劉 麗，王 斌，易 鋒，申文竹

(西南石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610500)

·實(shí)驗(yàn)建設(shè)與管理·

材料成型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與管理

劉 麗，王 斌，易 鋒，申文竹

(西南石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610500)

虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的一個(gè)重要途徑。該文結(jié)合專業(yè)的工作環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)材料成型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的必要性進(jìn)行了分析，闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的主要內(nèi)容，探討了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)放與管理 ，以“虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)方式培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才。

虛擬實(shí)驗(yàn)室；材料成型；建設(shè)；管理

黨的十八大和“教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)”都對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)提出了要求，明確指出要全面實(shí)施素質(zhì)教育，強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)，增加實(shí)踐教學(xué)比重，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，目的是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。同時(shí)，要求加強(qiáng)信息化資源共享平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享。而教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)中的發(fā)展任務(wù)之一就是要推進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)的融合，建設(shè)智能化教學(xué)環(huán)境，提供優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源和軟件工具，利用信息技術(shù)開(kāi)展啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)，探索建立以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)新模式，提高信息化教學(xué)水平。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)已成為各高校培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享的重要途徑[1-3]。

1 材料成型數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)建設(shè)的必要性

隨著高校持續(xù)擴(kuò)招，我國(guó)高教規(guī)模躍居世界第一。作為石油高校的材料學(xué)科，本院由于建設(shè)時(shí)間短，底子薄，與重點(diǎn)大學(xué)材料學(xué)科相比，實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源明顯不足，尤其是涉及材料加工、成型等專業(yè)方向，設(shè)備臺(tái)套數(shù)少，且多為大型重裝設(shè)備，占地面積大，設(shè)備價(jià)值高，需要配套設(shè)備多，運(yùn)行費(fèi)用高昂。另外，加工過(guò)程可能涉及高溫、高壓，甚至有弧電，單獨(dú)用實(shí)物在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行材料加工類教學(xué)實(shí)驗(yàn)，存在能耗高、污染大、風(fēng)險(xiǎn)大、安全隱患高等弊端，致使學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)少，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果難以達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)的要求。因此，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和手段必須被打破。作為以培養(yǎng)從事各種材料的制備、加工成型、工藝設(shè)計(jì)等方面工作的高級(jí)技術(shù)應(yīng)用性專門人才為目標(biāo)的材料學(xué)科，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力極為重要。我們只有充分利用現(xiàn)代模擬和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有效整合現(xiàn)有資源，遵循虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛的原則，建設(shè)出材料成型與加工類數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，來(lái)解決投入大、能耗高、風(fēng)險(xiǎn)大，安全隱患大的問(wèn)題，才能提升專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，切實(shí)培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才[4]。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的主要內(nèi)容

2.1 建成具有材料學(xué)科內(nèi)涵的材料成型虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和教學(xué)資源

按照材料學(xué)科“設(shè)計(jì)—加工—結(jié)構(gòu)—性能”的體系內(nèi)涵，結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采取虛實(shí)結(jié)合的方式構(gòu)建了虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。材料成型加工過(guò)程復(fù)雜，影響參數(shù)眾多，眾多參數(shù)往往又交叉影響，共同影響了材料的結(jié)構(gòu)與性能。虛擬實(shí)驗(yàn)利用JSCAST鑄造成型軟件和DEFORM金屬塑性加工軟件開(kāi)展液態(tài)成型仿真實(shí)驗(yàn)和塑性加工模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)該平臺(tái)可開(kāi)展高壓鑄造成型過(guò)程中流體的流動(dòng)過(guò)程、大型鍛壓件高壓成型過(guò)程以及金屬在模具中的固態(tài)流動(dòng)、鑄造過(guò)程中的溫度與應(yīng)力變化模擬等仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓同學(xué)們利用成型仿真軟件了解液態(tài)成型過(guò)程參數(shù)變化對(duì)液態(tài)充型過(guò)程、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化的影響，預(yù)測(cè)鑄件缺陷，然后再改變鑄造工藝，修正成型參數(shù)，分析每個(gè)因素對(duì)鑄件成型過(guò)程的影響規(guī)律。結(jié)合“鋁合金的熔煉與成型”現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物試驗(yàn)，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方式加深了學(xué)生對(duì)液態(tài)成型過(guò)程的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維意識(shí)與工程實(shí)踐能力。SYSWELD焊接專業(yè)仿真軟件具有優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，預(yù)測(cè)焊接缺陷的功能，在進(jìn)行實(shí)物焊接的基礎(chǔ)上，學(xué)生可運(yùn)用仿真軟件自主選擇不同焊接方法與焊接參數(shù)(焊接材料、焊接電流、焊接電壓、焊接速度)、通過(guò)焊接仿真模擬來(lái)預(yù)測(cè)焊接過(guò)程中母材組織以及性能變化規(guī)律，從而預(yù)測(cè)焊接缺陷出現(xiàn)的類型、部位與尺寸，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室實(shí)物焊接所不能達(dá)到的效果。

2.2 建設(shè)一支技術(shù)過(guò)硬，滿足人才培養(yǎng)要求的實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍

2.3 建立一套能較好滿足自主開(kāi)放實(shí)驗(yàn)要求的管理制度

為充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放要求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建立了信息共享開(kāi)放服務(wù)平臺(tái)，包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)信息、設(shè)備及其狀態(tài)信息、規(guī)章制度及院校相關(guān)新聞資訊，也包括對(duì)實(shí)驗(yàn)中心的管理體制、儀器設(shè)備的管理模式以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)約等內(nèi)容。

為確保虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)和良好的運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心嚴(yán)格落實(shí)學(xué)校關(guān)于“深化改革，提升本科人才培養(yǎng)質(zhì)量”的相關(guān)制度要求，嚴(yán)格落實(shí)西南石油大學(xué)關(guān)于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)，并結(jié)合本學(xué)院工作實(shí)際制定了材料科學(xué)與工程學(xué)院虛擬實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行管理辦法、材料科學(xué)與工程學(xué)院虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理制度、材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心突發(fā)事故應(yīng)急預(yù)案等相關(guān)制度文件。

2.4 構(gòu)建滿足本地和異地人員共享、全面自主開(kāi)放的系統(tǒng)管理平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)依托學(xué)校數(shù)字化現(xiàn)代教育系統(tǒng)和材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全校教學(xué)資源共享，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，完善實(shí)驗(yàn)室管理。平臺(tái)根據(jù)教師需求、學(xué)生需求和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員需求分別進(jìn)行建設(shè)，設(shè)計(jì)不同用戶的操作權(quán)限和登陸辦法，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生預(yù)約、教師監(jiān)控和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的管理。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計(jì)、課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、各種技能大賽及科研項(xiàng)目等，亦可對(duì)社會(huì)公眾服務(wù)。為了讓虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用效率更高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用靈活的排課方式，既可以統(tǒng)一安排，也可以學(xué)生自選。提供教學(xué)活動(dòng)社區(qū)，學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在的問(wèn)題可在后臺(tái)與老師進(jìn)行交流和溝通，完成教師和學(xué)生的在線互動(dòng)[5]，實(shí)驗(yàn)管理人員也可直觀了解實(shí)驗(yàn)的基本情況。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建立了實(shí)驗(yàn)設(shè)備在線展示平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中心具有的大型設(shè)備進(jìn)行了型號(hào)與放置地點(diǎn)的說(shuō)明，并提供文字操作流程說(shuō)明和視頻畫(huà)面操作演示，加大大型儀器設(shè)備為學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以及為油田、地方企業(yè)的服務(wù)力度，提高大型儀器設(shè)備的使用效益。

利用預(yù)建的平臺(tái)，本、碩、博同學(xué)可完成材料的設(shè)計(jì)、加工及力學(xué)行為的仿真過(guò)程；同學(xué)們可改變加工邊界條件，觀察其加工過(guò)程、加工質(zhì)量的影響，預(yù)測(cè)出現(xiàn)缺陷的部位與尺寸?？衫迷撈脚_(tái)完成本科學(xué)生的畢業(yè)論文、課外開(kāi)放創(chuàng)新試驗(yàn)以及學(xué)科競(jìng)賽等，也可以在平臺(tái)上完成相關(guān)科學(xué)研究。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管理與開(kāi)放

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中引入新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降耐瑫r(shí)，必須引入新的管理技術(shù)，尤其是面向教學(xué)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理，必須借助現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)才能有效開(kāi)展[6]。

因此，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)是虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的基本要求，也是虛擬實(shí)驗(yàn)室主要特點(diǎn)之一，本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)行開(kāi)放預(yù)約機(jī)制。利用預(yù)約機(jī)制，可以更大限度的實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)資源共享[7]，學(xué)生可通過(guò)預(yù)約進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)或自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，老師也可以借用實(shí)驗(yàn)室資源進(jìn)行科研任務(wù)或?qū)嶒?yàn)室研究工作。一方面，預(yù)約可以控制同一時(shí)段登陸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)人數(shù)，確保網(wǎng)絡(luò)通暢，在保證對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的同時(shí)，可以優(yōu)先安排有學(xué)分要求的學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；另一方面，利用預(yù)約機(jī)制可以進(jìn)行一部分真實(shí)實(shí)驗(yàn)，做到虛擬實(shí)驗(yàn)室和開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合[8]，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前可通過(guò)虛擬設(shè)備進(jìn)行仿真，有了一定的感性認(rèn)知后，就會(huì)把實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在關(guān)鍵步驟和易出錯(cuò)環(huán)節(jié)，這樣有針對(duì)性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅可以大大地提高實(shí)驗(yàn)成功率，而且這種“虛實(shí)結(jié)合“的教學(xué)方式更益于學(xué)生創(chuàng)新能力及分析能力的提高[9]。

預(yù)約機(jī)制在方便學(xué)生實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，還可以提高實(shí)驗(yàn)室管理人員的管理質(zhì)量和工作效率，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)有序進(jìn)行[10]。

為了保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)和開(kāi)放的需要，中心已形成了一套完整而行之有效的管理辦法和規(guī)章制度，嚴(yán)格按照材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的日常管理制度和學(xué)校網(wǎng)絡(luò)安全管理?xiàng)l例進(jìn)行管理，嚴(yán)格執(zhí)行實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)預(yù)約、實(shí)驗(yàn)計(jì)劃執(zhí)行并做好實(shí)驗(yàn)記錄，嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)儀器和材料的領(lǐng)取、登記、報(bào)廢、賠償?shù)裙芾碇贫?，落?shí)教師績(jī)效考評(píng)制度和獎(jiǎng)懲措施，嚴(yán)格執(zhí)行學(xué)生考核和成績(jī)?cè)u(píng)定。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體實(shí)施實(shí)行指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)制，實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)日常管理，學(xué)生要進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，必須由本人提交預(yù)約申請(qǐng)，在通過(guò)管理員的審核后按照指定時(shí)間和地點(diǎn)赴約。如果遇到時(shí)間沖突無(wú)法按照約定時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生必須提前一周以上提出退約，并寫(xiě)出書(shū)面報(bào)告交到實(shí)驗(yàn)室予以登記。同一個(gè)用戶不能在同一時(shí)間預(yù)約多個(gè)實(shí)驗(yàn)，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目原則上只允許預(yù)約一次。實(shí)驗(yàn)室在得到用戶預(yù)約請(qǐng)求之后，要及時(shí)予以回復(fù)，如果遇到臨時(shí)停電、儀器設(shè)備故障等突發(fā)狀況，系統(tǒng)管理員會(huì)及時(shí)在留言板發(fā)布信息，通過(guò)溝通互動(dòng)，更好地推進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，全國(guó)很多高校都在實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，其主要特點(diǎn)之一就是強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力[11-12]。作為工科專業(yè)，本院早已啟動(dòng)并實(shí)施了國(guó)際焊接工程師和熱處理工程師的培養(yǎng)，但并不是所有學(xué)生都有機(jī)會(huì)進(jìn)入卓越班。而虛擬實(shí)驗(yàn)則解決了傳統(tǒng)理論教學(xué)與工程化培養(yǎng)之間的矛盾，在減少實(shí)驗(yàn)成本和潛在危害的同時(shí)，為學(xué)生提供理論認(rèn)知與動(dòng)手實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，克服了實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容單一，學(xué)生興趣不高的弊端，使學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求靈活地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”的試驗(yàn)方式，提高了實(shí)驗(yàn)效果，更有利于培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才。

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Construction and Management for Materials Virtual Experiments

LIU Li, WANG Bin, YI Feng, SHEN Wenzhu

(School of Materials Science and Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,China)

The construction of virtual material laboratory is an important way to realize the sharing of high quality resources and cultivate the students’ innovation ability.Based on the professional working environment and experimental conditions, this paper analyzes the necessity of the construction of the material forming digital experimental platform.describes the main contents of the virtual experiment platform construction, discusses the opening and management of the experimental platform.It is hoped to cultivate a spirit of innovative and practical ability of talents.

virtual laboratory; material forming; construction; management

2015-09-14；修改日期:2015-10-08

西南石油大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)教改支持項(xiàng)目(X15021301015)。

劉麗(1976-)，女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)技術(shù)和管理方面的工作。

G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.042