材料虚拟实验室的建设与实践

2013-02-03李成华孙建林

中国现代教育装备 2013年9期

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北京科技大学北京 100083

现代信息技术的快速发展正推动着教育信息化的发展，如今的学习资源、学习模式、教学模式，都在随之发生改变；大学开放课程的建设、电子课本的普及、移动学习终端的快速发展、电子白板等在国际上的广泛应用，都对中国的教育信息化发展提出了新的挑战和要求。国家《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》提出了到2015年和2020年应该实现的具体的教育信息化目标。即到2015年，实现教育信息基础环境的全面覆盖、数字化教育资源的全面应用、教育管理信息化发展水平明显提升、教育信息化保障机制基本形成和信息技术在教育领域深度应用；到2020年，实现整体接近国际先进水平、信息化教学应用重点突破、管理信息化水平显著提高、数字化优质资源广泛共享、网络化基础设施全面覆盖。因此，目前的教育信息化建设应该努力走出教材电子化、课程网页化、应用模式化的尴尬局面，把更多先进数字化技术引入教学实践中，通过虚拟实验室建设实现优质实验教学资源数字化是教育信息化的一个发展方向[1-8]。

1 建设虚拟实验室的必要性

1.1 高等教育领域中优质实验教学资源不足

近年来，随着高校持续扩招，我国高等教育规模跃居世界第一位，高等教育毛入学率大幅提升，高等教育从精英教育阶段进入到了大众化教育阶段。由于我国是穷国办大教育，而且是办世界上最大规模的教育，教育投入严重不足，教育基础设施远远不能适应现代化教育的要求，优质实验教学资源不足更为明显。

1.2 重点大学和一般院校、中东部高校和西部高校实验教学资源发展的不平衡

众所周知，在目前高等教育大发展的过程中，重点大学和一般院校、中东部高校和西部高校发展不平衡，教育经费更多地用在基础设施建设和人员性开支中，而用于改善教学条件的经费不足，在校内实验和实习场所，实验设备得不到及时更新，更难以购买蕴含新技术、新发明的大型设备；设备的台套数不足，学生无法人人动手操作，达不到实验教学的目的和要求；综合性、设计性、创新性实验往往因场地、经费和教师精力限制不能开展。而网络信息技术的发展为优质实验教学资源共享提供了可能。

1.3 虚拟实验的优势

虚拟实验室建设成本低。投入资金主要用于相关软件开发和配备计算机等硬件，减小了实验室面积，省去了实物实验材料和仪器设备以及相关的管理维护费用。

虚拟实验不受时间空间的限制。传统实验室受资源限制而使得生均实验时间很少，许多实验往往只能分组观看实验演示，自己没有动手的机会；对于时间跨度比较大的实验，往往无法进行。在当前条件下，建设虚拟实验室是一个很好的解决方案。

虚拟实验可以进行某些现实中无法完成的实验。传统实验受实际物理环境和场所设备条件的限制无法进行，如高精密实验、微观条件下的实验或高温高压时的实验，而虚拟实验室可以模拟理想环境，或在人为设定的物理参数下运行，是现实实验的有力补充。

2 材料虚拟实验室建设

我校材料科学与工程学院实验测试中心是本科实验教学基地，作为材料类国家级实验教学示范中心一直承担着大量的实验教学任务。我们引入现代教育技术，建立材料网上虚拟实验室，一方面可以作为实验教学的补充和深化，另一方面也可以充分发挥中心优质教学资源的作用。

2.1 材料虚拟实验室的构成

在设计材料虚拟实验时，选择的实验项目覆盖了整个材料类专业一级学科平台和二级学科平台课程的重点教学实验。第一阶段建立4个实验室11项虚拟实验，其中，材料学实验室(6项)：薄膜材料磁电阻效应实验；振动样品磁强计；铁磁材料织构度的磁转矩测量；低碳钢强度及应变硬化指数测定；平面应变断裂韧性KIC的测定；系列冲击实验与韧脆转化温度的测定。金相材料实验室(2项)：Fe-Fe3C相图与显微组织；综合热处理实验。材料制备与加工实验室(1项)：热连轧带钢工艺、设备、原理综合实验。无机非金属材料实验室(2项)：气体吸附BET法测定固态物质的比表面积；高温荷重软化温度的测定[9]。

2.2 材料虚拟实验的功能

材料虚拟实验室以图形图像、声音声效、文本信息、视频等多种形式的表现手段，融合在灵活多变、可选择的交互式教学过程中。在空间、时间的转换上采用多维制作手段，能够虚拟现实；实验过程中既有实验的整体表现，同时也有高速、难以观察到的细节表现。在实验过程中，只有当学生的实验步骤和操作正确时，才可以进行下一步实验。教师可以在实验前或实验后设计测试题目，考查学生对实验相关知识的掌握情况，实验后能方便地查看学生的实验结果和实验报告，给出成绩和评价。

材料虚拟实验包含实验目的、实验原理、仪器设备介绍、实验步骤及实验相关资料等内容，进入虚拟实验后，在如图1所示的虚拟实验界面，分别点击界面左侧的项目，了解实验目的、实验原理、实验设备，进行相关知识学习。以“低碳钢强度及应变硬化指数测定实验”为例，图1为实验目的和实验原理。

图1 虚拟实验界面—实验目的、实验原理

本实验所需的设备如图2所示，设备为三维形式，可以旋转，便于学生从多角度观察。

图2 实验设备

实验步骤如图3所示，先测量试样的直径；接下来使用划线器在试样上标注试样的标距。将试样安装卡紧于拉伸试验机的夹头之间，同时将引伸计固定于试样的标距之间。然后设置实验参数，开始拉伸测试。此时，在计算机屏幕上显示载荷和下横梁的位移量关系曲线。继续拉伸，观察试样颈缩直至试样断裂，观察其断口形貌，可以观察到中心区域的纤维状韧断区和边缘区域的剪切唇，在断裂后的试样上，按照国标要求的检测精度测量试样的断后标距长度和颈缩区最小的直径。

图3 实验步骤

3 材料虚拟实验的应用实践

材料虚拟实验建成之后，除了课堂理论教学中由教师在讲解中给学生进行演示之外，也用于实验教学之中。某些课程还专门对学生分组，部分学生进行虚拟实验之后再进入实验室做实际实验，另一部分学生则直接进行实际实验，然后对学生的实验成绩进行对比分析。实验成绩如图4所示，图4a为无机非金属材料专业学生实验成绩中90分以上学生所占的比例，可见2011和2012年度虚拟实验用于教学后，90分以上学生的比例明显提高。图4b为材料热处理实验不同分组学生平均成绩的对比，单纯进行实际实验学生的平均成绩低于虚拟实验与实际实验结合组的平均成绩。