和探索未知領域的活動。如果實驗設備落后，反映到材料成型專業的實驗教學上，就是很難使學生在實驗教學環節得到應有的收獲。這就要求必須向學生提供基礎的、流行的、先進的實驗設備。而虛擬實驗充分利用先進的計算機技術來實現、提升和完善材料成型專業所需實驗設備的功能，具備精確性和科學性的同時，還有可操作性。

(2)開放性:通過虛擬實驗系統，學生可以自行建造材料成型專業所需的實驗設備和實驗環境，可實現傳統實驗無法達到的功能。虛擬實驗采用軟硬件結合的方法，學生根據實驗目的選擇復雜系統的材料成型專業設備，按照需要配置功能，從根本上克服在材料、設備、數量上的限制，學生可以在虛擬實驗室根據內容進行驗證、設計、綜合、創新等多種類型的實驗。

(3)實用性:由于虛擬實驗系統所建立的模型具有科學性和準確性，好的虛擬實驗系統的模擬結果和工程實際應該是一致的。在這樣的虛擬現實環境中，學生可以進行各種材料成型專業過程的工藝設計、過程監測、質量評價和結果分析等。

(4)成本低:由于在虛擬實驗室里“儀器設備”由軟件“隨意”實現，所以可在一定程度上解決了因設備缺乏、經費短缺、維護不當等諸多因素對實驗的制約。

2．2材料成型專業虛擬實驗建設思路

目前，虛擬實驗技術的種類也很多［5－8］，天津理工大學材料成型專業的虛擬實驗開發工作包括兩部分:構建多媒體虛擬實驗室平臺和相關課程課件開發。使用Authware軟件構建多媒體虛擬實驗室網絡拓撲示意圖如圖1所示，由于Authware具有容易使用，不用寫程序，編輯環境強，管理機制高效等優點，為非計算機專業的教師使用提供了方便;再搭配由3DMax、Photoshop、Flash等制作動畫的軟件制作的多媒體課件，將會使制作出來的作品達到非常好的效果。在Authware軟件構建的多媒體虛擬實驗平臺上運行的、由3DMax、Photoshop、Flash開發的課件包括以下兩種:

(1)基于靜態演示的虛擬實驗

基于靜態圖像的虛擬實驗是將多個不同距離和不同方位的靜態圖像按照相互關系有機地連接起來，形成空間的整體。觀察時可以任意轉動或改變視點，可以根據真實物體影像采用計算機生成圖像的方式來建立三維模型，具體實例見圖2。靜態圖像對圖像的分辨率、質量、復雜度、真實性的要求都不是很高，不需要特殊的專用設備，在微機上通過相應的“按鈕”即可體驗實驗對象，操縱虛擬的物體。材料成型專業認知虛擬實驗內容見表1。

(2)基于動態交互的虛擬實驗

基于動態交互的虛擬實驗是一種真實和虛擬結合的模式，通過虛擬實驗平臺提供操作、控制、分析、觀察和實驗設置和實驗選擇的虛擬環境，并對真實的實驗環境實施控制，具體實例見圖3。材料成型專業的可用于動態交互虛擬實驗內容見表2。

3虛擬實驗在實驗教學中的重要意義

虛擬實驗技術的應用，首先要求教師要“改變”實驗教學觀念，實驗教師由演示者向指導者、創新者轉換。要求教師善于運用實驗教學策略，鼓勵學生將自主設計、自主探索和實驗探究相結合。學生只有把握先進的學習技能，見多識廣，才能更好地培養自己的實際綜合素質［5－9］。

3．1實驗教學經費的節約

利用虛擬實驗教學系統，可以彌補因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的不足，豐富實驗資源。例如:虛擬的熱處理實驗，可以避免大量的能源消耗和實驗操作所帶來的危險;虛擬的鋼板軋制工藝實驗，可免除學員操作失誤而造成的材料浪費。虛擬實驗環境可以獲得和真實實驗一樣的感受，豐富了學生感性認識，加深對教學內容的理解。

3．2實驗教學手段多樣化

教師利用虛擬實驗，實現靈活機動的教學。通過虛擬實驗教學，學生可以靈活控制學習時間，不受實驗室開放的影響，不受書本的約束，自主地選擇自己所需的實驗內容。同時，實驗考核也可多樣化。利用虛擬實驗系統，將實驗設備、教學內容(包括理論教學)、教師輔導和學習者的思索、實驗操作等融為一體，克服了實驗教學長期受到課堂限制的因素。教師可以組織各種實時或非實時的分布式教學，回答學生問題。學生可通過自行完成各項實驗內容，提交實驗報告。

3．3實驗內容與技術發展同步化

傳統實驗教學多為驗證性實驗，總是滯后于學科發展。虛擬實驗技術的發展，給實驗教學改革注入了新的活力。不但可以營造一個與技術發展同步的實驗環境，還可以具有適當的超前性。在材料成型虛擬實驗，過程中，可以突破物理上時間和空間的限制。以前因時空限制而無法實現的實驗項目，現在可以通過虛擬技術進行模擬實驗［10］。

3．4虛擬實驗利于學生的興趣和能力培養

在傳統的模具實驗中，由于受到設備缺乏，或數量、精度等等條件限制，在實驗過程中總有一些學生不主動，或袖手旁觀，或不屑一顧。由于虛擬實驗利用多媒體技術來模擬真實實驗過程［10］，使得整個實驗過程具有游戲的特征，可以激發學生濃厚的學習興趣。其次，在虛擬實驗中，整個實驗過程必須個人獨立完成，學生可以很方便地通過改變實驗參數分析不同的實驗結果。有興趣的學生還可以再做或多做，充分調動每個學生的學習興趣。這有利于培養學生的科學意識和創新精神。

3．5從宏觀模擬向微觀模擬轉化

隨著專業學習的深入，以及對新材料、新工藝、新產品、高精度、低成本的現代制造模式的深入了解，可以把虛擬實驗技術的學習上升為虛擬制造技術學習。例如，金屬成型過程中，通過掌握材料成型機理、過程變化，在計算機上實現材料成型過程參數控制，實現最優設計與制造［11］，也就是說通過計算機模擬，一方面要研究和建立微觀組織優化設計的考慮晶粒尺寸大小及分布，再結晶晶粒尺寸、再結晶程度等因素的目標函數，另一方面要研究和優化影響終鍛件力學組織性能的狀態變量和過程變量。適用的優化準則對材料最終的力學性能和微觀組織性能具有重要的影響，通過優化坯料形狀或預成形模具形狀、模具速度使最終鍛件具有良好的尺寸精度、少無飛邊和所期望的微觀組織。

4材料成型專業開展虛擬實驗存在的問題

虛擬實驗作為一門應用技術，雖然已經出現多年，但對天津理工大學材料成型專業而言，還是一個新生事物，在專業教學中開展虛擬實驗還存在以下幾方面的問題:

(1)虛擬實驗技術是一個新生事物，引入教學過程，還沒有引起各方面的足夠重視。

(2)虛擬實驗技術在材料成型專業的應用還很少見報道，所以還缺乏現成的虛擬實驗教學軟件，建立材料成型專業虛擬實驗數據庫的任務很重。

(3)在教學過程中還缺少創新思維，虛擬實驗教學效果還有爭議。

5結束語

虛擬實驗在高等教育中有非常重要的作用，天津理工大學材料成型專業開展虛擬實驗，不是摒棄傳統實驗教學，而是在傳統實驗教學和理論教學的基礎上豐富教學形式。虛擬實驗是一個人人參與實際的過程，是調動學生學習主觀能動性的過程。在教學過程中“虛擬就是模擬”，其效能是有限度的，虛擬實驗也不能代替對傳統的真實儀器設備操作。結合理論教學，通過虛擬實驗，建立參觀基地，使我們的教學更生動、更有效果。在計算機信息技術高速發展的今天，只要領導重視，教師努力，實現計算機技術在材料科學與工程中新的應用是非常有意義的和可行的。