于美燕 张玥 陈守刚

[摘 要] “材料研究方法与测试技术”是材料科学与工程专业的核心课程，其教学内容理论性强，晦涩难懂，且实践教学匮乏，使得学生的学习积极性不高，教学效果不理想，导致课程目标与毕业能力要求的达成度存在差距。通过对虚拟仿真技术与传统理论教学相融合的教学模式进行探讨，结果表明，新教学模式极大地调动了学生的学习热情，在促进学生对理论知识掌握的同时，提高了学生的动手能力，也激发了学生对科研和创新的兴趣，为培养创新型、应用型、复合型人才打下坚实基础。

[关键词] 虚拟仿真;材料科学;复合型人才

[基金项目] 2019年度中国海洋大学本科教育教学研究项目“材料研究方法与测试技术传统教学和虚拟仿真教学相融合的探讨”（2019JY58）

[作者简介] 于美燕（1975—），女，山东潍坊人，博士，中国海洋大学材料科学与工程学院副教授，主要从事功能陶瓷材料及海洋防污材料研究;张 玥（1972—），女，黑龙江哈尔滨人，博士，中国海洋大学材料科学与工程学院副院长，教授，主要从事纳米复合材料及聚合物基复合材料研究;陈守刚（1974—），男，山东临沂人，博士，中国海洋大学材料科学与工程学院副院长，教授，主要从事海洋防污防腐材料及微生物腐蚀与防护研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）07-0169-04    [收稿日期] 2020-08-24

随着信息技术的发展，推进信息技术与教学相融合，利用信息技术提供的优质教育资源，探索建立以学生为中心的教学新模式，成为培养基础厚、素质高的创新型人才，具有较强实践能力的应用型人才和具有国际视野、能参与国际竞争的复合型人才所必需的。“材料研究方法与测试技术”是材料科学与工程本科专业的核心课程，在整个材料学知识体系中起着举足轻重的作用。本课程主要介绍了现代材料研究分析与测试技术的相关基础理论知识，包括X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射電子显微镜（TEM）、电子能谱分析（AES、XPS、STM）、电子衍射（ED、LEED）、热分析（TG、DTA、DSC）、有机波谱分析（UV、IR、NMR）等测试技术的基本原理、仪器构造、工作原理、谱图数据分析及其在材料科学中的应用。该课程的目标是在掌握基础理论和实验技能的基础上，具备收集、分析、判断、选择国内外相关技术信息的能力和解决复杂工程问题的能力。因此，改革现有的传统教学模式，使理论教学与实践教学相融合，是对“材料研究方法与测试技术”课程教学改革的首要任务[1-3]。本文分析了“材料研究方法与测试技术”课程教学中存在的问题，探索了虚拟仿真技术在该课程教学中的应用。在虚拟仿真教学的辅助下，理论教学效果达到了教学要求和教学目标，学生的综合能力也更好地达到了毕业要求。

一、“材料研究方法与测试技术”教学中存在的问题

“材料研究方法与测试技术”涵盖了材料学科及与它相关的许多分支学科、边缘学科和交叉学科的基本理论与技术，因此，课程内容具有知识面覆盖广、理论性强、枯燥抽象等突出特点。同时，“材料研究方法与测试技术”是一门理论与实践相结合的课程。该课程实践性很强，它要求在理解、掌握理论知识的基础上，培养学生应用这些测试技术解决实际问题的能力。然而，由于目前对于实验室建设经费的投入并不能完全满足教学需要，尤其是实验中的中、大型实验仪器设备价值昂贵，使用和维护成本较高，对操作技术要求很高，同时设备数目难以满足每一名学生的动手操作需求，学生在实验课堂上的参与感不强，在一定程度上制约了学生创新能力和实践应用能力的培养。

针对教师“讲到底，满堂灌”的传统教学模式，在教学方法上进行了相应的改革，如授课过程中加入了动画教学、视频教学和模型教学等，这些教学手段的加入，在一定程度上引起了学生的学习兴趣，改善了课堂教学效果。但是，在经历过几个教学周期后，对教学目标的达成度进行了统计分析（见图1），结果发现不管动画、视频还是模型教学的加入，只是在课堂上短暂地调动了学生的听课积极性，而那些枯燥抽象的工作原理和复杂烦琐的精密仪器结构对学生来说依旧晦涩难懂，难以掌握;同时，由于缺乏实践教学，学生对所学知识的理解仍然浮于表面，没有达到理论与实践的真正融合，无法培养学生的动手能力和应用能力，使得学生对所学知识的“可用性”仍然存在疑问，渐渐丧失了对该课程学习的积极性和信心，无法达到既定的教学目标和要求。

综上所述，“材料研究方法与测试技术”教学过程中存在着基础知识理论性强、实践教学缺乏等弊端，使得学生对该课程的学习兴趣不高，缺乏主动性和创造性。为了适应新时代创新型人才发展的需求，提高学生的动手能力和操作能力，就需要开发一种新的教学模式，让学生在掌握理论知识的基础上，培养他们的科研创新能力，把虚拟仿真技术融合到“材料研究方法与测试技术”的教学过程中恰好满足这一要求[4]。

二、虚拟仿真技术在“材料研究方法与测试技术”教学中的应用

“材料研究方法与测试技术”是一门理论与实践并重的课程，实践性很强，课程教学中存在的问题，各个高校都不同程度地存在，也都在通过探索不同的方法以期解决。一般情况下，都是开设实验课，探讨和研究实验教学辅助理论教学，但是实验教学的效果不很理想。根据对相关仪器分析课程的调研发现，应用虚拟仿真技术是解决这一教学难题的有效办法[5-8]。

（一）作为理论教学辅助手段，促进学生巩固和拓宽课堂所学理论知识

在计算机上建立与真实仪器设备完全相同的虚拟仿真系统进行教学，学生通过操作虚拟仿真仪器设备，可以获得与操作真实仪器设备一样的丰富经验，比传统多媒体教学更加灵活，与学生的互动性更强，可以提供形象直观、内容丰富、生动逼真的学习环境和实验内容。教师可以把枯燥的理论知识和复杂的操作流程用动态虚拟的形式形象直观地展现给学生，促进学生感性地理解课堂教学理论，促进学生对仪器设备的熟悉和原理的理解，激发学生兴趣，调动其学习积极性。将虚拟仿真技术教学与传统的理论教学模式相结合，相辅相成，有利于提高“材料研究方法与测试技术”课程的教学质量和教学效果。

（二）促進理论与实践一体化教学，训练学生运用理论知识的能力

“材料研究方法与测试技术”作为一门材料科学与工程专业的核心课程，更注重于对学生实际应用能力的培养，但是，该课程涉及的大型仪器设备受到资金或场地的影响，很难达到该课程的教学目的。虚拟仿真教学克服了学生只能看、不能动手操作的不足，可以使每个学生都能利用仿真系统进行模拟操作，复习掌握学习内容，形象理解理论知识，使理论知识与实际操作有机结合，在训练学生灵活运用理论知识的同时，提高了学生的实际应用能力。

（三）补充实验教学模式，培养学生的动手能力、创新能力

利用虚拟仿真技术可以模拟实验过程，从而对现有实验教学模式进行补充，进而提高学生的工程创新能力。模拟仿真实验中，学生根据实验要求，灵活地设计实验方案，以各种形式输出结果并实时分析，培养学生的动手能力，满足实践应用的需求，有利于调动学生学习的主动性和积极性，提高学生实践能力和创新能力。对虚拟仿真技术教学方法的教学目标达成度进行了统计分析（见图2），结果发现虚拟仿真教学模式的加入，使得学生在掌握理论知识的基础上，更加生动地掌握了基本实验技能，具备了分析测试能力和解决实际工程问题的能力，达到了课程学习的毕业要求。

（四）教学方式灵活，安全性高，便于学生学习

虚拟仿真实验是建立在网络基础上，不受时间、空间和实验次数的限制，学生可以随时随地多次访问操作，如果操作不对，可重复操作演练，从而不断强化实验知识。而且，学生在仿真实验中不必担心由于操作失误而引起人身伤害和设备损害，可以大胆、独立地进行学习和练习，锻炼他们解决问题和分析问题的能力。

（五）减少教学支出，减轻学校负担

虚拟仿真教学投资较少，仿真系统可以通过网络在不同的计算机上运行，因此，学生在校园内任何一台计算机上都可完成相关仪器操作和实验内容，无维护费用。另外，学生利用仿真软件进行模拟练习后，再到真实仪器上操作，大大减少了失误，降低了对药品的浪费和对仪器的损坏，从而降低了教学成本。

三、结语

本文探讨了虚拟仿真技术在“材料研究方法与测试技术”理论教学中的应用。虚拟仿真教学与传统理论教学相结合，促进了学生对抽象理论知识的理解和掌握，训练了学生对课堂知识的灵活运用，提高了学生的动手能力和创新能力，最大限度地激发了学生的学习兴趣，提高了“材料研究方法与测试技术”的课堂教学效果和教学质量，达到了专业人才培养方案所要求的教学效果与教学目标，学生的综合能力得到大幅度提高，更好地达到了毕业要求。

参考文献

[1]胡忠良，刘伟建，梁耀华，等.“现代材料分析与测试技术”教学改革与实践[J].教育教学论坛，2016（24）：159-160.

[2]于翔，王延伟.材料研究方法与测试技术教学改革初探[J].课程教育研究，2012（11）：252-252.

[3]郑晓辉，谭俊，赵军军，等.“材料分析技术”实验教学的改革与探索[J].西南师范大学学报（自然科学版），2016（7）：185-188.

[4]周标，朱亚东，缪强，等.大型分析仪器的虚拟实验[J].计算机与应用化学，2003（3）：348-350.

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[7]白云霞，刘新亮.虚拟仿真技术在“现代仪器分析”实验教学中的应用[J].轻工科技，2019（4）：152-153.

[8]杨南粤.虚拟实验培养创新型人才的探索实践[J].教育技术，2014（8）：162-165.

Application of Virtual Simulation in the Course of Materials Research Methods and Testing Technology

YU Mei-yan， ZHANG Yue， CHEN Shou-gang

（School of Materials Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao， Shandong 266000， China）

Abstract： Materials Research Methods and Testing Technology is the core course of material science and engineering major. The content of this course is theoretical， obscure and difficult to understand， and the practice teaching is insufficient， which makes students learning enthusiasm is not high and the teaching effect is not ideal， so there is a gap between the achievement of course objectives and the graduation ability requirements. This paper discusses the new teaching model which combines the virtual simulation and traditional theory teaching method. The results show that the new teaching model has greatly aroused students enthusiasm for learning， promoted students mastery of theoretical knowledge， improved students practical ability， and stimulated students interest in scientific research and innovation， which lays a solid foundation for the cultivation of innovative， applied and compound talents.

Key words： virtual simulation; materials science; compound talents