第49卷第9期
2021年5月
广州化工
Guangzhou Chemical Industry
Vol. 49 No. 9
May. 2021
*基金项目:2019年西安工业大学教学改革研究基金项目(N 。： 19JGY11)。
第一作者：刘翠霞(1977-)，女，博士，副教授，主要研究凝固理论以及计算机模拟等方面的科研与教学。
刘翠霞，刘永勤，马志军
(西安工业大学，陕西 西安 710021)
摘 要：针对材料科学与工程实践教学中存在的高温、高压、腐蚀性强、毒性大等实验的不安全性因素，开展虚拟仿真实
验有效的解决了这一问题，对材料科学与工程的学科进行分析，确立虚拟仿真模块和具体的虚拟仿真实验，并对现有虚拟仿真实
水土保持研究验进行有机整合，对进一步建设和规划提出建议，充分发挥虚拟仿真实验资源的优势，降低了实验成本，避免了实体实践教学的
风险，虚实结合，拓展了实验教学的时间和空间，调动学生学习的自主性和能动性。 关键词：虚拟仿真实验；材料科学与工程；课程建设
中图分类号：G642.0
文献标志码：A 文章编号：1001 -9677(2021)09-0199-03
Construction and Application for Virtual Simulation Experiment of
Material Science and Engineering
LIU Cui-xia , LIU Yong-qin , MA Zhi-jun
(Xi'an Technological University , Shannxi Xi'an 710021, China)
Abstract : Virtual simulation experiment of Material Science and Engineering practice teaching can effectively solve
many problems , such as high temperature , high pressure , strong corrosiveness and high toxicity. After the subject of
Material Science and Engineering was analyzed , virtual simulation modules were established and virtual simulation
experiments were concreted. The existing virtual simulation experiments can be organically integrated. Further construction and planning was suggested. The virtual simulation experimental resources may give many advantages for
reducing the experimental cost, avoiding the risk of physical practice teaching and expanding the time and space of
experimental teaching, students' autonomy and initiative was aroused.
Key words ： virtual simulation experiment ； Material Science and Engineering ； curriculum construction
实践教学是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重
要环节，是理论联系实际、激发学生探索欲望、培养学生掌握
科学方法和提高动手能力的必要途径。材料科学与工程是实践
性较强的工程应用型科学，由于学科本身的特点，在实践教学
过程中存在着一些普遍性问题，特别针对材料与化工学院所涉
及到兵工材料在高温、高压、高速、高辐射、高危险等极端条
件下使用的特点，多数材料在制备或者成型过程中需要经历高
温、高压环境处理，且在制备过程中经常使用到剧毒的高危实
验材料，上述极端环境下的实验教学难以进行，因此采用虚拟
实验教学，协助学生进行实验，提高了学习安全性，同时也保
菲特台风路径证的学习效果。
1材料科学与工程课程虚拟实验教学的必要性
(1)可避免传统实体实践教学的风险和环境污染
材料科学与工程实践教学中，经常存在高温、高压、腐
蚀、毒性等不安全因素。如铸造、材料热处理和焊接等热加工
实验，需在几百到一千多度的高温环境下进行；高分子材料合 成实验会用到易挥发、易燃、腐蚀性或有剧毒的化学试剂。其
次，大量开展部分材料科学与工程实体实验容易造成严重环境 污染。如金属熔炼会排出氟化物、氯化物、硫化物等污染气体
以及大量的粉尘；金属热处理的油冷淬火介质会产生油烟等气 态污染物，盐浴炉和气氛炉会出现废盐、盐蒸气、废水等；焊 接过程中会有弧光污染和卤化物废气污染。因此，在人才培养
中大规模开展这些实验是不现实和不可能的。而仅采用示教或
者视频的方式来取代实验规避风险，学生没有切身体会，无法 获得感性认识。通过虚拟实验室中的模拟操作，在关键位点设
置危险提示和后果场景，可反复加深学生的印象，培养良好实 验习惯，从而避免在实践时造成安全隐患⑴勾。
(2)解决设备套台数不足问题，降低实验成本，突破现有
技术、设备的限制
近年来利用国家、陕西省以及学校的专项投入经费，西安
工业大学材料科学与工程实验教学中心的硬件条件得到显著的
改善，但台套数有限，部分仪器设备价值较高(如透射电镜、
扫描电镜)，难以保证每人都有机会实际操作。另外，部分材
料科学与工程实践教学需要昂贵的高纯度原材料和辅助材料;
模具设计、材料合成、材料成分和结构设计等实践教学内容对 于初学者成功率低，重复性差。虚拟实
验室利用软件全程模拟
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仿真实验，降低学生对真实实验材料和设备的依赖性，降低实验成本。
实际上，在材料科学与工程实践教学中，还存在现有最先进的技术和设备也无法跟进的关键教学内容。如学生在探索纯金属熔体与结晶相结构时，形成非晶需要的冷速为1012K/s；金属熔体中晶体团簇演变、临界晶核与亚临界晶核过程等材料某些重要的亚稳态，只能通过计算机模拟才能直观显示；相变过程、倒易关系、原子堆垛、合金铸造过程等宏微观三维抽象信息，只能采用虚拟仿真教学手段才具体化、可视化。因此，虚拟仿真实验教学是材料工程实体实验教学中的一个重要补充。
(3)拓展实验教学时间和空间，提高人才培养质量
材料科学与工程实验教学内容持续时间长，如材料的疲劳行为需要数天，材料的老化行为需要数月甚至于几年时间。这与有限的实验教学学时矛盾。不仅如此，综合型材料科学与工程实验教学内容往往在短时间内需要多台大型设备，并且需要调整影响因素反复实验。因而，受客观条件制约，在实体实验教学过程中，实验内容只能预先设定，学生被动按照实验程序完成任务很难开设综合型、交叉型的创新性实验教学内容，严重影响了学生的积极性、主动性，制约了思维能力和解决实际问题能力的培
养。虚拟实验室基于网络，具有良好的开放性，实现资源共享。师生不仅可随时随地介入，进行交流，还不受时间、空间和实验次数的限制，给学生提供一个全新的学习环境。在虚拟实验室中，学生可以自己独立设计和改变试验条件，综合探讨材料服役条件、制备、组织以及性能之间的内在关系，激发学生的求知欲，培养学生的创新能力。
2材料科学与工程虚拟仿真实验建设内容
材料科学与工程虚拟仿真实验的建设遵循模块化原则，分门别类，有利于课程建设以及各科教师选择授课。因此将材料科学与工程学科的虚拟实验分为7个模块：先后建立了“材料科学基础虚拟仿真模块”、“材料分析基础虚拟仿真模块”、“材料加工基础虚拟仿真模块”、“材料合成基础虚拟仿真模块”、“材料成型基础虚拟仿真模块”、“材料相变与结构虚拟仿真模块”、“铸件设计与成型虚拟仿真实验模块”，这七个模块与材料工程实体实验教学相互补充、有机结合。
张悟本“材料科学基础虚拟仿真模块”包括典型金属原子排列结构虚拟仿真、合金相图与显微组织虚拟仿真等。“材料分析基础虚拟仿真模块”包括光学显微镜虚拟仿真组装、红外光谱工作过程虚拟仿真等。
“材料加工基础虚拟仿真模块”包括铸造过程模拟仿真、焊接过程及焊接组织虚拟仿真、材料热处理虚拟仿真等。
“材料合成基础虚拟仿真模块”包括咪哩咻类缓蚀过程的虚拟仿真、间二硝基苯合成的虚拟仿真、正丁醴合成的虚拟仿真、无机玻璃材料模压成型过程的有限元模拟等。
“材料相变与结构虚拟仿真模块”包括熔体与结晶相结构的分子动力学模拟、熔体形核过程的分子动力学模拟、金属固/液界面能的分子动力学模拟、金属非晶形成的分子动力学模拟、金属中原子扩散系数的分子动力学、高温高压下材料缺陷的MS模拟等。
“铸件设计与成型虚拟仿真实验模块”包括模具装配开型过程虚拟仿真、模具浇注系统的虚拟仿真、模具顶出与侧抽机构运动过程的虚拟仿真等。
所建设的虚拟仿真实验约20种，服务对象主要包括金属材料工程、高分子材料与工程、材料物理、材料化学、应用物理、机械制造及其自动化、机械电子工程、光电信息科学与工程等8个专业的本科生，以及材料物理与化学、材料学、材料加工工程、工程材料、凝聚态物理、微电子与固体电子学、机械工程、机械制造及其自动化、机械电子工程、车辆工程、武器系统与应用工程、兵器工程等学科的研究生，每年可以服务学生1700名左右。
3材料科学与工程虚拟仿真实验建设措施
建立健全教学内容是虚拟仿真实验首先要解决的问题，当虚拟实验课程铺天盖地的建设结束后，如何有效的使用成为最重要的问题。因此制定如下完善措施炉”O
3.1协调全校虚拟实验仿真项目
在建设虚拟仿真实验项目的时候，各个学院根据课程体系要求进行了建设，不同虚拟仿真公司和教师对接后，理解会有所偏颇，建设的内容或多或少会有点差距，在试用阶段，可以联合其他学院相关内容，或者本学院内部相关课程进行统一协调。
3.2完善虚拟仿真实验项目内容
目前所建设的虚拟仿真实验项目正在试用阶段，试用一个周期后，学生和老师都提出一些修改意见。学生和教师的意见及修改建议列于表1中。
表1虚拟仿真实验修改意见表
Table1Revision of virtual simulation experiment
虚拟仿真实验意见虚拟仿真实验修改建议
学生
手机、PC端口存在网络堵
大国脚印塞，无法正访问虚拟实验平
台；
操作界面不友好，进行完一
个页面后，不知道如何进入
下一个页面。
增加学校虚拟仿真平台的网
络带宽建设；
督促虚拟仿真合作公司进行
改进
教师
演示实验部分需要进一步细
化，有的地方过于简单，需
要具体细致到每一个步骤，
有些地方是错误的。
瓮安县国土资源局
试卷部分需要增加试题，练
习题需要进一步扩充。
1.协调虚拟仿真合作公司进
一步修正，改正错误步骤。
2.给与教师一定工作量进行
进一步增加试卷和练习题。
3.3完善网络建设
虚拟仿真实验的进行需要网络的支撑，学生可以在手机端、PC端随时随地访问虚拟仿真实验平台，这
就需要流畅的网络传输速度，因此构建大数据架构的平台就非常关键。大数据架构平台包括数据的存储、关联分析、挖掘以及后续数据分析。同时提供API接口，为后续其他应用程序的调用数据提供接口。
平台的维护和网络安全是保证虚拟仿真实验教学的关键，包括计算机平台实验室的安全、通讯网络安全。计算机平台实验室远离强噪声源、粉尘、油烟、有害气体以及强电磁场干扰。实验室应有专门人员管理，配置防尘防静电、供配电、空调系统、电视监控、消防系统、门禁等部分。保证虚拟实验平台的运行。
(下转第211页)
第49卷第9期刘慧娟，等：药物化学“阿司匹林”的课程思政教学设计211
生全方位育人的必经之路。
据调查⑶，药物化学中渗入思政教育受到学生认可和欢迎，将枯燥知识点与思政元素的融合能大大激发学生的学习兴趣。作为课程思政教育的主体，专业教师应不断提升自身修养，以专业知识为基础，以社会主义核心价值观为导向，深挖《药物化学》课程中的课程思政元素，并围绕课程思政的有效开展进行课程大纲修订、教师观念转变、授课模式以及考核方式的全方面改革2"，培养有理想、有信念、会思考、能创新的新时代药学技能型人才。
参考文献
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(上接第200页)
4结语⑴
东莞外博会建设材料科学与工程学科虚拟仿真实验为促进本学科专业匕]实践教学起到非常重要的作用，可以有效避免试验中高温、高
压、腐蚀性强以及毒性大等不安全因素。本文详细论述了材料[3]科学与工程学科的虚拟仿真实验资源的建设的必要性，分析了
材料科学与工程学科的特点，建立了7个虚拟仿真实验模块20“]多个虚拟仿真实验。解决了材料科学与工程学科高温、高压、
高速、高辐射、高危险等极端条件下实验的束缚。通过网络操
作实验，提高了学生的主动性和创新性，提高了实践教学的安
全性。通过使用，学生和教师都提出了相应的修改意见，为后[6]续取得了更好教学效果打下基础。
[7]
参考文献
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