材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)

李亮亮， 趙玉珍， 李正操， 林元華， 潘 偉， 聞星火

(清華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100084)

近年來，國內(nèi)外許多高校根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求，開發(fā)了虛擬仿真實驗項目，建立了虛擬實驗室[1-3]。虛擬實驗室的概念是1989年由美國弗吉尼亞大學(xué)William Wolf提出的，是除理論與實驗之外的第3種設(shè)計手段和形式[4]。實驗者可以模擬真實實驗環(huán)境，完成各種預(yù)定的實驗項目，能夠獲得直觀真實的實驗效果，展現(xiàn)不可視的結(jié)構(gòu)或原理，從而快速響應(yīng)教學(xué)實驗的需求。虛擬實驗具有成本低、效率高、可擴展性強、操作安全、高度開放和資源共享等特點。虛擬仿真實驗教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生自我訓(xùn)練及創(chuàng)新意識，實現(xiàn)實驗教學(xué)中虛實互補，因而成為目前實驗室建設(shè)的一個重要發(fā)展方向[5-7]。

1 建設(shè)內(nèi)容

材料科學(xué)是一門實驗性很強的學(xué)科，實驗教學(xué)是培養(yǎng)材料學(xué)科高素質(zhì)人才的重要實踐性環(huán)節(jié)。其中，某些重要的關(guān)鍵性教學(xué)實驗具有一定的危險性和高消耗、高成本、高污染、極端不可見等特點，特別是對材料在特殊極端環(huán)境中結(jié)構(gòu)和性能的變化時，需利用放射性物質(zhì)進行材料基本結(jié)構(gòu)與性能的檢測，其技術(shù)與手段存在著較大的危險性。對于一些在實驗教學(xué)中涉及高溫、高壓、放射性、易污染、長周期以及高消耗型的實驗，通過虛擬仿真實驗的方式,可以達到接近現(xiàn)場實體實驗的效果，并可無限制、無污染、無浪費、安全高效地重復(fù)操作，節(jié)約教學(xué)資源，實現(xiàn)綠色實驗教學(xué)[8]。清華大學(xué)以國家級先進材料實驗教學(xué)示范中心為依托，整合了多個國家級、省部級重點實驗室的相關(guān)教學(xué)資源，成立了材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心(下稱中心)。中心具備完備的硬件、豐富的軟件和課程資源及師資力量雄厚的教學(xué)團隊。中心擁有專用虛擬仿真教學(xué)實驗室、3D立體顯示平臺、15萬億次/秒計算集群，有ProCast、Anycasting、ANSYS等10多種材料分析和加工的應(yīng)用軟件，以及有自主版權(quán)的鑄造過程模擬軟件(FT-STAR)，并實現(xiàn)了課程和軟件資源共享、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)分析等功能的網(wǎng)絡(luò)資源平臺。中心秉承“開放、共享、綠色”的教學(xué)理念，以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為目的，設(shè)立了從基礎(chǔ)型到綜合型、研究型的虛擬仿真實驗課程體系，開展了高危性、高成本、極端條件下的材料制備、分析及加工的虛擬仿真實驗教學(xué)，建設(shè)了安全可靠、綠色節(jié)約、可視化的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。

1.1 高危實驗的安全可靠虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

材料科學(xué)中的某些實驗涉及放射性內(nèi)容，如在放射性環(huán)境下材料的服役行為特點和性能變化；用放射性元素進行示蹤實驗，顯示材料的擴散、相變和組織形成過程等。這些實驗對學(xué)生理解材料服役行為或組織演變過程非常重要，是學(xué)生掌握專業(yè)理論知識的基礎(chǔ)實驗，然而，這類實驗危險性極高，目前全國各高校已禁止開展此類真實實驗。中心開設(shè)了放射性實驗的計算機虛擬仿真，展現(xiàn)原子擴散、輻照失效等實驗過程。如在“輻照條件下材料表面缺陷的形成”這個實驗中，學(xué)生使用TRIM軟件，采用二體碰撞模型，模擬了表面缺陷形成過程，計算缺陷產(chǎn)生的位置。學(xué)生通過模擬實驗，經(jīng)歷了模型建立、參數(shù)選擇、仿真計算等過程，不僅理解了缺陷的生成機理，還了解了軟件的應(yīng)用。這類虛擬仿真實驗不但能幫助學(xué)生充分理解和掌握專業(yè)理論知識，而且保障了一個安全、可靠的教學(xué)環(huán)境。

1.2 高成本實驗的綠色節(jié)約虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

材料專業(yè)課程中的一些實驗項目需要消耗大量實驗材料。高消耗和重復(fù)性實驗使實驗成本劇增，限制了實驗教學(xué)的發(fā)展。中心采用虛擬仿真實驗方式實現(xiàn)了綠色節(jié)約的實驗教學(xué),例如，在“三維晶體結(jié)構(gòu)”的實驗項目中，學(xué)生采用商業(yè)軟件Materials Studio，在計算機上構(gòu)建各種類型的形態(tài)多變、豐富有趣的晶體結(jié)構(gòu)，如圖1所示的是學(xué)生繪制的具有尖晶石結(jié)構(gòu)的CoAl2O4的原胞。這種方法相對球棒實物模型搭建晶體結(jié)構(gòu)或者采用金屬框架組建多元相圖的傳統(tǒng)教學(xué)方式，更能吸引學(xué)生快速掌握知識點。再如，在“材料加工”、“工藝過程仿真”等課程中，利用FT-STAR軟件讓學(xué)生掌握“鑄件成型過程”。學(xué)生通過對軟件的學(xué)習(xí)和模型參數(shù)的選擇，深刻地理解了傳熱過程、充型流動、應(yīng)力應(yīng)變、微觀組織、缺陷形成等重要知識點，能夠通過模擬計算得出優(yōu)化的工藝參數(shù)，制備出合格的成型工件，大大降低了制備工件的成本，節(jié)約了資源和能源。圖2為罩蓋壓鑄充型的虛擬仿真結(jié)果[4]。

圖1 具有尖晶石結(jié)構(gòu)的CoAl2O4原胞

圖2 罩蓋壓鑄充型的仿真結(jié)果

1.3 極端條件下實驗的可視化虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

某些材料的制備和加工過程具有尺度極小、溫度極高、能量密度極大等特點，真實的實驗很難捕捉到這些極端條件下的材料特征及行為，因此虛擬仿真成為必需的可視化手段。例如在“高分子自組裝過程”實驗中，采用分子動力學(xué)模擬，演示自組裝過程，從而學(xué)生很容易理解分子或原子的運動，掌握其運動規(guī)律；在“金屬凝固過程”、“外加移動熱源條件下的溫度場”等實驗中采用虛擬仿真的可視化手段，使學(xué)生能夠快速理解各種極端條件下的實驗過程和現(xiàn)象。中心還應(yīng)用了NeoFound 3D系統(tǒng)，可以3D立體顯示工件及其模擬結(jié)果，明確區(qū)分交錯層疊結(jié)構(gòu)的空間位置和層次空間。該系統(tǒng)立體效果好，能夠讓學(xué)生快速了解顯示對象的空間形狀、模擬仿真結(jié)果及缺陷位置，還可以動畫演示模擬結(jié)果，供上百人同時觀看。

圖3 單機版的3D立體顯示

圖4 會議版的3D立體顯示

為進一步發(fā)展虛擬仿真實驗教學(xué)，中心還將結(jié)合最新材料科研進展和工程應(yīng)用，發(fā)揮科研轉(zhuǎn)化教學(xué)的優(yōu)勢，每年增設(shè)創(chuàng)新型、前沿性虛擬仿真實驗項目，如3D打印設(shè)計仿真、納米碳材料的導(dǎo)熱性質(zhì)分析等，進一步完善虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容，開闊學(xué)生眼界和思路，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

2 教學(xué)特色

清華大學(xué)材料學(xué)科具有國際一流的研究水平和綜合實力，在ESI學(xué)科競爭力排行榜中位居全球的前4%。在2012年一級學(xué)科評估中，排名全國第一。2011年，湯姆·路透致函清華大學(xué)，祝賀清華大學(xué)材料科學(xué)學(xué)科進入世界科研機構(gòu)前20強。在ISI的3個評價指標(biāo)中，材料科學(xué)有2個指標(biāo)進入世界前10強。中心以國際一流的科研項目和雄厚的學(xué)科優(yōu)勢為依托，形成中心建設(shè)與科研、特色學(xué)科發(fā)展相長的虛實結(jié)合相互補充的實驗教學(xué)特色。

2.1 以國際一流的科研項目為依托，“科教結(jié)合”，使科研條件轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)資源，使科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)項目

中心整合了新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點實驗室、環(huán)境污染與模擬聯(lián)合國家重點實驗室、先進材料教育部重點實驗室、先進成形制造教育部重點實驗室等多個國家級、省部級重點實驗室的相關(guān)教學(xué)資源，以及依托中心教師強勢的科研能力，承擔(dān)了多項國家科技重大專項和“973”、“863”、國家自然科學(xué)基金等項目，并取得了一批創(chuàng)新性成果，其中10多項獲得國家自然科學(xué)獎、國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎和國家科學(xué)技術(shù)進步獎等。在實驗前沿探究課和綜合性實驗教學(xué)中，及時將這些前沿科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)項目。在實驗內(nèi)容上，中心不斷引進現(xiàn)代材料科學(xué)與工程成熟的前沿實驗技術(shù)，如EBSD技術(shù)、X射線衍射、透射電子顯微分析等。中心還鼓勵學(xué)生參加課外科研活動，支持學(xué)生自主立項、申請SRT、挑戰(zhàn)杯、種子基金等。在這些課外科研活動中，中心積極為學(xué)生提供儀器設(shè)備、試劑、實驗場所與技術(shù)指導(dǎo)。

2.2 以材料學(xué)科優(yōu)勢為基礎(chǔ)，以合作企業(yè)為后盾的“虛實結(jié)合”的實驗實踐教學(xué)

中心雄厚的學(xué)科優(yōu)勢，吸引了許多企業(yè)參與中心建設(shè)，中心合理利用合作企業(yè)的資源優(yōu)勢，發(fā)展了“虛實結(jié)合”的實驗實踐教學(xué)方式，實現(xiàn)了中心與企業(yè)共同建設(shè)的良好模式。中心與東莞新科、佛山陶瓷、唐山陶瓷、北京航空材料研究院，中國工程物理研究院、巨科鋁業(yè)、首鋼等50余個知名企業(yè)、研究院所簽署合作協(xié)議，建立了學(xué)生實習(xí)或?qū)嵺`基地，開設(shè)了各類仿真實驗項目，聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生。當(dāng)學(xué)生在這些實習(xí)、實踐基地學(xué)習(xí)時，他們利用在學(xué)校里掌握的虛擬仿真知識，與生產(chǎn)實際相結(jié)合，能更好地掌握專業(yè)知識，有的學(xué)生甚至幫助企業(yè)提高生產(chǎn)力。這種“虛實結(jié)合”的實驗實踐教學(xué)方式更有利于提高學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力。

3 卓越的師資隊伍

中心從結(jié)構(gòu)、層次、數(shù)量、學(xué)科分布等方面入手，規(guī)劃和建設(shè)了一支高水平實驗教學(xué)團隊。中心教學(xué)隊伍由主講教師、實驗技術(shù)人員和博士生助教3類人員組成。

主講教師是活躍在教學(xué)、科研一線的骨干教授、副教授，負(fù)責(zé)實驗課程的設(shè)計與教學(xué)。主講教師中有多名科學(xué)院和工程院院士、“千人計劃”人員等優(yōu)秀教師。他們承擔(dān)了國家科技重大專項和“973”、“863”、國家自然科學(xué)基金等項目，具備堅實的理論基礎(chǔ)和豐富科研與實踐經(jīng)驗，熟悉學(xué)科發(fā)展方向，能夠推動實驗課程教學(xué)內(nèi)容的改革與更新，促進教學(xué)與科研結(jié)合。

實驗技術(shù)人員負(fù)責(zé)實驗課程的準(zhǔn)備與輔導(dǎo)，并進行實驗室建設(shè)與管理。中心本著發(fā)展、提高的原則，采取多種形式提高實驗技術(shù)人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)，如參加學(xué)術(shù)會議、參與相關(guān)課題組組會交流等，并設(shè)立實驗室基金，鼓勵他們進行實驗教學(xué)或新實驗設(shè)計的研究，提高創(chuàng)新能力，以期建設(shè)教育理念先進、研究能力強、教學(xué)與管理經(jīng)驗豐富的實驗技術(shù)人員隊伍。

博士生助教由相關(guān)專業(yè)在讀博士生組成，經(jīng)人事處聘任。助教博士生經(jīng)過學(xué)校崗前培訓(xùn)和主講教師負(fù)責(zé)的業(yè)務(wù)培訓(xùn)合格后上崗，協(xié)助主講教師負(fù)責(zé)某一課程的實驗教學(xué)、輔導(dǎo)與考核。博士生來自科研工作的第一線，研究課題各不相同，為豐富和改革教學(xué)實驗內(nèi)容提供了良好的條件，可以開闊設(shè)計教學(xué)實驗的思路，并容易與學(xué)生交流反饋，發(fā)揮橋梁紐帶的作用。

4 結(jié)束語

材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心開設(shè)虛擬仿真相關(guān)實驗課程約30門，面向全校工科專業(yè)，年實驗教學(xué)工作量約30 000人時。中心擁有豐富的教學(xué)資源和卓越的教學(xué)團隊，形成了一套高效管理方法和實驗教學(xué)運行機制，在精品課程建設(shè)、師資隊伍建設(shè)、實驗教學(xué)特色、實驗教學(xué)成果和效果、實踐基地建設(shè)等方面取得了豐碩的成果，得到了校內(nèi)外專家的好評。中心將進一步緊密依靠清華大學(xué)材料學(xué)科的優(yōu)勢，整合清華大學(xué)材料學(xué)科優(yōu)秀科研成果及材料產(chǎn)業(yè)的優(yōu)質(zhì)資源，將材料科學(xué)與工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)成為培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型材料科學(xué)人才的重要平臺。

[1] 教育部高教司.關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z].教育部高教司函[2013]94號.

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