金屬焊接實(shí)驗教學(xué)虛擬實(shí)驗室研究論文
“卓越工程師教育培養計劃”（卓越計劃）是教育部提出的振興工程教育的重要舉措，旨在培養和造就一大批創(chuàng )新能力強、適應經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才[１]。中國石油大學(xué)（華東）是入圍卓越計劃的試點(diǎn)高校，學(xué)校材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)是首批落實(shí)卓越計劃的試點(diǎn)專(zhuān)業(yè)。為了保證卓越計劃的順利實(shí)施，材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)對主干課程教學(xué)大綱及教學(xué)內容作了調整，并深化教學(xué)改革，精心建設虛擬實(shí)驗室。本文以金屬焊接課程為例，介紹本校在卓越計劃背景下虛擬實(shí)驗室建設及課程改革的探索及實(shí)踐之路。
１金屬焊接實(shí)驗教學(xué)面臨的挑戰
金屬焊接是材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎課，也是一門(mén)實(shí)踐性很強的課程。該課程以金屬材料為研究對象，要求學(xué)生掌握冶金理論和石油石化生產(chǎn)領(lǐng)域金屬材料的焊接方法、焊接性能以及焊接工藝。按照卓越計劃中工程教育對課程的要求，傳統的課程實(shí)驗教學(xué)條件將面臨很大的挑戰[２]：（１）由于高校實(shí)驗教學(xué)設備的數量有限、設備類(lèi)型單一，無(wú)法滿(mǎn)足大量學(xué)生同時(shí)做實(shí)驗的需要；（２）一些大型金屬焊接實(shí)驗設備投入和維修成本高；（３）實(shí)驗設備更新較慢，在用的實(shí)驗設備往往與新技術(shù)設備差距較大；（４）部分特殊實(shí)驗無(wú)法實(shí)現，如大型球罐焊接、在役管線(xiàn)焊接修復、事故模擬等。實(shí)驗設備條件的不足成為金屬焊接實(shí)驗教學(xué)發(fā)展的一大阻力。
２虛擬實(shí)驗室的優(yōu)勢
�。保梗福鼓�，美國弗吉尼亞大學(xué)的WilliamWolf教授提出虛擬實(shí)驗室概念后[３]，引起世界各國實(shí)驗教學(xué)工作者的重視。我國從２０００年開(kāi)始進(jìn)行虛擬實(shí)驗室的研究及建設。目前，依托卓越計劃，高校積極建設虛擬實(shí)驗室[４Ｇ５]，虛擬實(shí)驗與真實(shí)實(shí)驗相互補充，提高教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗室的優(yōu)勢主要有以下４方面。（１）投資少。虛擬實(shí)驗的教學(xué)資源是數字化資源，方便擴充和共享。一方面，它節省了學(xué)校采購大型實(shí)驗設備和更新實(shí)驗設備的資金投入，有效地解決了教學(xué)資源短缺、設備陳舊及更新緩慢等問(wèn)題[６]；另一方面，虛擬實(shí)驗室可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現資源共享，避免了實(shí)驗儀器設備的重復購置。此外，虛擬實(shí)驗室也節省了學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)驗時(shí)購買(mǎi)材料的費用。（２）安全性高。當學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作實(shí)驗時(shí)，由于操作不當便可能造成人身傷害和財產(chǎn)的損失；而帶壓管道的在役焊接等一些危險性較大的實(shí)驗，學(xué)生也無(wú)法親自操作。借助虛擬實(shí)驗室，不但可以對高危險性的實(shí)驗進(jìn)行仿真，彌補教學(xué)條件的不足，同時(shí)可以避免真實(shí)的高危險實(shí)驗中的各種安全問(wèn)題。（３）實(shí)現形象化教學(xué)，提高學(xué)生實(shí)驗興趣。采用虛擬技術(shù)構建的虛擬實(shí)驗室，運用計算機圖形、聲音和圖像創(chuàng )造逼真的實(shí)驗環(huán)境，不受時(shí)間和空間的限制。以石油石化行業(yè)典型的大型壓力容器焊接為例，采用虛擬實(shí)驗，不但能以三維圖形圖像和聲音將焊前準備、預熱及焊接過(guò)程逼真地的表現出來(lái)，使學(xué)生有豐富的感性認識，還能通過(guò)模擬不同現場(chǎng)條件下的焊接實(shí)驗（如球罐環(huán)焊縫焊接中的平焊、立焊和仰焊）加深學(xué)生對教學(xué)內容的理解。（４）激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )新能力�！白吭接媱潯钡囊粋�(gè)典型特點(diǎn)是強化培養學(xué)生的工程能力和創(chuàng )新能力。其中創(chuàng )新能力的培養在于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )新思維，提高學(xué)習主動(dòng)性，讓學(xué)生從知識的接受者轉變?yōu)橹R的探究者[７]。虛擬實(shí)驗室使實(shí)驗教學(xué)變得極富創(chuàng )造性，學(xué)生作為實(shí)驗主體能夠發(fā)揮自主創(chuàng )新性。虛擬實(shí)驗室的開(kāi)發(fā)和設計，是通過(guò)預設的實(shí)驗步驟、語(yǔ)音、按鍵等引導學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗。學(xué)生可以靈活選擇實(shí)驗方案和實(shí)驗系統，根據實(shí)驗目的，短時(shí)間內更換焊接材料、更改焊接方案、調整焊接工藝參數。虛擬實(shí)驗引導學(xué)生正確地理解實(shí)驗現象、總結分析實(shí)驗結果，而不需要消耗太多時(shí)間和實(shí)驗資源；學(xué)生在嘗試和總結中進(jìn)行探索、發(fā)現事物的本質(zhì)和規律，有利于擴展思維空間，有助于提高實(shí)踐創(chuàng )新能力。
３實(shí)驗教學(xué)虛實(shí)結合的應用
�。常碧摂M實(shí)驗室的局限性
教學(xué)實(shí)踐證明，虛擬實(shí)驗室雖能在很大程度上輔助教學(xué)，但不能完全取代真實(shí)的實(shí)驗室。這是因為：（１）虛擬實(shí)驗室的教學(xué)模式過(guò)于強調學(xué)生的自主性，教師的主導作用難以體現，容易偏離教學(xué)目標；（２）過(guò)多的虛擬實(shí)驗將導致學(xué)生和教師之間的情感聯(lián)系減少，計算機網(wǎng)絡(luò )終端成為師生之間面對面交流的障礙，削弱了直接交流的情感教育[８]；（３）虛擬實(shí)驗室是人為設計的，仿真實(shí)驗環(huán)節、實(shí)驗操作流程、文字說(shuō)明及語(yǔ)音提示等皆受控于設計人員，導致實(shí)際焊接實(shí)驗結果的細節化和多樣化被掩蓋，不利于學(xué)生發(fā)現實(shí)驗中的問(wèn)題和更細致地觀(guān)察實(shí)驗現象；（４）更重要的'是，虛擬實(shí)驗允許學(xué)生在實(shí)驗中的出錯，對于培養學(xué)生認真、謹慎、負責的實(shí)驗態(tài)度是非常不利的�？梢�(jiàn)，對材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)而言，培養學(xué)生的動(dòng)手能力離不開(kāi)實(shí)際操作的訓練，創(chuàng )新思想更需要實(shí)踐的驗證[９Ｇ１０]，“虛實(shí)結合”的教學(xué)模式能夠做到優(yōu)勢互補。
�。常蔡搶�(shí)結合的金屬焊接實(shí)驗教學(xué)
按照卓越計劃對“卓越”的要求，金屬焊接課程應以培養學(xué)生的能力為出發(fā)點(diǎn)。我校自主研發(fā)的金屬焊接課程虛擬實(shí)驗室系統，包含一個(gè)虛擬展廳和弧焊電源、焊接設備、焊接工藝和焊接檢驗等４個(gè)實(shí)驗室[１１Ｇ１２]。在金屬焊接實(shí)驗教學(xué)的實(shí)施過(guò)程中，采用虛實(shí)結合的教學(xué)模式。以金屬焊接中“插銷(xiāo)焊接實(shí)驗”為例，通過(guò)“虛擬實(shí)驗—實(shí)際實(shí)驗操作—強化虛擬實(shí)驗”的過(guò)程，循序漸進(jìn)地培養學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng )新能力。（１）實(shí)驗準備。實(shí)驗前先進(jìn)行知識準備，通過(guò)虛擬實(shí)驗室系統預習實(shí)驗過(guò)程，了解實(shí)驗目的。（２）虛擬實(shí)驗。學(xué)生在網(wǎng)絡(luò )終端進(jìn)入虛擬實(shí)驗室，根據文字及語(yǔ)音提示逐步完成實(shí)驗，虛擬實(shí)驗室系統可以對虛擬實(shí)驗的操作錯誤給予提示和幫助。學(xué)生在完成插銷(xiāo)的焊接以及加載荷的實(shí)驗過(guò)程中，可進(jìn)行多次操作練習。實(shí)驗結束后，學(xué)生可以在線(xiàn)提交實(shí)驗報告，實(shí)驗教師根據學(xué)生的實(shí)驗結果給予指導，為實(shí)際操作做好準備。（３）實(shí)際操作實(shí)驗。學(xué)生在虛擬實(shí)驗的基礎上進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗操作，減少了實(shí)驗過(guò)程中時(shí)間和材料的浪費。通過(guò)直觀(guān)的觀(guān)察，學(xué)生能夠更加深刻地理解插銷(xiāo)焊接實(shí)驗過(guò)程及評價(jià)氫致延遲裂紋敏感性的意義。（４）強化虛擬實(shí)驗。通過(guò)實(shí)際實(shí)驗操作，學(xué)生能夠進(jìn)一步完善焊接方案及焊接工藝，再依靠虛擬實(shí)驗系統進(jìn)行實(shí)驗討論、創(chuàng )新及改進(jìn)。尤其是參加大學(xué)生創(chuàng )新實(shí)驗項目的學(xué)生，通過(guò)“虛實(shí)結合”的實(shí)驗模式能夠舉一反三，對金屬焊接課程的理解也再次提升。
４結束語(yǔ)
虛擬實(shí)驗室教學(xué)平臺提供了一個(gè)不受時(shí)空限制的開(kāi)放性實(shí)驗環(huán)境，在節省資源、安全性、形象化教學(xué)以及提高學(xué)生自主性、創(chuàng )新性等方面具有獨特的優(yōu)勢，是高校實(shí)驗教學(xué)的重要形式。尤其是在焊接實(shí)驗中，學(xué)生可以在逼真的環(huán)境中虛擬完成大型設備的焊接、拆裝操作，豐富了金屬焊接課程的實(shí)驗教學(xué)內容。隨著(zhù)虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗室必將在金屬焊接課程的實(shí)驗教學(xué)中發(fā)揮更加積極的作用。但是，虛擬實(shí)驗室不可能完全取代真實(shí)的實(shí)驗室，而基于虛擬實(shí)驗室構建技術(shù)和金屬焊接實(shí)驗相結合的虛實(shí)結合的實(shí)驗教學(xué)模式代表著(zhù)先進(jìn)實(shí)驗教學(xué)的方向，為石油類(lèi)高校金屬焊接課程的實(shí)驗教學(xué)提供了一種嶄新的模式。
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