金属焊接实验教学虚拟实验室研究论文

　　＂卓越工程师教育培养计划＂（卓越计划）是教育部提出的振兴工程教育的重要举措，旨在培养和造就一大批创新能力强、适应经济和社会发展需要的高质量工程技术人才[１]。中国石油大学（华东）是入围卓越计划的试点高校，学校材料成型及控制工程专业是首批落实卓越计划的试点专业。为了保证卓越计划的顺利实施，材料成型及控制工程专业对主干课程教学大纲及教学内容作了调整，并深化教学改革，精心建设虚拟实验室。本文以金属焊接课程为例，介绍本校在卓越计划背景下虚拟实验室建设及课程改革的探索及实践之路。
　　１金属焊接实验教学面临的挑战
　　金属焊接是材料成型及控制工程专业的一门重要的专业基础课，也是一门实践性很强的课程。该课程以金属材料为研究对象，要求学生掌握冶金理论和石油石化生产领域金属材料的焊接方法、焊接性能以及焊接工艺。按照卓越计划中工程教育对课程的要求，传统的课程实验教学条件将面临很大的挑战[２]：（１）由于高校实验教学设备的数量有限、设备类型单一，无法满足大量学生同时做实验的需要；（２）一些大型金属焊接实验设备投入和维修成本高；（３）实验设备更新较慢，在用的实验设备往往与新技术设备差距较大；（４）部分特殊实验无法实现，如大型球罐焊接、在役管线焊接修复、事故模拟等。实验设备条件的不足成为金属焊接实验教学发展的一大阻力。
　　２虚拟实验室的优势
　　１９８９年，美国弗吉尼亚大学的WilliamWolf教授提出虚拟实验室概念后[３]，引起世界各国实验教学工作者的重视。我国从２０００年开始进行虚拟实验室的研究及建设。目前，依托卓越计划，高校积极建设虚拟实验室[４Ｇ５]，虚拟实验与真实实验相互补充，提高教学效果。虚拟实验室的优势主要有以下４方面。（１）投资少。虚拟实验的教学资源是数字化资源，方便扩充和共享。一方面，它节省了学校采购大型实验设备和更新实验设备的资金投入，有效地解决了教学资源短缺、设备陈旧及更新缓慢等问题[６]；另一方面，虚拟实验室可以通过网络实现资源共享，避免了实验仪器设备的重复购置。此外，虚拟实验室也节省了学生进行自主实验时购买材料的费用。（２）安全性高。当学生进行实际操作实验时，由于操作不当便可能造成人身伤害和财产的损失；而带压管道的在役焊接等一些危险性较大的实验，学生也无法亲自操作。借助虚拟实验室，不但可以对高危险性的实验进行仿真，弥补教学条件的不足，同时可以避免真实的高危险实验中的各种安全问题。（３）实现形象化教学，提高学生实验兴趣。采用虚拟技术构建的虚拟实验室，运用计算机图形、声音和图像创造逼真的实验环境，不受时间和空间的限制。以石油石化行业典型的大型压力容器焊接为例，采用虚拟实验，不但能以三维图形图像和声音将焊前准备、预热及焊接过程逼真地的表现出来，使学生有丰富的感性认识，还能通过模拟不同现场条件下的焊接实验（如球罐环焊缝焊接中的平焊、立焊和仰焊）加深学生对教学内容的`理解。（４）激发学生的创新能力。＂卓越计划＂的一个典型特点是强化培养学生的工程能力和创新能力。其中创新能力的培养在于激发学生的创新思维，提高学习主动性，让学生从知识的接受者转变为知识的探究者[７]。虚拟实验室使实验教学变得极富创造性，学生作为实验主体能够发挥自主创新性。虚拟实验室的开发和设计，是通过预设的实验步骤、语音、按键等引导学生进行实验。学生可以灵活选择实验方案和实验系统，根据实验目的，短时间内更换焊接材料、更改焊接方案、调整焊接工艺参数。虚拟实验引导学生正确地理解实验现象、总结分析实验结果，而不需要消耗太多时间和实验资源；学生在尝试和总结中进行探索、发现事物的本质和规律，有利于扩展思维空间，有助于提高实践创新能力。
　　３实验教学虚实结合的应用
　　３．１虚拟实验室的局限性
　　教学实践证明，虚拟实验室虽能在很大程度上辅助教学，但不能完全取代真实的实验室。这是因为：（１）虚拟实验室的教学模式过于强调学生的自主性，教师的主导作用难以体现，容易偏离教学目标；（２）过多的虚拟实验将导致学生和教师之间的情感联系减少，计算机网络终端成为师生之间面对面交流的障碍，削弱了直接交流的情感教育[８]；（３）虚拟实验室是人为设计的，仿真实验环节、实验操作流程、文字说明及语音提示等皆受控于设计人员，导致实际焊接实验结果的细节化和多样化被掩盖，不利于学生发现实验中的问题和更细致地观察实验现象；（４）更重要的是，虚拟实验允许学生在实验中的出错，对于培养学生认真、谨慎、负责的实验态度是非常不利的。可见，对材料成型及控制工程专业而言，培养学生的动手能力离不开实际操作的训练，创新思想更需要实践的验证[９Ｇ１０]，＂虚实结合＂的教学模式能够做到优势互补。
　　３．２虚实结合的金属焊接实验教学
　　按照卓越计划对＂卓越＂的要求，金属焊接课程应以培养学生的能力为出发点。我校自主研发的金属焊接课程虚拟实验室系统，包含一个虚拟展厅和弧焊电源、焊接设备、焊接工艺和焊接检验等４个实验室[１１Ｇ１２]。在金属焊接实验教学的实施过程中，采用虚实结合的教学模式。以金属焊接中＂插销焊接实验＂为例，通过＂虚拟实验—实际实验操作—强化虚拟实验＂的过程，循序渐进地培养学生的实践技能和创新能力。（１）实验准备。实验前先进行知识准备，通过虚拟实验室系统预习实验过程，了解实验目的。（２）虚拟实验。学生在网络终端进入虚拟实验室，根据文字及语音提示逐步完成实验，虚拟实验室系统可以对虚拟实验的操作错误给予提示和帮助。学生在完成插销的焊接以及加载荷的实验过程中，可进行多次操作练习。实验结束后，学生可以在线提交实验报告，实验教师根据学生的实验结果给予指导，为实际操作做好准备。（３）实际操作实验。学生在虚拟实验的基础上进行实物实验操作，减少了实验过程中时间和材料的浪费。通过直观的观察，学生能够更加深刻地理解插销焊接实验过程及评价氢致延迟裂纹敏感性的意义。（４）强化虚拟实验。通过实际实验操作，学生能够进一步完善焊接方案及焊接工艺，再依靠虚拟实验系统进行实验讨论、创新及改进。尤其是参加大学生创新实验项目的学生，通过＂虚实结合＂的实验模式能够举一反三，对金属焊接课程的理解也再次提升。
　　４结束语
　　虚拟实验室教学平台提供了一个不受时空限制的开放性实验环境，在节省资源、安全性、形象化教学以及提高学生自主性、创新性等方面具有独特的优势，是高校实验教学的重要形式。尤其是在焊接实验中，学生可以在逼真的环境中虚拟完成大型设备的焊接、拆装操作，丰富了金属焊接课程的实验教学内容。随着虚拟仿真技术的发展，虚拟实验室必将在金属焊接课程的实验教学中发挥更加积极的作用。但是，虚拟实验室不可能完全取代真实的实验室，而基于虚拟实验室构建技术和金属焊接实验相结合的虚实结合的实验教学模式代表着先进实验教学的方向，为石油类高校金属焊接课程的实验教学提供了一种崭新的模式。