祖 梅，程海峰，尹昌平，王 松，王楠楠，饶立凤

（国防科技大学空天科学学院陶瓷纤维及其复合材料重点实验室，湖南 长沙410000）

1 引言

材料科学与工程是集基础性和交叉性为一体的综合性学科，是国防科技创新和武器装备发展的物质基础。材料学科是国防科技大学空天学科群的核心基础学科，同时是信息技术、机械工程、计算机科学与技术等一批工程技术学科的支撑学科，支撑和引领着其他高技术领域的发展，是最具推动力的共性基础学科。学生是科学研究的生力军，也是创新的主体力量之一。对于学生创新能力与素质的培养是人才培养的重要环节，也是高素质新型人才培养的必然要求。

长期以来，材料科学与工程专业要求学生在系统掌握材料科学基本理论的基础上，还必须通过实践训练掌握材料新技术设计、加工的能力，它的实验教学也是材料课程教学中的一个重要实践环节。通过理论教学与实验教学相结合，使学生不仅能掌握基本理论，善于分析和解决问题，同时也培养学生的动手能力、验证理论、探索新知识的能力。利用理论和材料工程的基本技能对实验结果进行分析并设计新的实验，从而起到实践创新的培养目的。

然而，随着科学技术的飞速发展，材料学科新材料技术的快速发展，材料学科教学面临严峻形势挑战，往往存在着教学内容滞后和脱离实际的现象。在有限的实际操作锻炼中忽视了对学生探索和创新精神的培养，只是单纯地让学生按照拟定好的操作步骤进行操作，学生既无法真正掌握相关实验的核心内涵，又不能与所学理论进行呼应。以上种种问题导致学生在本科阶段专业实践技能的锻炼不够，进入研究生学习后难以很快适应研究生阶段的生活。

电子技术的不断发展以及实验设备的“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[1-3]，有必要建立材料学科虚拟仿真实验系统，有针对性地对材料专业学生进行系统性地实践技能培养。这不仅能够帮助学生更好地理论结合实践，强化专业知识，深入理解教育、教学的目标和策略，而且还能极大程度地发挥学生的主观能动性，培养良好的学习习惯、探索精神和创新能力。

2 开设仿真实验的意义

2.1 提高学生自主学习和探索的能力

学生从被动地听、看的角色转变为学习过程中的主动参与者。采用虚拟仿真实验这种完全交互式的模拟，学生可以在其中执行实验、收集数据和回答问题，以评估自己对知识点的理解和掌握。虚拟仿真实验是动画、视频、感知设备、高仿真环境的组合，学生参与过程并获得关键信息，可以自主DIY 实验，进行大胆探索，享受探索和创造的乐趣。虚拟仿真实验项目会更加突出研究探索，有助于培养学生的创新意识和能力[4]。学生在传统的实验过程中，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进一步减弱。

虚拟仿真实验会更加突出学生的主体地位，手脑并用，更加有助于学生建构科学的知识体系；更加突出观察思考、综合设计和多元分析结合，更加有助于提高学生综合科学素质；更加突出知、情、意、能的高级复合作用，更加有助于学生德智体美劳全面综合发展。

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积极投入的动力，从而提高实验训练的效果。

2.2 虚拟仿真实验消除了时间和空间限制

虚拟仿真实验为学生提供了一个平等的、传统实验室无法提供的学习体验，因为他们消除了传统实验室的所有物理限制。虚拟实验项目可以让学生在不受时间、资源和空间限制的情况下获得深层概念领域知识，并发挥推理、批判性思维、创新和创造性技能。虚拟实验可以重复多次，且让学生更改相关参数，便可立即观察视觉呈现结果中的效果，接收实验的反馈。

同时，通过拓展远程教育的领域，让实验可以通过网络不受时空限制地利用实验设备进行实验，和其他实验者共享资源，实现合作实验、指导实验、远程实验等。虚拟实验将学生的学习场域从有限场突破到无限场、虚拟场。虚拟实验丰富和完善了现有教学手段，消除了实验实践教学盲点，增强了学习体验，提高了学习兴趣，从而提升了教学质量。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[5]。

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，则课程体系将存在不完整的遗憾。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 虚拟仿真实验在材料学科中的一点探索与实践

现代战争中，伪装技术是作战保障的重要内容。伪装隐身材料是指能消除、减小、改变或模拟目标与背景之间光电信号差别的材料。正确地实施伪装，不仅能隐蔽作战意图，达成作战行动的突然性，而且能降低敌方杀伤兵器的命中率，减少己方人员、工事和兵器的毁伤，提高部队的生存能力，争取战场的主动权[6]。

数字化迷彩伪装设计虚拟仿真实验共分三个模块，分别为动物伪装效果判读（模块一）、迷彩伪装设计（模块二）、迷彩伪装效果判读（模块三）。其中模块一是以自然界中动物的伪装现象引入主题，让学生找出图片中隐藏的目标，通过发现目标的时间来反映伪装效果，以游戏的形式直观地体验人眼判读法的伪装效果评估方式，通过虚拟实验平台，学生主动操作，可更直观地感受伪装的形式。

模块二包括作战场景认知和迷彩伪装设计2 个场景。场景1 为作战场景认知。伪装隐身材料应用的作战场景主要有林地、荒漠、雪地三种背景。图1～图3 分别为林地背景、荒漠背景、雪地背景。利用虚拟仿真技术实现实验场景的建模仿真，还原真实作战场景，将学生的学习场域从有限场突破到无限场、虚拟场，并通过侦察无人机的巡游探测，感受侦察、目标的对抗关系，深刻体会伪装的重要性。学生通过操作鼠标可移动视角及切换角度，图4 为不同观察距离下的视觉切换，可显著增强学生的真实体验感与参与感。模块二中的场景2 为迷彩伪装设计模块，让学生直观地学习伪装设计的流程及要素，从背景采集、背景处理到迷彩伪装设计，掌握设计的关键点，直观感受目标的不同作战状态对应着不同的伪装形式以及在不同作战背景下伪装图案对伪装效果的影响。

图1 林地背景

图2 荒漠背景

图3 雪地背景

图4 不同侦察距离下拍摄的目标处于背景中的图片

模块三为迷彩伪装效果判读。该模块与模块一形成前后呼应，即将自然中动物的伪装原理运用到重要目标的军事作战中，使学生体会伪装技术对作战的重要性。图5 为目标伪装前后的视觉效果对比。通过比较可以看出实施伪装后的图片中，目标与背景融合效果甚好，可降低目标的发现概率。由此可见，在实验教学过程中加入虚拟仿真模拟场景，能极大地调动学生学习伪装技术的积极性和参与实验操作的主动性，并促使学生养成独立思考的习惯，从而提高实验效率。

图5 目标伪装前与伪装后的效果对比

4 结语

本文分析了空天科学学院材料学科实验教学的现状与存在的主要问题，阐述了虚拟仿真技术在实验教学中的作用与优势，并将虚拟仿真技术引入材料学科实验教学，探索了虚拟仿真技术在材料学科“数字化迷彩伪装设计”实验教学中的应用模式，通过引入虚拟仿真辅助教学技术，开展了相关课程在教学内容、方法和考核评价方式上的改革探索，为进一步推动国防科技大学材料学科教学课程的深化改革奠定了坚实基础。