材料分析测试虚拟仿真实验课程教学改革初探*

蒲 勇，韩 涛，伍国果

(1 重庆文理学院材料科学与工程学院，重庆 402160；2 重庆文理学院智能制造工程学院，重庆 402160)

目前，国内学界普遍接受如下观点：国内的高校仍然存在重理论轻实践的现象，高校毕业生的实践能力和创新意识仍然不足。随着电子技术的不断发展，实验设备的“自动化”发展趋势，使得实验设备越来越趋向于“黑匣子”，在这个大背景下，如何更好地让学生掌握实验仪器的工作原理，进而明白实验中得到的结果，是急需解决的大课题[1-2]。

我校新材料技术研究院成立于2009年，并于当年开始联合培养硕士研究生，2014年开始独立培养本科生，现开设有《材料现代分析技术实验》、《材料实验技术实验》和《光电材料测试技术实验》等材料专业分析测试类实验课程，该系列课程是材料专业的主修专业课程，是学生学习其他专业课程、进行科研活动的基础性课程，在材料专业学生的专业知识结构中占有重要地位。该类课程主要涉及一些大型分析测试仪器，因此本文分析了我院在该类实验教学中存在的问题，初步探索了利用虚拟仿真技术进行相关实验教学的改革。

1 现有的问题

1.1 实验条件不足

目前，我院受实验场地、大型教学仪器数量、安全性和实验难度的限制，实验课程教学中多以分组方式进行，学生动手操作时间受限。一些有毒有害的实验危险程度高，实验开设风险较大，且部分实验操作难度大、周期长，极大地限制了学生专业实践能力的提高。

1.2 设备开放程度不高

材料专业分析测试实验课程涉及的仪器大多为价格昂贵的大型精密仪器设备，使用和维护成本较高，而且对使用者的操作技术要求也很高，如果广泛的开放使用，难以保证使用者和设备的安全，因此也不适合在授课时让大量的学生操作。

1.3 缺乏创新性实验教学

实验课程教学方案中学生自主设计训练的内容欠缺，学生往往只是按照给定的步骤去做，拘泥陈规，缺乏创造性锻炼。

1.4 现有实验教学模式不佳

(1)教学理念有待加强

目前，课程按照传统的素质教育要求，让学生被动地认识每堂课中涉及到的测试技术的原理、仪器结构和操作方法。显然，这种传统的教学理念并不符合培养应用型技术人才的宗旨，没能有效地将交叉学科的优势资源应用在课堂教学中，缺乏对学生主观能动性的培养。

(2)教学大纲有待改善

材料专业分析测试类实验课程内容涉及面广、应用性强，要求学生掌握常用的各类材料测试手段，从已实施的各届排课情况来看，该类课程的教学大纲主要盲目围绕课程中的实验部分，侧重于各个分析技术手段的演示性操作，导致实验课程教学教条化、模式化，缺乏学生进行专业理论知识和实际操作的实践教学环节，会导致学生理论原理掌握不牢，以及实际应用能力得不到有效训练。

(3)教学方法较为单一

由于我院本科生的培养尚处于起步价段，教学过程中，主要采用实验室现场教学的方式进行，这样虽然能增加学生对测试仪器设备和操作的认识，但容易忽略对学生前期理论知识的教学，使得部分学生接受起来困难，积极性不高。

(4)考核方式有待优化

目前，实验课成绩主要由平时成绩和期末考核成绩组成。平时成绩包括出勤、课堂表现、实验报告完成情况等方面；期末考试主要是考查学生对相关测试技术的掌握情况。由于期末考试内容主要涉及实验仪器的操作步骤及注意事项等方面的考核，学生可以在选好备考实验后只针对自己选到的内容进行加强复习，未能很好地考核到学生对课程整体知识的掌握程度。

针对以上问题，现急需寻找一种有效的教学方式。近年来，将虚拟仿真技术引入实验教学已受到了各大高校的关注，是解决上述问题的一种有效途径[3-4]。

2 开设仿真实验的意义[5-6]

2.1 提高学生自主学习和探索的能力

学生在实验过程中，往往习惯于只按操作指南去完成实验，很少去分析和思考实验系统、实验步骤为何如此设计，实验数据结果是否合理。学生长期如此学习和做实验的结果是：自主探索意识的进一步减弱。如何在明白了体系已知特性的理论基础之后，再去深入地探究更多的未知特性，这些实际上都是创新工作的基础。为了让学生在更深入理解的基础上，明明白白地做实验，我们很有必要开展“虚拟仿真实验教学”，这不仅让学生明白运用模型的重要性，也明白了模型构建过程中模型的适用范围，在此过程中，学生可以“无成本”地改变各种实验条件，检验自己构建的模型的合理性及有效性，并预期实际实验研究过程中可能出现的问题，进而优化实际进行实验的设计及效率。

2.2 提高学生对实验课程的兴趣和动力

通过使用多媒体技术，可以非常高效地向学生展示实验中的精彩和实验方法的奇妙之处，使用网络技术又便于学生根据自己的喜好选择自己感兴趣的实验内容，进而提高他们对实验课程学习的兴趣和愿意积极投入的动力，从而提高实验训练的效果。

2.3 加深学生对实验的理解

材料分析测试类实验的内容是表针各种材料在不同的条件下的结构、形貌、力学性能、光电性能等性能，许多实验开设条件苛刻，成本很高，但若不涉及这部分内容，又会远离前沿研究，无法体现实验内容与时俱进的趋势；而且，若不开展这类教学实验，则课程体系有不完整的遗憾。为了弥补以上缺陷，虚拟仿真实验教学是必由之路。同时，录制实验教学视频能够更好地有助于学生掌握实验内容和实验技术。

3 体系构建与教学改革探索

3.1 虚拟仿真体系的构建

(1)以我院材料学科和相应交叉学科实验课程为基础，联合技术企业，充分整理完善课程的数字化实验教学资源，利用高水平软件构建共享资源，提高实验教学能力，拓展专业实践领域，开展绿色实验教学。

(2)对于所拥有的虚拟仿真实验课程的各种资源建立相应的管理平台，以便于高效地管理，实现教学资源共享，满足交叉学科实验教学的需求，并探索校企协同育人共建共管的新模式和新途径。

(3)建设一支以任课教师为主的相对稳定，教学和科研基础扎实，人员结构合理的实验教学团队，为虚拟仿真实验教学资源的开发和应用提供人员支撑。

(4)建立有助于提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制。

3.2 实验课程教学改革探索

通过对我院开设的《材料现代分析技术实验》、《材料实验技术实验》和《光电材料测试技术实验》等实验课程进行深入分析，探索与其他材料实验项目一起建立一套完整、可靠、安全和经济的实验教学改革体系(见图1)，教学改革探索主要包括以下几个方面：

图1 虚拟仿真实验教学改革体系Fig.1 Virtual simulation experiment teaching reform system

(1)通过对现有课程的大纲进行修订，优化实验教学的方式，增强课堂教学效果，扩大学生的专业知识面。

(2)通过增加多媒体教学激发学生的学习兴趣，引导学生自学课程，让学生成为课堂的主体，根据材料专业特点和研究方向讲授相关教学内容，并把教学情况纳入到平时成绩，以提升课堂讲授效果。

(3)通过教学系统的引入，优化考核方式，强化考核力度，严格要求平时成绩中实验报告质量，增加期末考核中实践考核比例，构建可测可控的多重考核体系。

(4)整理完善我院现有材料类分析测试实验课程的专业培养方案、课程体系的实施方案、优化后的课程教学大纲；设计课程的授课PPT、课后练习及参考答案；开发课程的微课视频，将教学资源共享在相关平台。

4 结 语

我院坚持利用自身科研优势和学科特色，在新的实验教学形势下，为创新人才的培养提供改革条件。本文针对目前材料类分析测试实验教学中存在的问题，在传统的教学方法上，探索引入虚拟仿真辅助教学技术，进行相关课程在教学内容、方法和考核评价方式上的改革探索，可为今后虚拟仿真实验教学的有效开展打下基础。