冀盛亞，徐 珂, 鄭先鋒, 王衛(wèi)東

(河南工學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453003)

1 《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的重要性及其特點(diǎn)

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》這門(mén)課程是根據(jù)1996年12月全國(guó)高校材料工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)會(huì)議精神，為了培養(yǎng)跨世紀(jì)人才及國(guó)家專(zhuān)業(yè)調(diào)整與改革而設(shè)置的[1]。該課程全面系統(tǒng)地闡述了金屬材料的基本理論，并以此為基礎(chǔ)，將復(fù)合材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料的相關(guān)基礎(chǔ)理論融合在一起，實(shí)現(xiàn)了學(xué)科之間的相互交叉和知識(shí)點(diǎn)之間的相互滲透。該課程遵循熟悉材料個(gè)性、把握材料共性的學(xué)習(xí)漸進(jìn)規(guī)律。通過(guò)學(xué)習(xí)材料的成分-工藝-組織-性能之間的相互關(guān)系及制約規(guī)律，使學(xué)生樹(shù)立工藝決定組織并最終得到使用性能的基本理念。

該課程是材料類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科學(xué)生必修的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，也是該專(zhuān)業(yè)碩士研究生入學(xué)考試的專(zhuān)業(yè)課程[1]，在該專(zhuān)業(yè)的教學(xué)環(huán)節(jié)中發(fā)揮著承上啟下的作用。該課程不但要求學(xué)生能夠熟練掌握材料的各種基本理論，以便為相關(guān)的后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程打下良好的理論基礎(chǔ)，還要求學(xué)生能逐步掌握探索未知領(lǐng)域，分析和解決問(wèn)題的能力。

該課程具有“四多”的特點(diǎn)。首先，課程原理規(guī)律多(涉及原理規(guī)律幾十個(gè))，概念定義多，理論性過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容抽象、繁雜而難于理解和掌握。傳統(tǒng)教學(xué)形式單一，手段陳舊，脫離不開(kāi)具體的概念術(shù)語(yǔ)，不利于學(xué)生去理解并掌握那些晦澀難懂的基礎(chǔ)理論，不利于培養(yǎng)學(xué)生宏觀的空間思維想象能力。此外，該特點(diǎn)也在一定程度上降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)嚴(yán)重制約了課堂教學(xué)效果，成為困擾該課程教學(xué)任務(wù)圓滿(mǎn)完成的因素之一。

其次，課程涵蓋信息廣，知識(shí)點(diǎn)繁多(晶體結(jié)構(gòu)與缺陷、合金相圖、擴(kuò)散與凝固、回復(fù)與再結(jié)晶、強(qiáng)化與韌化、復(fù)合材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料等)，知識(shí)點(diǎn)之間的相互關(guān)聯(lián)多。傳統(tǒng)教學(xué)不能實(shí)時(shí)化地演示知識(shí)點(diǎn)之間的交叉與滲透, 課堂信息容量小，不利于學(xué)生的融會(huì)貫通，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，嚴(yán)重制約了學(xué)生的主動(dòng)性與創(chuàng)造性，已不能滿(mǎn)足信息化時(shí)代教育教學(xué)的發(fā)展趨向。如何在有限的課時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)學(xué)生系統(tǒng)化融合相關(guān)理論知識(shí)，以便為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程打下良好的理論基礎(chǔ)，成為這門(mén)課程教學(xué)改革的首要任務(wù)。

2 VR與教育融合發(fā)展的優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)狀

近年來(lái)，VR(Virtual Reality)技術(shù)及設(shè)備趨于成熟，具備大范圍推廣的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外已有大量VR技術(shù)與學(xué)科相融合的教學(xué)系統(tǒng)及平臺(tái)、經(jīng)驗(yàn)和案例可以借鑒[2-6]。由于VR技術(shù)在交互性、存在性、多感知性等方面的優(yōu)秀品質(zhì)[2-6]，其作為一種新的教學(xué)手段越來(lái)越被各個(gè)高等學(xué)校的學(xué)科部門(mén)所重視，其思維可視化的教學(xué)理念已得到眾多學(xué)者的青睞。目前，國(guó)內(nèi)各高校VR技術(shù)在材料工程學(xué)科的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已取得一定的成績(jī)，但各個(gè)高校的VR虛擬平臺(tái)之間相對(duì)獨(dú)立，且以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，缺乏對(duì)材料科學(xué)某一課程的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[7-10]。

基于VR的思維可視化理念下《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，不僅能引發(fā)學(xué)習(xí)者的探究欲望,培養(yǎng)其觀察思考問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，還能為培養(yǎng)高層次應(yīng)用型人才目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)闖出一條新路。

3 基于VR的思維可視化理念下《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)改革

如何采用先進(jìn)教學(xué)手段和教學(xué)理念來(lái)充實(shí)和完善現(xiàn)有的基礎(chǔ)理論課程是擺在每一個(gè)高等教育工作者前面的迫切任務(wù)。

從教學(xué)效果角度講，可視化的教學(xué)內(nèi)容，有利于學(xué)生去理解并掌握那些抽象又晦澀的基礎(chǔ)理論。情境化的教學(xué)環(huán)境具有較強(qiáng)的帶入效果，調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)參與的積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生宏觀的空間思維想象能力，提高課堂教學(xué)效果。同時(shí)，VR技術(shù)支持下的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的個(gè)性化與主動(dòng)性，引發(fā)了學(xué)生的探究欲望，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立觀察、思考和解決問(wèn)題的能力。而課程的開(kāi)放性也為學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)地點(diǎn)的隨機(jī)性和學(xué)習(xí)內(nèi)容的可重復(fù)性提供了保證。

從教學(xué)資源利用效率角度講，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，VR技術(shù)支持下的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的開(kāi)發(fā)可以有效地整合圖書(shū)信息資源、教學(xué)資源、科研服務(wù)資源，實(shí)現(xiàn)資源共享和最大化的使用，因此，VR技術(shù)支持下的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是十分必要的。

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程VR教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建包括四個(gè)主要環(huán)節(jié)：

(1)VR技術(shù)軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建

一套完整的VR教學(xué)系統(tǒng)主要由VR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件、高性能計(jì)算機(jī)和輸入輸出設(shè)備組成。VR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件承擔(dān)著運(yùn)用3D技術(shù)構(gòu)建虛擬三維圖形場(chǎng)景和應(yīng)用功能的二次開(kāi)發(fā)。高性能計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)相應(yīng)數(shù)據(jù)的接受、處理、生成虛擬的教學(xué)環(huán)境及人與虛擬教學(xué)環(huán)境的交互功能。輸入輸出設(shè)備主要包括動(dòng)作捕捉、手勢(shì)及語(yǔ)音識(shí)別并反饋的交互設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者交互、沉浸感的重要技術(shù)設(shè)備。

(2)堅(jiān)持工學(xué)結(jié)合，以工程實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容

教材是課程教學(xué)內(nèi)容的載體。自該課程設(shè)立以來(lái)，各個(gè)高等院校依據(jù)自身的辦學(xué)環(huán)境、人才優(yōu)勢(shì)、文化優(yōu)勢(shì)、學(xué)科特色及人才培養(yǎng)總體目標(biāo)，陸續(xù)編寫(xiě)出版了不同版本的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教材。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已出版《材料科學(xué)基礎(chǔ)》命名的教材已達(dá)到20余種，而突出不同專(zhuān)業(yè)方向的材科類(lèi)教材(高分子材料科學(xué)基礎(chǔ)、無(wú)機(jī)非金屬材料科學(xué)基礎(chǔ)、納米結(jié)構(gòu)材料科學(xué)基礎(chǔ)、無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ))更是層出不窮[1]。

圖1 課程開(kāi)發(fā)的技術(shù)路線

按照“對(duì)接產(chǎn)業(yè)、突出重點(diǎn)、打造特色、形成品牌”的學(xué)科建設(shè)思路，參照工程實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化教學(xué)大綱，選取教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，關(guān)注不同專(zhuān)業(yè)的需求和差異，篩選教學(xué)重點(diǎn)、優(yōu)化教學(xué)資源、構(gòu)建新的內(nèi)容體系。此外，兼顧增加綜合設(shè)計(jì)型教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生自己選題,擬訂方案，設(shè)計(jì)虛擬材料類(lèi)型，通過(guò)已學(xué)習(xí)的相關(guān)材料科學(xué)的基本理論預(yù)判材料的性能及可能的適用范圍。自行運(yùn)用軟件界面, 在虛擬檢測(cè)儀器上檢測(cè)所設(shè)計(jì)材料的性能，在對(duì)應(yīng)微觀組織數(shù)據(jù)庫(kù)觀察材料的組織，指明虛擬材料相應(yīng)性能缺陷的具體組織原因并說(shuō)明合理的增強(qiáng)方法。這種對(duì)虛擬材料的自我預(yù)判、分析和增性研究不僅能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)的實(shí)踐中學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其終身學(xué)習(xí)意識(shí)，也能架構(gòu)學(xué)生與專(zhuān)業(yè)接軌的橋梁。

(3)教學(xué)內(nèi)容模塊三維動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)

使用FLASH或3DMAX創(chuàng)建晶體結(jié)構(gòu)、合金相結(jié)構(gòu)、晶體缺陷(位錯(cuò)、亞晶界、晶界)及位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)等相關(guān)概念、原理、工藝的三維動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便更加形象生動(dòng)地展示。建立材料微觀組織數(shù)據(jù)庫(kù)、材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)、材料分析測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)間虛擬仿真的動(dòng)態(tài)交互。

(4)新型教學(xué)模式的探索與構(gòu)建

分別開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)及管理模塊、在線答疑模塊、成績(jī)考核模塊及教學(xué)效果評(píng)價(jià)模塊。改變教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)以“教師為中心的單一傳授型”向以“學(xué)生為中心的行為引導(dǎo)型”轉(zhuǎn)變。以學(xué)生為中心，設(shè)計(jì)學(xué)生的知識(shí)、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)和培養(yǎng)方案。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)模塊下的用戶(hù)界面進(jìn)入已建立的虛擬仿真的教學(xué)環(huán)境中，沉浸其中，通過(guò)多種感官來(lái)感覺(jué)和認(rèn)知相關(guān)知識(shí)，自主的學(xué)習(xí)、觀察和分析。并可通過(guò)與VR所營(yíng)造的虛擬環(huán)境互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)思維的拓展與發(fā)散。強(qiáng)調(diào)教師只是教學(xué)活動(dòng)的“組織者”、問(wèn)題的“發(fā)現(xiàn)者”和知識(shí)的“中介者”，實(shí)現(xiàn)教師的“協(xié)調(diào)”、“激發(fā)”、“合作”、“監(jiān)控”和“評(píng)價(jià)”作用。教師通過(guò)管理模塊來(lái)引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過(guò)在線答疑模塊實(shí)時(shí)解答學(xué)生的問(wèn)題，并將知識(shí)點(diǎn)之間的相互關(guān)聯(lián)、交叉與滲透實(shí)時(shí)化地演示出來(lái)，以提高學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的融合貫通。教師由知識(shí)的傳輸者向?qū)W生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和引導(dǎo)者轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)教學(xué)理念的更新。開(kāi)發(fā)教學(xué)效果評(píng)價(jià)模塊，實(shí)時(shí)收集師生對(duì)教學(xué)效果的評(píng)價(jià)、反饋，分析VR虛擬教學(xué)系統(tǒng)在《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的作用與不足，以便對(duì)應(yīng)用功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

綜上所述，基于VR的思維可視化理念下《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)改革，應(yīng)貫徹以應(yīng)用為目標(biāo)，以掌握概念、強(qiáng)化能力為教學(xué)重點(diǎn)。從課程內(nèi)容體系的優(yōu)化與整合、新的教學(xué)方法和手段的探索與構(gòu)建、新的教學(xué)理念的貫徹與實(shí)施、課堂設(shè)計(jì)與教學(xué)、創(chuàng)新能力的交叉與融合、教師職能與教學(xué)效果的評(píng)估與反饋等方面進(jìn)行創(chuàng)新，以期實(shí)現(xiàn)教師、學(xué)生、學(xué)習(xí)資源、交互機(jī)制、管理和評(píng)價(jià)機(jī)制等在內(nèi)的教學(xué)要素的良性循環(huán)系統(tǒng)，提高課堂的教學(xué)質(zhì)量與效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

將VR技術(shù)引入教學(xué)實(shí)踐，通過(guò)虛擬仿真的教學(xué)環(huán)境演示知識(shí)點(diǎn)之間的相互關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)教材課程的交叉化、立體化，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論課程學(xué)習(xí)的興趣性和主動(dòng)性。而這種實(shí)踐又架構(gòu)了一種全新的教學(xué)課程體系。VR技術(shù)在教育教學(xué)的應(yīng)用與普及將成為未來(lái)高等教育發(fā)展的必然趨勢(shì)，其思維可視化的教學(xué)理念也為相關(guān)基礎(chǔ)理論課程的開(kāi)發(fā)和建設(shè)帶來(lái)一次實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的機(jī)遇。