金屬焊接實驗教學虛擬實驗室研究論文

“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新能力強、適應經濟和社會發展需要的高質量工程技術人才[１]。中國石油大學（華東）是入圍卓越計劃的試點高校，學校材料成型及控制工程專業是首批落實卓越計劃的試點專業。為了保證卓越計劃的順利實施，材料成型及控制工程專業對主幹課程教學大綱及教學內容作了調整，並深化教學改革，精心建設虛擬實驗室。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驗室建設及課程改革的探索及實踐之路。

１金屬焊接實驗教學面臨的挑戰

金屬焊接是材料成型及控制工程專業的一門重要的專業基礎課，也是一門實踐性很強的課程。該課程以金屬材料為研究對象，要求學生掌握冶金理論和石油石化生產領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，傳統的課程實驗教學條件將面臨很大的挑戰[２]：（１）由於高校實驗教學設備的數量有限、設備類型單一，無法滿足大量學生同時做實驗的需要；（２）一些大型金屬焊接實驗設備投入和維修成本高；（３）實驗設備更新較慢，在用的實驗設備往往與新技術設備差距較大；（４）部分特殊實驗無法實現，如大型球罐焊接、在役管線焊接修復、事故模擬等。實驗設備條件的不足成為金屬焊接實驗教學發展的一大阻力。

２虛擬實驗室的優勢

１９８９年，美國弗吉尼亞大學的WilliamWolf教授提出虛擬實驗室概念後[３]，引起世界各國實驗教學工作者的重視。我國從２０００年開始進行虛擬實驗室的研究及建設。目前，依託卓越計劃，高校積極建設虛擬實驗室[４Ｇ５]，虛擬實驗與真實實驗相互補充，提高教學效果。虛擬實驗室的優勢主要有以下４方面。（１）投資少。虛擬實驗的教學資源是數字化資源，方便擴充和共享。一方面，它節省了學校採購大型實驗設備和更新實驗設備的資金投入，有效地解決了教學資源短缺、設備陳舊及更新緩慢等問題[６]；另一方面，虛擬實驗室可以通過網絡實現資源共享，避免了實驗儀器設備的重複購置。此外，虛擬實驗室也節省了學生進行自主實驗時購買材料的費用。（２）安全性高。當學生進行實際操作實驗時，由於操作不當便可能造成人身傷害和財產的損失；而帶壓管道的在役焊接等一些危險性較大的實驗，學生也無法親自操作。藉助虛擬實驗室，不但可以對高危險性的實驗進行仿真，彌補教學條件的不足，同時可以避免真實的高危險實驗中的各種安全問題。（３）實現形象化教學，提高學生實驗興趣。採用虛擬技術構建的虛擬實驗室，運用計算機圖形、聲音和圖像創造逼真的實驗環境，不受時間和空間的限制。以石油石化行業典型的大型壓力容器焊接為例，採用虛擬實驗，不但能以三維圖形圖像和聲音將焊前準備、預熱及焊接過程逼真地的表現出來，使學生有豐富的感性認識，還能通過模擬不同現場條件下的焊接實驗（如球罐環焊縫焊接中的平焊、立焊和仰焊）加深學生對教學內容的理解。（４）激發學生的創新能力。“卓越計劃”的一個典型特點是強化培養學生的工程能力和創新能力。其中創新能力的培養在於激發學生的創新思維，提高學習主動性，讓學生從知識的接受者轉變為知識的探究者[７]。虛擬實驗室使實驗教學變得極富創造性，學生作為實驗主體能夠發揮自主創新性。虛擬實驗室的開發和設計，是通過預設的實驗步驟、語音、按鍵等引導學生進行實驗。學生可以靈活選擇實驗方案和實驗系統，根據實驗目的，短時間內更換焊接材料、更改焊接方案、調整焊接工藝參數。虛擬實驗引導學生正確地理解實驗現象、總結分析實驗結果，而不需要消耗太多時間和實驗資源；學生在嘗試和總結中進行探索、發現事物的本質和規律，有利於擴展思維空間，有助於提高實踐創新能力。

３實驗教學虛實結合的應用

３．１虛擬實驗室的侷限性

教學實踐證明，虛擬實驗室雖能在很大程度上輔助教學，但不能完全取代真實的實驗室。這是因為：（１）虛擬實驗室的教學模式過於強調學生的自主性，教師的主導作用難以體現，容易偏離教學目標；（２）過多的虛擬實驗將導致學生和教師之間的情感聯繫減少，計算機網絡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）虛擬實驗室是人為設計的，仿真實驗環節、實驗操作流程、文字説明及語音提示等皆受控於設計人員，導致實際焊接實驗結果的細節化和多樣化被掩蓋，不利於學生髮現實驗中的問題和更細緻地觀察實驗現象；（４）更重要的是，虛擬實驗允許學生在實驗中的出錯，對於培養學生認真、謹慎、負責的實驗態度是非常不利的。可見，對材料成型及控制工程專業而言，培養學生的動手能力離不開實際操作的訓練，創新思想更需要實踐的驗證[９Ｇ１０]，“虛實結合”的教學模式能夠做到優勢互補。

３．２虛實結合的金屬焊接實驗教學

按照卓越計劃對“卓越”的要求，金屬焊接課程應以培養學生的能力為出發點。我校自主研發的金屬焊接課程虛擬實驗室系統，包含一個虛擬展廳和弧焊電源、焊接設備、焊接工藝和焊接檢驗等４個實驗室[１１Ｇ１２]。在金屬焊接實驗教學的實施過程中，採用虛實結合的教學模式。以金屬焊接中“插銷焊接實驗”為例，通過“虛擬實驗—實際實驗操作—強化虛擬實驗”的過程，循序漸進地培養學生的實踐技能和創新能力。（１）實驗準備。實驗前先進行知識準備，通過虛擬實驗室系統預習實驗過程，瞭解實驗目的。（２）虛擬實驗。學生在網絡終端進入虛擬實驗室，根據文字及語音提示逐步完成實驗，虛擬實驗室系統可以對虛擬實驗的操作錯誤給予提示和幫助。學生在完成插銷的焊接以及加載荷的實驗過程中，可進行多次操作練習。實驗結束後，學生可以在線提交實驗報告，實驗教師根據學生的實驗結果給予指導，為實際操作做好準備。（３）實際操作實驗。學生在虛擬實驗的基礎上進行實物實驗操作，減少了實驗過程中時間和材料的浪費。通過直觀的觀察，學生能夠更加深刻地理解插銷焊接實驗過程及評價氫致延遲裂紋敏感性的意義。（４）強化虛擬實驗。通過實際實驗操作，學生能夠進一步完善焊接方案及焊接工藝，再依靠虛擬實驗系統進行實驗討論、創新及改進。尤其是參加大學生創新實驗項目的學生，通過“虛實結合”的實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

虛擬實驗室教學平台提供了一個不受時空限制的開放性實驗環境，在節省資源、安全性、形象化教學以及提高學生自主性、創新性等方面具有獨特的優勢，是高校實驗教學的重要形式。尤其是在焊接實驗中，學生可以在逼真的環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驗教學內容。隨着虛擬仿真技術的發展，虛擬實驗室必將在金屬焊接課程的實驗教學中發揮更加積極的作用。但是，虛擬實驗室不可能完全取代真實的實驗室，而基於虛擬實驗室構建技術和金屬焊接實驗相結合的虛實結合的實驗教學模式代表着先進實驗教學的方向，為石油類高校金屬焊接課程的實驗教學提供了一種嶄新的模式。