陈碧波， 袁定重， 黄 斌

(东华理工大学 化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013)

材料测试虚拟实验平台建立探索

陈碧波， 袁定重， 黄 斌

(东华理工大学 化学生物与材料科学学院，江西 南昌 330013)

引入现代信息技术，建立了材料测试虚拟实验室。通过本虚拟实验室，实现高度仿真的虚拟环境和虚拟对象，拓展理论知识和真实实验的维度和精确度，实现实时网络教学和远程教学，通过人机交互方式，增强学生的学习自主意识和创新能力。虚拟实验室基于真实实验室资源数据，丰富了教学资源，显著降低了教学投入成本。

材料测试；虚拟；实验平台

虚拟实验是以计算机设备和互联网及物联网为技术基础，建立虚拟实验场景，通过人机交互方式，按教学大纲要求，将各种虚拟的仪器组装成一个完整的实验系统，并实时传递用户数据和实验结果。实验操作者完全可以采用和真实实验完全相同的操作步骤，从而在远端设备上完成各种预定的实验项目。

近年来，国内的许多高校建立了虚拟实验室，展开了形式多样的科研教学项目[1-12]。核科学专业的学生，戴上3D眼镜，投影幕上立刻呈现虚拟的三维核电站，核岛、主控室一览无余，可以走走停停，身临其境地了解一座庞大复杂的核电站如何有序运行；机务维修工程专业的学生，借助交互手柄，可以对3D虚拟驾驶舱里的飞行设备进行“拆装”，了解其内部结构和组成；艺术设计专业的学生，可以在等比例大小的三维虚拟环境中一边浏览淋浴房，一边进行设计调整；在高度逼真的火灾事故环境中，武装警察学院的学生，可以拿起虚拟“灭火器”扑灭火焰，也可以训练突发事故的临场处置能力；石油大学的学生，可以在三维虚拟培训环境中，熟悉石油开采的操作及工艺流程，加深对抽象知识的理解……虚拟现实技术充分利用计算机硬件和软件资源，将为各学科领域构建一个高度逼真的创新实验平台。虚拟实验教学是信息技术在教学领域的重大应用，特别是在理论与实践结合的高校教学思维下，建立了一条实用高效的桥梁，因此这种应用也成为强化实验室建设、改革实验教学手段的一个重要发展方向。

1 材料测试虚拟实验室的设计思路

作为一般本科院校，学校近年来在实验设备建设方面有了很大的投入，但是对于材料类大型测试设备基于单台价格动辄几百万甚或上千万，因而占有数量仍是屈指可数。像X射线衍射仪、扫描电子显微镜、差示扫描量热仪等能精确评价材料性能特征的设备，单台套购置成本甚高，维护成本高，学生很难彻底理解其原理和功用。购置成本稍低的设备台套数有限，生均实验时间很低，限制了学生学习的直观性和时效性，无形中降低了学生的学习热情。为了提高材料类专业内容交叉，坚持学生素质结构、能力结构、知识结构协调发展的原则，引进信息化教育后，必然对传统实验室的模式有所创新，既补充和深化了实验教学，又发挥了以学生为本的教育理念。

1.1 材料测试虚拟实验室的构成

根据常规材料测试实验项目的内容，材料测试虚拟实验选择了材料测试中必选实验项目，所涵盖的实验项目分为无机金属材料测试实验和高分子材料测试实验。

无机金属材料测试实验：红外光谱仪、紫外可见光谱仪、偏光显微镜、差热分析仪、原子力显微镜对材料结构的测试。

高分子材料测试实验：高分子材料拉伸性能、冲击性能、弯曲性能测试、材料挤出粘弹性测试。

1.2 材料测试虚拟实验室的建设目标

(1)高度仿真的虚拟环境和虚拟对象。材料测试虚拟实验室通过建立3D模型，辅助动态运行轨迹，配合声音，形象地表达出内在的测试原理，由学生调节、控制各种变量的输入，虚拟实验室实时反馈出测试过程和测试结果到显示屏或者3D眼镜等接收设备上，增强学生在实验学习过程中的交互性和直观性，在仿真环境中全面体会理论与实践的特殊结合形式，深入了解知识的内涵，全面提高学生的实践与创新综合能力。

(2)拓展理论知识和真实实验的维度和精确度。材料测试虚拟实验室设计力求真实准确地还原测试原理和测试结果，多角度展示因素对结果的影响，突破真实实验的维度，展现更精确的实验操作条件和设备的精确控制，避免真实实验的人为因素，更有利于掌握测试方法的准确性。

(3)通过人机交互的模式实时网络远程教学。学生根据教学内容和个人知识需求选择目标实验，远程系统能够实时更正学生的错误，实验完成后学生可随时登录系统复习和重复实操实验，强化实验知识内容。

(4)实时反馈实验内容信息，可随时更新实验项目。材料测试虚拟实验室预备了丰富的外设接口，能通过物联网等途径增加更多的测试设备，提供更加丰富的虚拟测试项目。

(5)可供外部需求共享同一教学资源，有效降低教学投入成本。材料测试虚拟实验系统实验成本低，不受时间和次数限制，可随时随地通过互联网进行在线模拟实验。对比真实实验，网络教学的高效性和安全性减少了实体实验室巨大的投资，节省教育教学经费用以开展更多的实践教学项目。

1.3 材料测试虚拟实验室的基本模式

本虚拟实验室主要是基于互联网，操作途径为学生从计算机终端通过WEB浏览器进行，一般无需下载、安装其它应用软件。如使用可视佩戴设备如3D眼镜等，需要系统具备相应的驱动程序且浏览器支持其使用。系统服务器端和客户端应尽量支持主流桌面系统或移动操作系统，如Linux系统和Windows系统等。服务器端应采用交互式Web3D技术，有完备的软件接口和设备接口，能导入由其他软件建立的模型或程序，通过物联网设备连接真实设备，最终实现通过互联网能预约实时操控真实设备的效果。

2 材料测试虚拟实验平台的模块功能

材料测试虚拟实验平台模块(见图1)分为三个部分：首页层、实验层和后台层。本实验平台功能分析见表1。

图1 材料测试虚拟实验平台模块图

3 结束语

虚拟实验教学方式创造了 “身临其境”的操作环境，实现了多环境下的学习氛围，在培养学生实践能力方面具有传统教学模式不可比拟的优势。信息化技术的手段不断更新，对教育理念和模式都会起到不可估量的作用。建立材料测试虚拟实验室，充分发挥各种拥有不同教学资源的教学团体的合作共享。针对材料类实验的特殊环境和昂贵的设备投入，建立材料测试虚拟实验室，提供了方便快捷的教学模式，满足材料类学生初学专业知识的好奇心，为后阶段专业课的学习打下了坚实的基础。

表1 材料测试虚拟实验平台模块功能分析表

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ExplorationofVirtualExperimentalPlatformofMaterialsTesting

CHEN Bi-bo, YUAN Ding-zhong, HUANG Bin

(SchoolofChemistry,BiologyandMaterialScience,EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013,China)

By the introduction of modern information technology, we establish the materials testing virtual laboratory. Through this virtual laboratory, we achieve highly simulated virtual environment and virtual objects, expand the dimension and precision of theoretical knowledge and actual experiments, and implement real-time network teaching and distance teaching. Through the man-machine interaction, students’ autonomous learning consciousness and innovation ability are enhanced. The virtual laboratory based on real laboratory resources enriches high-quality teaching resources, and significantly reduces the cost of teaching equipment.

material testing; virtual; experimental platform

G642.0

A

1674-3512(2017)03-0276-03

2017-03-16

东华理工大学校级教改项目资助。

陈碧波(1978—)，男，湖北仙桃人，讲师，工学硕士，主要从事高分子材料的改性与应用研究。

陈碧波，袁定重，黄斌.材料测试虚拟实验平台建立探索[J].东华理工大学学报：社会科学版，2017，36(3)：276-278.

Chen Bi-bo, Yuan Ding-zhong, Huang Bin.Exploration of virtual experimental platform of materials testing[J].Journal of East China University of Technology(Social Science)，2017，36(3)：276-278.