材料成型虚拟实验平台的建设及实践
申文竹 王斌 易锋 刘丽 武斌
[摘 要]为探索学生成长发展的新途径和新模式，西南石油大学积极启动了第二课堂建设工作，以人才培养为中心、以指导教师队伍建设为重点，打造管理规范、内容丰富、实效性强的第二课堂活动，以提升学生综合素质，促进学生成长成才。通过材料成型虚拟实验平台的建设，整合教师和软件资源，拓展软件实验教学功能，促进教学科研互动，能实现科研成果向实验教学内容的有效转化；创建贴近实际的模拟、虚拟、仿真实验环境，能弥补材料类专业实践教学所存在的不足，提升学生学习兴趣，提高实验教学效果，有效解决学生能力培养问题，为应用型、创新型人才培养创造有利条件。
[关键词]材料成型；虚拟平台；系统仿真；实验教学
[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）05-0072-02
西南石油大学材料控制与成型专业是2010年获批的新办专业，由于该专业的实验设备多为大型重装设备，占地面积大，设备台套数少，运行成本高，能耗污染大，加之该专业社会需求大，学生人数多，传统实验教学模式难以满足其培养要求，设计型、创新型实验更无法开展。因此，其急需通过数字化虚拟实验教学，以低成本、不受限制（时间和空间）方式，作为传统实验教学的补充和补强。[1]
一、平台建设
学院在建院之初制定本科生培养方案时，面向全专业本科生开设了计算机在材料科学中的应用课程，系统地向学生介绍了计算机技术及网络技术在材料科学研究中的应用，使学生初步掌握在材料科学研究领域中更好地应用计算机的思路、方法和原理。2004年进行相关调研和探索后，在学校支持下，学院于2005年购置了JS？鄄CAST铸造成型软件，组建了铸造成型仿真实验教学实验室，2012年和2015年分别购置DEFORM成型软件和Simufact.welding软件，相继开设了七项虚拟仿真实验教学项目，如表1所示。
2015-2016学年度参加学生学习人时数达1544人时数，较好解决了材料成型过程中的结构性能变化的可视化问题，为工艺方法、工艺参数的优化设计、缺陷预测等奠定了基础，增加了学習的形象性、兴趣性，为学生走上工作岗位、扎根企业提供了良好的前期准备基础。
二、基于实验平台的虚拟教学
（一）第二课堂活动
为探索学生成长发展的新途径和新模式，我校积极启动第二课堂建设工作，以人才培养为中心、以指导教师队伍建设为重点，打造管理规范、内容丰富、实效性强的第二课堂活动，以提升学生综合素质，促进学生成长成才。其中，借助虚拟仿真平台，开设了“材料相图的仿真实验训练”活动。该活动受到广泛欢迎，吸引了材料学院材科、材控、新能源等多个专业、不同年级的本科学生和研究生参加。该活动对学生进行了材料相图基础知识的理论培训和相图计算软件的操作应用培训；开展了材料相图的仿真实验训练，进行了仿真实验结果分析；最后经过相应的考核，加深学生对材料相图的运用及新材料设计的认识。该活动影响深刻，取得了圆满的成功。
（二）专题知识讲座
大学知识讲座不仅可以扩展学生知识面，开阔学生知识视野，还可以活跃学术氛围，优化知识结构，对学生综合素质的提升、理论研究和学术创新具有良好的促进作用。依托仿真平台，积极开展相关计算软件和虚拟知识应用的专题讲座，不仅可以增加学生对前沿性的理论知识的讨论，更能发掘他们的学术兴趣、增强学术功底。
在“基于分子动力学法进行材料微观结构计算” 的专题讲座中，教师将微观分子数据转换为图形或图像在计算机屏幕上显示出来，经过综合交互处理，通过结构分析、模拟、数据处理一体化技术，从微观角度揭示结构与性能的关系，预报各种材料学相关的现象，解释材料的微观至宏观的各种性质，进行各种材料如合金、陶瓷、高分子材料的优化与设计。
在“Materials Studio计算软件和CASTEP模块简介”讲座中，教师介绍了Materials Studio软件的CASTEP模块程序包的用途和使用方法。通过该种计算软件，可以计算具有周期性结构的材料对应的晶体结构、电子结构和光电性质等。通过第一性原理开展的材料电子行为的虚拟仿真实验讲座，教师形象地讲解了量子力学、固体物理与半导体物理中的理论知识，将抽象的公式形象化、具体化，引导学生进入原子和电子的微观领域，提高学生的学习热情和积极性。
（三）学科竞赛和科技创新等活动
学院调研了虚拟仿真各项全国赛事，积极组织学生参与相关赛事和挑战杯等，通过课赛结合、以赛促学的育人模式，提高学生的工程实践能力和应用创新能力。[2]2016年，学院首次组织了2组6名学生参加基于JSCAST的“永冠杯”第七届中国大学生铸造工艺设计大赛，获优胜奖和参与奖各一项。虽然没有获得较好的成绩，但是参赛学生纷纷表示，参加这次大赛，提高了他们对铸造工艺设计的感知和对铸造的热爱，也增加了他们对铸造的专业理论知识和生产实际的了解。
为了使学生尽快融入科学研究的氛围，我院鼓励教师将最新的研究成果传授给学生并增设相关实验项目，让学生参与到科研课题中，同时，很多学生的毕业设计题目都来源于教师科研项目。我院于2010年申请建立油气田材料四川省高校重点实验室并获批，再次推动了我院工程领域人才培养实验教学的改革。近三年来，基于虚拟仿真实验平台，我院完成虚拟类各类大学生开放实验14余项，执行省高校重点实验室开放基金项目15余项，近三年参加虚拟项目开放基金的学生达120余人次，完成虚拟类毕业设计94人，科技创新活动受益面广。
三、进一步研究与实践的思路
经过几年的研究实践，材料成型数字化虚拟实验平台的建设初见成效：拥有了两台服务器、31台终端电脑、各类大型专业软件等软硬件设施齐全的独立虚拟仿真实验室；探索了一套“虚实结合、以虚补实、能实不虚”的实验教学方法及模式；建设了一支技术过硬，满足虚拟仿真人才培养要求的实验教师队伍；建立了满足自主开放实验要求的管理制度等。2013年获得了“材料成型数字化虚拟实验室平台建设”校级重点教改项目的资助；2014年获得了校级虚拟仿真实验教学中心培养项目资助。但是，虚拟仿真技术涉及大量的动画、影像资料的制作和处理，还要有较高的程序代码识别和编写能力，具有较高的前期制作成本和深厚的计算机编程功底，现阶段仍处于起步阶段。
下一阶段我们将结合自身教学实际，扩大虚拟仿真技术的应用范围，将材料成型虚拟实验平台的成功经验渗透到材料学科其他专业，整合教师科研资源，分别搭建材料成型虚拟实验平台、材料设计计算仿真平台和材料力学与工程仿真平台。三大平台的共同构建可以满足材料学科“设计—加工—结构—性能”四要素的实验教学要求，解决传统实验中的教学难题，实现一些实体实验中实验现象的可视化，有效降低实验成本，使“投入大、能耗高、风险大、安全隐患大”等实际问题得以解决，使一些条件不具备的实验可以重复实验，随时实验，增加实验教学的形象性及吸引力，提升教学效果。
首先，开设更多的基于虚拟仿真的专业探索实验项目，促进精品课程和虚拟实验教材的建设；开设更多的与之相关的第二课堂和相关软件使用的专题讲座和学术报告，鼓励更多学生参与到虚拟仿真开放实验项目和创新实验中。
其次，大型分析测试仪器是高等学校的宝贵实验资源，代表了先进的测试水平和发展方向。但是由于大型分析测试仪器价值昂贵，台套数少，并且需经专业培训后才可以操作使用，因此，探索虚拟仿真技术在大型仪器设备上的开发和应用，搭建大型仪器设备虚拟仿真实验教学平台也成为很多高校虚拟实验平台建设的重要方向。
再次，要构建一个基于网络化的开放式实验教学管理系统。可以将虚拟实验室和开放式实验室相结合，使学生能够利用自己的时间通过预约的方式进行有效的仿真实验，并通过虚拟设备进行实验创新。
四、结语
我校通过材料成型虚拟实验平台的建设，整合教师和软件资源，拓展软件实验教学功能，促进教学科研互动，实现科研成果向实验教学内容的有效转化；创建贴近实际的模拟、虚拟、仿真实验环境，弥补材料类专业实践教学所存在的不足，提升学生学习兴趣，提高实验教学效果，有效解决学生能力培养问题，为应用型、创新型人才培养创造有利条件。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014（2）：5-8.
[2] 游磊，淡艳，张志强.以科技竞赛为核心搭建多维实践教学平台的研究[J].教育与教学研究，2014（8）：86-88.
[责任编辑：刘凤华]
[摘 要]为探索学生成长发展的新途径和新模式，西南石油大学积极启动了第二课堂建设工作，以人才培养为中心、以指导教师队伍建设为重点，打造管理规范、内容丰富、实效性强的第二课堂活动，以提升学生综合素质，促进学生成长成才。通过材料成型虚拟实验平台的建设，整合教师和软件资源，拓展软件实验教学功能，促进教学科研互动，能实现科研成果向实验教学内容的有效转化；创建贴近实际的模拟、虚拟、仿真实验环境，能弥补材料类专业实践教学所存在的不足，提升学生学习兴趣，提高实验教学效果，有效解决学生能力培养问题，为应用型、创新型人才培养创造有利条件。
[关键词]材料成型；虚拟平台；系统仿真；实验教学
[中图分类号] G64 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）05-0072-02
西南石油大学材料控制与成型专业是2010年获批的新办专业，由于该专业的实验设备多为大型重装设备，占地面积大，设备台套数少，运行成本高，能耗污染大，加之该专业社会需求大，学生人数多，传统实验教学模式难以满足其培养要求，设计型、创新型实验更无法开展。因此，其急需通过数字化虚拟实验教学，以低成本、不受限制（时间和空间）方式，作为传统实验教学的补充和补强。[1]
一、平台建设
学院在建院之初制定本科生培养方案时，面向全专业本科生开设了计算机在材料科学中的应用课程，系统地向学生介绍了计算机技术及网络技术在材料科学研究中的应用，使学生初步掌握在材料科学研究领域中更好地应用计算机的思路、方法和原理。2004年进行相关调研和探索后，在学校支持下，学院于2005年购置了JS？鄄CAST铸造成型软件，组建了铸造成型仿真实验教学实验室，2012年和2015年分别购置DEFORM成型软件和Simufact.welding软件，相继开设了七项虚拟仿真实验教学项目，如表1所示。
2015-2016学年度参加学生学习人时数达1544人时数，较好解决了材料成型过程中的结构性能变化的可视化问题，为工艺方法、工艺参数的优化设计、缺陷预测等奠定了基础，增加了学習的形象性、兴趣性，为学生走上工作岗位、扎根企业提供了良好的前期准备基础。
二、基于实验平台的虚拟教学
（一）第二课堂活动
为探索学生成长发展的新途径和新模式，我校积极启动第二课堂建设工作，以人才培养为中心、以指导教师队伍建设为重点，打造管理规范、内容丰富、实效性强的第二课堂活动，以提升学生综合素质，促进学生成长成才。其中，借助虚拟仿真平台，开设了“材料相图的仿真实验训练”活动。该活动受到广泛欢迎，吸引了材料学院材科、材控、新能源等多个专业、不同年级的本科学生和研究生参加。该活动对学生进行了材料相图基础知识的理论培训和相图计算软件的操作应用培训；开展了材料相图的仿真实验训练，进行了仿真实验结果分析；最后经过相应的考核，加深学生对材料相图的运用及新材料设计的认识。该活动影响深刻，取得了圆满的成功。
（二）专题知识讲座
大学知识讲座不仅可以扩展学生知识面，开阔学生知识视野，还可以活跃学术氛围，优化知识结构，对学生综合素质的提升、理论研究和学术创新具有良好的促进作用。依托仿真平台，积极开展相关计算软件和虚拟知识应用的专题讲座，不仅可以增加学生对前沿性的理论知识的讨论，更能发掘他们的学术兴趣、增强学术功底。
在“基于分子动力学法进行材料微观结构计算” 的专题讲座中，教师将微观分子数据转换为图形或图像在计算机屏幕上显示出来，经过综合交互处理，通过结构分析、模拟、数据处理一体化技术，从微观角度揭示结构与性能的关系，预报各种材料学相关的现象，解释材料的微观至宏观的各种性质，进行各种材料如合金、陶瓷、高分子材料的优化与设计。
在“Materials Studio计算软件和CASTEP模块简介”讲座中，教师介绍了Materials Studio软件的CASTEP模块程序包的用途和使用方法。通过该种计算软件，可以计算具有周期性结构的材料对应的晶体结构、电子结构和光电性质等。通过第一性原理开展的材料电子行为的虚拟仿真实验讲座，教师形象地讲解了量子力学、固体物理与半导体物理中的理论知识，将抽象的公式形象化、具体化，引导学生进入原子和电子的微观领域，提高学生的学习热情和积极性。
（三）学科竞赛和科技创新等活动
学院调研了虚拟仿真各项全国赛事，积极组织学生参与相关赛事和挑战杯等，通过课赛结合、以赛促学的育人模式，提高学生的工程实践能力和应用创新能力。[2]2016年，学院首次组织了2组6名学生参加基于JSCAST的“永冠杯”第七届中国大学生铸造工艺设计大赛，获优胜奖和参与奖各一项。虽然没有获得较好的成绩，但是参赛学生纷纷表示，参加这次大赛，提高了他们对铸造工艺设计的感知和对铸造的热爱，也增加了他们对铸造的专业理论知识和生产实际的了解。
为了使学生尽快融入科学研究的氛围，我院鼓励教师将最新的研究成果传授给学生并增设相关实验项目，让学生参与到科研课题中，同时，很多学生的毕业设计题目都来源于教师科研项目。我院于2010年申请建立油气田材料四川省高校重点实验室并获批，再次推动了我院工程领域人才培养实验教学的改革。近三年来，基于虚拟仿真实验平台，我院完成虚拟类各类大学生开放实验14余项，执行省高校重点实验室开放基金项目15余项，近三年参加虚拟项目开放基金的学生达120余人次，完成虚拟类毕业设计94人，科技创新活动受益面广。
三、进一步研究与实践的思路
经过几年的研究实践，材料成型数字化虚拟实验平台的建设初见成效：拥有了两台服务器、31台终端电脑、各类大型专业软件等软硬件设施齐全的独立虚拟仿真实验室；探索了一套“虚实结合、以虚补实、能实不虚”的实验教学方法及模式；建设了一支技术过硬，满足虚拟仿真人才培养要求的实验教师队伍；建立了满足自主开放实验要求的管理制度等。2013年获得了“材料成型数字化虚拟实验室平台建设”校级重点教改项目的资助；2014年获得了校级虚拟仿真实验教学中心培养项目资助。但是，虚拟仿真技术涉及大量的动画、影像资料的制作和处理，还要有较高的程序代码识别和编写能力，具有较高的前期制作成本和深厚的计算机编程功底，现阶段仍处于起步阶段。
下一阶段我们将结合自身教学实际，扩大虚拟仿真技术的应用范围，将材料成型虚拟实验平台的成功经验渗透到材料学科其他专业，整合教师科研资源，分别搭建材料成型虚拟实验平台、材料设计计算仿真平台和材料力学与工程仿真平台。三大平台的共同构建可以满足材料学科“设计—加工—结构—性能”四要素的实验教学要求，解决传统实验中的教学难题，实现一些实体实验中实验现象的可视化，有效降低实验成本，使“投入大、能耗高、风险大、安全隐患大”等实际问题得以解决，使一些条件不具备的实验可以重复实验，随时实验，增加实验教学的形象性及吸引力，提升教学效果。
首先，开设更多的基于虚拟仿真的专业探索实验项目，促进精品课程和虚拟实验教材的建设；开设更多的与之相关的第二课堂和相关软件使用的专题讲座和学术报告，鼓励更多学生参与到虚拟仿真开放实验项目和创新实验中。
其次，大型分析测试仪器是高等学校的宝贵实验资源，代表了先进的测试水平和发展方向。但是由于大型分析测试仪器价值昂贵，台套数少，并且需经专业培训后才可以操作使用，因此，探索虚拟仿真技术在大型仪器设备上的开发和应用，搭建大型仪器设备虚拟仿真实验教学平台也成为很多高校虚拟实验平台建设的重要方向。
再次，要构建一个基于网络化的开放式实验教学管理系统。可以将虚拟实验室和开放式实验室相结合，使学生能够利用自己的时间通过预约的方式进行有效的仿真实验，并通过虚拟设备进行实验创新。
四、结语
我校通过材料成型虚拟实验平台的建设，整合教师和软件资源，拓展软件实验教学功能，促进教学科研互动，实现科研成果向实验教学内容的有效转化；创建贴近实际的模拟、虚拟、仿真实验环境，弥补材料类专业实践教学所存在的不足，提升学生学习兴趣，提高实验教学效果，有效解决学生能力培养问题，为应用型、创新型人才培养创造有利条件。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 李亮亮，赵玉珍，李正操，等.材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2014（2）：5-8.
[2] 游磊，淡艳，张志强.以科技竞赛为核心搭建多维实践教学平台的研究[J].教育与教学研究，2014（8）：86-88.
[责任编辑：刘凤华]
