新工科背景下工科专业虚拟仿真实验室建设与实践

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　　摘 要：随着新工科建设的推进，对工科专业的实验实训条件提出了新的要求，当前工科专业实验实训场地不足和教师缺乏跨学科知识机构。虚拟仿真实验室可以很好地解决工科专业实验实训中的困境。同时，工科专业课程教学大纲的改进和教师跨学科研究能力的提升是虚拟仿真实验室建设的保障。
　　关键词：虚拟仿真实验室 新工科 工科专业
　　中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2020）10-0-01
　　2017年2月以来教育部相继发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》等指导性纲领，推进新工科建设。高校结合企业需求也提出了“智能+制造”“大数据+数控”“新材料+建工”等新工科人才培养模式，这对工科专业的实验实训提出了新的要求。虚拟仿真实验室是一种“互联网+”实验室模式，以大数据和仿真技术为依托，建立虚拟实验场景，学生在虚拟的环境中通过人机交互的方式开展各项预定实验项目。狄海廷等学者认为研究认为虚拟仿真实验优质资源的有效开放与共享，提高教育投入的使用率和使用效益，是急需解决的重要问题。
　　一、新工科背景下工科专业实验室建设的短板
　　1.给校内实验室建设提出新的挑战
　　传统的实验实训课程都是相对独立的，实验室针对某一门或几门进行建设，每门实验实训课程按照既定的教学大纲和固定的实验室完成。如材料成型及控制工程专业的《材料成形工艺及模具设计》课程的实训，学院专门设立了模具设计的实验室来完成相关的实验实训。新工科建设以后，实验实训课程体系中将“智能控制”“材料成型及控制工程”融合到一起，《材料成形工艺及模具设计》课程的实训扩展到《材料成形模具数字化设计》《材料成形设备与控制》《材料成形过程数字化》等三门课程，学校需要购买价值近千万的金属材料高性能3D打印机，并且对实验实训场地提出了更高的要求，导致很多高校缺少足够资金对实验室进行改造。
　　2.对实验实训指导老师提出新的挑战
　　传统的实验实训教学中，实验指导老师只要掌握本专业知识和操作技能，根据教学大纲安排学生进行操作就可以。新工科建设以后，实验实训教学内容涉及多个学科领域，运用跨学科的知识来完成某一项实验，立足于学生解决实践问题的能力。如车辆工程专业《汽车构造》实验实训课程，传统的实验实训课程中，老师根据汽车的结构原理指导学生完成模型车辆的组装，汽车能够自由驾驶就算达到了实训效果。但新工科需要课程教学大纲含有智能装配内容，学生需完成组装以后还要完成智能，才能达到实训的需要。因此，需要《汽车构造》指导老师掌握人工智能、自动化控制、物联网等相关知识，才能胜任实验实训课程的指导。
　　二、虚拟仿真实验室能有效解决新工科建设中实验实训难题
　　1.虚拟仿真实验室实现实验实训课程的系统性
　　新工科对实验实训课程提出更高的要求，从系统论的角度看实验实训课程的设计。如“智能+制造”的车辆工程专业为例，实验课程及涉及智能控制中的《移动嵌入式系统开发》和《智能制造信息系统开发》等实验实训课程，也涉及车辆制造中《液压技术》与《汽车结构》等课程。而现在绝大多数高校智能控制和车辆工程的实验室是分开的，也没有成熟的“智能车辆制造”的实习实训教学大纲。通过“智能车辆制造”虚拟仿真实验平台，可以通过一个综合實验来完成《移动嵌入式系统开发》《智能制造信息系统开发》《液压技术》《汽车结构》等四门课程的综合实训，实现智能控制和车辆制造实习实训课程有效地整合。
　　2.虚拟仿真实验室有效地解决实验设备和场地不足的问题
　　新工科对实验实训设备和场地提出新的要求，如“新材料+土木”的土木工程专业为例，由于是使用新的材料，材料的承受面积、韧性需要重新进行验证。《材料力学》《钢筋工混凝土肋梁楼盖设计》等实验实训课程，根据新工科的要求，需要重新建设大型风洞、标准化的力学检测设备和防腐蚀等测量仪器，而这些新的实验实训设备十分的昂贵，并且需要重新建设实验室，非工科院校很难有足够的资金在短时间内完成实验室建设。而土木工程材料虚拟仿真实验室平台，实验室只要配备高新性能的电脑和1兆的宽带，学生就可以在虚拟的环境中所有的实验。有效地解决实验设备和场地不足的瓶颈。
　　三、 虚拟仿真实验教学中需要注意的问题
　　虚拟仿真实验平台的实验，他是依托相关理论课程建设的，其实验的目是为了更好地掌握好理论知识，应用好理论知识。
　　1.更新实验实训的课程设计、推动虚拟仿真实验教学
　　实验实训的教学的目标是帮助学生消化理论知识，将知识转化成为能力。根据新工科的要求。虚拟仿真的实验是多学科的交叉，因此要开设相关的交叉学科的理论课程，如《材料成形过程数字化》实验实训课程前，学生需要系统地学习数字化的相关软件和材料物理学等相关课程。学生在学习过程中才有理论基础。通过实验实训将不同学科的理论有效地结合起来。实验实训课程如果离开相关理论的指导，导致学生对相关问题只是知其然，而不知其所以然。如材料成形过程的数字化过程中，如果不知道相关原理，材料的性质发生相应的变化，学生就可能无从下手。
　　2.教师需要不断充电、上课过程中才能做到放矢
　　随着互联网和智能技术的发展，学生通过虚拟实验室进行学习，并且可以获得很多书本上没有涉及的交叉学科的知识。教师作为教学的主导，如果不进行不断地充电，学习交叉学科的知识，就有可能面对学生的问题束手无策，这样会严重影响教师在学生心目中的形象。如材料类专业的老师在掌握好传统的《材料科学与工程导论》《纳米材料与纳米技术》《功能材料》《材料物理》等本专课程同时，也要关注《流体力学》《建筑材料》《结构力学》等相关学科知识的发展，在与学生交流过程中才能做到有的放矢。如果老师对相关知识不是很掌握，不愿意进行交叉学科的研究，老师的科学视野必然受到局限，也将影响虚拟仿真实验的教学效果。
　　参考文献
　　[1]李璐.虚拟仿真实验室应用于初中物理实验教学的理论与实践研究[D].陕西师范大学，2009.
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