思维可视理念下《材料科学基础》的改革实践*

冀盛亚，徐 珂, 郑先锋, 王卫东

(河南工学院, 河南 新乡 453003)

1 《材料科学基础》课程的重要性及其特点

《材料科学基础》这门课程是根据1996年12月全国高校材料工程类专业指导委员会会议精神，为了培养跨世纪人才及国家专业调整与改革而设置的[1]。该课程全面系统地阐述了金属材料的基本理论，并以此为基础，将复合材料、无机非金属材料、高分子材料的相关基础理论融合在一起，实现了学科之间的相互交叉和知识点之间的相互渗透。该课程遵循熟悉材料个性、把握材料共性的学习渐进规律。通过学习材料的成分-工艺-组织-性能之间的相互关系及制约规律，使学生树立工艺决定组织并最终得到使用性能的基本理念。

该课程是材料类专业本科学生必修的一门重要的专业基础课程，也是该专业硕士研究生入学考试的专业课程[1]，在该专业的教学环节中发挥着承上启下的作用。该课程不但要求学生能够熟练掌握材料的各种基本理论，以便为相关的后续专业课程打下良好的理论基础，还要求学生能逐步掌握探索未知领域，分析和解决问题的能力。

该课程具有“四多”的特点。首先，课程原理规律多(涉及原理规律几十个)，概念定义多，理论性过强导致教学内容抽象、繁杂而难于理解和掌握。传统教学形式单一，手段陈旧，脱离不开具体的概念术语，不利于学生去理解并掌握那些晦涩难懂的基础理论，不利于培养学生宏观的空间思维想象能力。此外，该特点也在一定程度上降低了学生学习的积极性，被动的学习状态严重制约了课堂教学效果，成为困扰该课程教学任务圆满完成的因素之一。

其次，课程涵盖信息广，知识点繁多(晶体结构与缺陷、合金相图、扩散与凝固、回复与再结晶、强化与韧化、复合材料、无机非金属材料、高分子材料等)，知识点之间的相互关联多。传统教学不能实时化地演示知识点之间的交叉与渗透, 课堂信息容量小，不利于学生的融会贯通，不利于调动学生的积极性，严重制约了学生的主动性与创造性，已不能满足信息化时代教育教学的发展趋向。如何在有限的课时内实现学生系统化融合相关理论知识，以便为后续专业课程打下良好的理论基础，成为这门课程教学改革的首要任务。

2 VR与教育融合发展的优势及现状

近年来，VR(Virtual Reality)技术及设备趋于成熟，具备大范围推广的基础。国内外已有大量VR技术与学科相融合的教学系统及平台、经验和案例可以借鉴[2-6]。由于VR技术在交互性、存在性、多感知性等方面的优秀品质[2-6]，其作为一种新的教学手段越来越被各个高等学校的学科部门所重视，其思维可视化的教学理念已得到众多学者的青睐。目前，国内各高校VR技术在材料工程学科的开发和应用已取得一定的成绩，但各个高校的VR虚拟平台之间相对独立，且以实验教学为主，缺乏对材料科学某一课程的系统开发[7-10]。

基于VR的思维可视化理念下《材料科学基础》课程的开发和应用，不仅能引发学习者的探究欲望,培养其观察思考问题、分析问题、解决问题的能力，还能为培养高层次应用型人才目标的实现闯出一条新路。

3 基于VR的思维可视化理念下《材料科学基础》课程的教学改革

如何采用先进教学手段和教学理念来充实和完善现有的基础理论课程是摆在每一个高等教育工作者前面的迫切任务。

从教学效果角度讲，可视化的教学内容，有利于学生去理解并掌握那些抽象又晦涩的基础理论。情境化的教学环境具有较强的带入效果，调动了学生主动参与的积极性，有利于培养学生宏观的空间思维想象能力，提高课堂教学效果。同时，VR技术支持下的《材料科学基础》课程以学生为中心，强调学生的个性化与主动性，引发了学生的探究欲望，培养了学生独立观察、思考和解决问题的能力。而课程的开放性也为学生学习时间、学习地点的随机性和学习内容的可重复性提供了保证。

从教学资源利用效率角度讲，在网络环境下，VR技术支持下的《材料科学基础》课程的开发可以有效地整合图书信息资源、教学资源、科研服务资源，实现资源共享和最大化的使用，因此，VR技术支持下的《材料科学基础》课程的开发和应用是十分必要的。

《材料科学基础》课程VR教学系统的构建包括四个主要环节：

(1)VR技术软硬件系统的设计与搭建

一套完整的VR教学系统主要由VR系统开发软件、高性能计算机和输入输出设备组成。VR系统开发软件承担着运用3D技术构建虚拟三维图形场景和应用功能的二次开发。高性能计算机负责相应数据的接受、处理、生成虚拟的教学环境及人与虚拟教学环境的交互功能。输入输出设备主要包括动作捕捉、手势及语音识别并反馈的交互设备，是实现学习者交互、沉浸感的重要技术设备。

(2)坚持工学结合，以工程实际应用为导向优选教学内容

教材是课程教学内容的载体。自该课程设立以来，各个高等院校依据自身的办学环境、人才优势、文化优势、学科特色及人才培养总体目标，陆续编写出版了不同版本的《材料科学基础》课程教材。据统计，目前已出版《材料科学基础》命名的教材已达到20余种，而突出不同专业方向的材科类教材(高分子材料科学基础、无机非金属材料科学基础、纳米结构材料科学基础、无机材料科学基础)更是层出不穷[1]。

图1 课程开发的技术路线

按照“对接产业、突出重点、打造特色、形成品牌”的学科建设思路，参照工程实际应用标准，优化教学大纲，选取教学内容。同时，关注不同专业的需求和差异，筛选教学重点、优化教学资源、构建新的内容体系。此外，兼顾增加综合设计型教学内容，让学生自己选题,拟订方案，设计虚拟材料类型，通过已学习的相关材料科学的基本理论预判材料的性能及可能的适用范围。自行运用软件界面, 在虚拟检测仪器上检测所设计材料的性能，在对应微观组织数据库观察材料的组织，指明虚拟材料相应性能缺陷的具体组织原因并说明合理的增强方法。这种对虚拟材料的自我预判、分析和增性研究不仅能培养学生的创新能力，实现学生在学习的实践中学会学习，培养其终身学习意识，也能架构学生与专业接轨的桥梁。

(3)教学内容模块三维动画数据库的建设

使用FLASH或3DMAX创建晶体结构、合金相结构、晶体缺陷(位错、亚晶界、晶界)及位错运动等相关概念、原理、工艺的三维动画数据库，以便更加形象生动地展示。建立材料微观组织数据库、材料性能数据库、材料分析测试国家标准数据库，并实现数据库间虚拟仿真的动态交互。

(4)新型教学模式的探索与构建

分别开发学习及管理模块、在线答疑模块、成绩考核模块及教学效果评价模块。改变教学模式，实现以“教师为中心的单一传授型”向以“学生为中心的行为引导型”转变。以学生为中心，设计学生的知识、能力、素质结构和培养方案。学生通过学习模块下的用户界面进入已建立的虚拟仿真的教学环境中，沉浸其中，通过多种感官来感觉和认知相关知识，自主的学习、观察和分析。并可通过与VR所营造的虚拟环境互动，实现思维的拓展与发散。强调教师只是教学活动的“组织者”、问题的“发现者”和知识的“中介者”，实现教师的“协调”、“激发”、“合作”、“监控”和“评价”作用。教师通过管理模块来引导学生的学习内容，通过在线答疑模块实时解答学生的问题，并将知识点之间的相互关联、交叉与渗透实时化地演示出来，以提高学生对相关理论知识的融合贯通。教师由知识的传输者向学生自主学习能力的培养和引导者转变，实现教学理念的更新。开发教学效果评价模块，实时收集师生对教学效果的评价、反馈，分析VR虚拟教学系统在《材料科学基础》课程的作用与不足，以便对应用功能进行二次开发。

综上所述，基于VR的思维可视化理念下《材料科学基础》课程的教学改革，应贯彻以应用为目标，以掌握概念、强化能力为教学重点。从课程内容体系的优化与整合、新的教学方法和手段的探索与构建、新的教学理念的贯彻与实施、课堂设计与教学、创新能力的交叉与融合、教师职能与教学效果的评估与反馈等方面进行创新，以期实现教师、学生、学习资源、交互机制、管理和评价机制等在内的教学要素的良性循环系统，提高课堂的教学质量与效果。

4 结 语

将VR技术引入教学实践，通过虚拟仿真的教学环境演示知识点之间的相互关联，实现教材课程的交叉化、立体化，以增强学生对基础理论课程学习的兴趣性和主动性。而这种实践又架构了一种全新的教学课程体系。VR技术在教育教学的应用与普及将成为未来高等教育发展的必然趋势，其思维可视化的教学理念也为相关基础理论课程的开发和建设带来一次实现跨越式发展的机遇。