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无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心的研究与探索

发表时间：2021/8/10 来源：《教育研究》2021年10月作者：任伟

[导读] 无机非金属材料专业虚拟仿真实验中学是建立在无机非金属材料专业实验中心与虚拟仿真技术的基础上，是实验教学的核心。

吉林建筑大学材料科学与工程学院任伟丁锐 130118

摘   要：无机非金属材料专业虚拟仿真实验中学是建立在无机非金属材料专业实验中心与虚拟仿真技术的基础上，是实验教学的核心。该文介绍了当前国内高校虚拟仿真实验中心的发展及建设状况，探讨了虚拟仿真教学实验中心的建设思路及设计原理，指出了实验中心的系统及内容设计，总结了实验中心的建设经验，加强了实验教学信息化建设，为国内其它院校无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心的建设提供参考。
关键词：无机非金属材料专业；虚拟仿真；教学体系；实验中心建设
        无机非金属材料专业是一类典型的工科专业，具有应用性和实践性强的特点，因此，在进行理论教学的同时，应有配套的实验教学。而目前大多无机非金属材料专业实验室存在着仪器的台套数短缺、结构简单以及安全监管不到位等问题，实验教学的质量得不到保证。虚拟仿真实验中心能够弥补其不足，同时实验教学的思路和手段得以更新，具有一定的创新性。因此，进行虚拟仿真实验中心的建设，对培养学生创新能力、实践能力以及优化实验教学体系，均具有相当重要的意义。
        1虚拟仿真实验中心的发展状况
        为贯彻国家关于高等院校建设虚拟仿真实验中心的号召以及人才培养的要求，国内许多院校依托学科优势及特点，已建成一批虚拟仿真实验中心。东北大学建立了安全开采及金属矿山岩石力学虚拟仿真实验教学中心。该实验涵盖了采矿及安全、资源勘查工程等相关专业，并借助金属矿山的学科优势及特色，将理论教学与实践教学有机的结合起来，建成了国家级的金属矿山虚拟仿真实验中心[1]。另外，中国矿业大学也建立了国家级的矿山测量虚拟仿真实验教学中心。该实验中心设计了“多元化、模块化、层次化”的虚拟仿真实验教学体系，建设了安全和绿色矿山、认知和熟知矿山的4 类虚拟实验教学资源，其实验教学体系建设和开放共享对无机非金属材料专业虚拟实验中心的建设具有示范、引导和推动作用[2]。
        2 无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心的建设
        2.1 建设思路及设计原则
        虚拟仿真实验中心的建设思路是用软件方法来模拟实验设备。无机非金属材料专业虚拟仿真实验包括两类，第一类就是本科实验教学，主要包括验证、演示、综合及设计性实验。借助虚拟仿真、人机交互、多媒体、数据库等技术实现对该类材料生产工艺过程进行模拟，从而使学生能够进行认知学习，或者自主设计工艺路线，独立学习[3]。第二类实验就是无机非金属材料的生产工艺模拟实验，实验过程涉及资源共享和远程操作，虚拟实验中心具有时空上的开放性和共享性。虚拟仿真实验中心的建设遵循以下原则：
        （1）可行性原则：
        建设无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心，第一要考虑就是建立具备的什么功能的实验中心，再依据软硬件条件，确定需要配置的实验设备以及所需的软件。在这个过程中，运行空间和师资配备具有主要作用。
        （2）科学性原则：
        建设无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心一定要遵循客观规律，不能因为盲目追求展示效果，而背离科学准则，要从实际出发，以数据为基础，。
        （3）交互性原则：
        教师和学生可以利用无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心的平台进行互动。
        （4）经济性原则。
        无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心的建设建设过程中，在面对具体问题时要考虑建设成本问题[4]，尽可能用经济的办法得到较好的的虚拟实验效果。
        2.2 实验中心的系统设计
        无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心的系统设计有两个方面，即结构模型设计和过程模型的设计。

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其中，前者主要是选择使用环境；后者是建立虚拟环境到真实环境的隐形映射，即虚拟仿真实验与现场实际结合起来。
        2.3 实验中心的内容设计
        根据无机非金属材料专业的实验教学体系，虚拟仿真实验中心的内容设计涵盖基本模块和附加模块。前者主要是实验教学模块、工程训练模块和创新活动模块。实验教学模块是指教师的演示、验证性、综合性和设计性实验，主要培养学生的基础专业素养与知识技能。后者主要是指信息管理、远程操作、资源共享模块以及系统整合模块。在虚拟仿真实验中心的内容设计中，模块之间的相互关联具有重要意义，让学生在建立起系统的学习构思时具有发散思维，从而使学生的创新能力得到提高。
        3 无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心的建设方法
        虚拟仿真实验中心在建设过程中有一些问题，如：不从实际出发，为了追求逼真的演示效果而增加实验中心的建设成本，这是属于“伪仿真”，与实际背离；建设过程中还存在虚拟仿真实验不从全局考虑，而只是关注某一局部。这些问题与国家建设虚拟仿真实验中心“绿色、科学、共享”的原则背道而驰，因此在无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心的建设中，要采取有效措施去解决这些问题。
        3.1 突出自身特色，明确发展规划
        无机非金属材料专业在虚拟仿真实验中心的建设过程中，要挖掘自身优势，在全面彻底的建设实验中心的基础上，对特色领域的建设要精益求精。在“新工科”的时代背景下，制定出无机非金属材料虚拟仿真实验中心的发展规划，指出实验中心发展的时间网络，随时将虚拟仿真新技术应用于虚拟仿真实验中心，时刻抓住新的机遇，做到“有目标、有方法、有效果”。
        3.2 保证虚实结合，加强校企合作
        目前无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心还没有实现所有实验的虚拟仿真，所以，在具体的建设过程中，要保留某些真实的实验中心，在以实为主的基础上，实现虚实结合。同时，虚拟仿真实验中心的建设不是短时间的，要注意产学研相结合。在实验中心建设过程中，一方面要加强与相关企业的联系，另一方面要与虚拟技术开发企业联系，这就能够保证虚拟实验中心的建设即不与实际生产脱轨，又不与性能仿真的新技术脱节，同时也要把学科建设和科研成果适时的转化为实验教学资源[5]。
        3.3 整合学科领域，实现资源共享
        无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心的建设包括建设前、后两个阶段。在实验中心建设之前，要进行大量的调研，借鉴别人的一些好的经验。实验中心建设之后，要实现资源的共享，加强高校间、实验中心间的互动，召开研讨会以及指导帮助其他无机非金属材料专业建设虚拟实验中心，保证资源和经验的多向交流，最大限度的实现资源共享。
        4 结语
        无机非金属材料专业虚拟仿真实验中心是实验教学信息化建设的一部分，利用虚拟仿真技术模拟具体实验，这就为学生提供了一个清晰完整的可视化平台，对培养学生创新能力具有重要的现实意义，对于现代人才培养也具有重要作用。同时，虚拟仿真实验中心对实现资源共享加强高校间的合作也具有不可估量的作用。
参考文献
[1]张东升，屠世浩，志军，等.采矿工程特色专业创新能力培养的实验教学改革探索[J].实验中心研究与探索，2011, 30(3): 110–113.
[2]马文顶，吴作武，万志军，等.采矿工程虚拟仿真实验教学体系建设与实践[J].实验技术与管理，2014, 31(9): 14–18.
[3]侯运炳，姜喜迪，权伟隆.采矿与安全虚拟仿真实验教学系统的搭建[J].教育现代化，2019, 6(46): 40–43.
[4]狄海廷，李耀翔，辛颖.虚拟仿真实验中心资源共享模式[J].实验中心研究与探索，2015, 34(12): 148–151.
[5]王恩亮，姚玲，彭霞.移动通信虚拟仿真实验中心建设研究[J].集宁师范学院学报，2019, 41(4): 46–49.
吉林省教育科学“十三五”规划课题，课题编号GH20120 中图分类号：G482      文献标识码：A