材料類專業虛擬仿真實驗教學中心的建設與實踐

盧艷麗， 董文強， 王永欣， 姚西媛， 李 江

(西北工業大學 材料學院，西安 710072)

0 引 言

隨著我國實現從“制造大國”向“制造強國”的轉變，國防軍工領域對先進材料、航空先進智能制造以及定制的特種材料的需求日益增多，從材料的制備到智能制造、從微觀的原理到宏觀的工程應用，如何在材料類專業的學生中更好地培養人才、更好地為國防軍工做出貢獻是人才培養工作中的重中之重。虛擬仿真實驗教學中心的建設，也是基于為國防軍工領域培養一大批具有動手實踐能力的學生，為國家戰略需求培養高端創新人才這一目標而進行建設。

近年來，國內外許多高校根據自身科研和教學的需求，開發了虛擬仿真實驗項目，建立了虛擬實驗室[1-3],根據教育部有關文件[4-6],借鑒其他院校的經驗[7-10]，材料實驗教學中心堅持以創新能力培養為核心，整合優化課程資源，理論實踐互補，虛擬現實并重，構建完整的實驗教學體系，2012年獲批國家級材料實驗教學示范中心，2017年獲批陜西省虛擬仿真實驗教學中心，形成了具有較強的應用和示范作用的宇航材料虛擬仿真實驗教學平臺，并且通過虛擬實驗教學嘗試，提供了學生在信息化、大數據時代和國際化辦學的大背景下熟練掌握及全面運用計算機虛擬仿真技術進行設計優化和創新應用的專業基礎和綜合能力，取得了較為顯著的實驗教學效果。

1 建設的必要性

實踐教學是培養具有創新意識的高素質工程技術人員的重要環節，是理論聯系實際、激發學生探索欲望、培養學生掌握科學方法和提高動手能力的必要途徑[11-13]。材料科學與工程是實踐性較強的工程應用型學科[14]，由于學科本身的特點，在實踐教學過程中存在著一些普遍性問題，尤其是針對航空航天用材料在高溫、高壓、高速、高輻射、高危險等極端條件下使用的特點，多數材料在制備或者成形過程中需要經歷高溫、高壓環境處理，且在制備過程中經常使用到劇毒的高危實驗原料，上述極端環境下的實驗教學難以進行，如有些實驗如材料的疲勞、高溫持久、蠕變、鹽霧服役等實驗周期長、設備投入復雜、實驗成本比較高，難以進行真實的實驗教學；有些實驗由于器件成形后將部分實驗特征隱藏在器件內部，無法通過觀測來展示實驗特征，如電阻點焊熔核偏移的形成與工藝等。另外，涉及到大量微觀尺度的實驗教學，需要從量子、原子核、原子、分子等微觀粒子的層次出發，難以利用常規的實驗教學手段來進行觀察等。對于一些大型或綜合性訓練實驗，受設備臺套數的限制，無法滿足每個學生都可以動手操作等。這類無法為學生演示或者難以直接通過實驗手段觀測的項目，都需要借助虛擬仿真實驗教學平臺，協助學生完成系統訓練，提高實驗內容的認知度，提升本科生實驗教學的質量。

材料科學與工程專業技術領域內，本科實驗教學過程中已經大量使用商業或聯合開發了具有專業特色的仿真技術軟件，其應用已成為專業能力培養不可缺少的環節。專業仿真軟件種類繁多、精度高、人機交互界面友好，仿真直觀性好，如ANYSYS、FLUENT、DEFORM、FilmsCAD等，需要讓學生掌握專業設計仿真軟件掌握虛擬仿真技術的應用，從而完成對專業能力培養要求。為此，在材料科學與工程類專業教學中很重要的一類是在教學中讓學生掌握專業設計仿真軟件的使用方法，在虛擬仿真環境中完成制定實驗方案的制定、結果分析等任務。

在材料的相關實驗教學中采用新興的仿真模擬手段是非常重要和必要的[15-18]，不但可以完成真實實驗中無法向學生開放的高危險、高成本性實驗，而且通過虛擬仿真實驗與真實實驗相互結合與輔助，讓學生既可以通過虛擬仿真教學資源進行實驗預習，了解實驗儀器、原理方法和實驗內容等，也可以自行制定實驗方案，然后再進行實際實驗操作，這樣可以大大提高學生的學習興趣和預知度，提高學習效果；同時，也可以讓學生先完成實驗內容以后，再進行虛擬仿真實驗，這樣可以復習和進一步掌握實驗內容中所涉及的學習知識點，提高實驗內容的認知度，有效提高實驗教學水平和學生整體專業素質。

2 建設內容

虛擬仿真實驗教學主要面向材料科學與工程、材料成形及控制工程、復合材料與工程專業、機械設計制造、飛行器設計工程、飛行器動力工程、飛行器制造工程和熱能動力工程等10大類專業的本科生38門專業基礎課及專業課，航空宇航專業等相關課程，為理論課和實驗教學提供實驗支撐。虛擬仿真實驗教學體系包括3個層次(材料基礎課程虛擬仿真教學、材料專業課程虛擬仿真教學、創新研究虛擬仿真)，7大方向(金屬材料、無機非金屬材料、復合材料、納米材料、凝固、塑性成形及焊接)，5大模塊(材料設計、材料制備、成形加工、材料器件、材料應用)。

3個層次的虛擬仿真課程與實踐項目貫穿材料相關專業二到四年級。第1層次的材料基礎課程包含材料科學基礎、材料熱力學等、材料的力學性能、材料物理性能等，主要針對二、三年級學生，通過虛擬仿真手段實現原理和技術的直觀呈現，提高授課的直觀性和新穎性。第2層次的材料專業課程包含塑性成形、材料成形模具、焊接等方面，通過將虛擬仿真手段融入課程教學及開展大量課程實驗的方式，充分發揮虛擬仿真技術的功能，彌補專業實物實驗不足。第3層次的創新研究訓練，包括金屬3D打印、鋰離子及太陽能電池等多個方面，通過虛實結合、多人協作的綜合虛擬仿真項目結合綜合課程設計、畢業設計和課外科研競賽的需要，實現材料專業知識的綜合應用，培養具有工程應用和創新研究能力的高級人才。

典型實驗項目包括材料基礎、材料專業及材料創新3個實驗平臺的9個虛擬仿真實驗，其中每個平臺又包括3個項目，虛擬仿真實驗建設體系如圖1所示。

3 建設特色與創新

3.1 以能力培養為核心，構建創新創業培養模式

傳統的虛擬仿真實驗往往是實際實驗的虛擬化、網絡化，以實驗演示、操作流程學習為主。材料虛擬仿真實驗教學示范中心突破以往的虛擬教學范疇，將虛擬仿真實驗與課程教學、實踐教學和創新創業訓練進行深度融合，以知識學習、能力培養為核心，使之成為創新創業教育體系的有機組成部分。實現創新創業教育的創新意識培養、探究知識能力培養和創新能力訓練的目的。

在專業基礎和專業核心教學中，將部分虛擬實驗教學置于課程教學之前，利用教師預先設置的思考題(見圖2)，引導學生在虛擬實驗中發現問題、思考問題，而后帶著問題進入課堂，在課堂上采用討論、演講等形式，結合教師講授開展學習，最后開展相應的實際操作實驗，進一步深化對理論知識的理解，從而培養學生自主探究知識的能力。

圖1 虛擬仿真實驗建設體系

圖2 實驗教學模式創新構思

在創新實踐教學中，充分利用科研工作中開展的計算、模擬工作基礎，將科研成果轉化為創新虛擬仿真實驗，將材料結構、設計、原理、工藝、設備運行控制、加工制備等內容通過虛擬仿真實現，使得實驗的時間和空間得以良好拓展，節省實驗成本，實現資源的高效利用，并同時促進了實驗教學工作的新穎性、先進性，激發學生開展創新創業實踐的熱情，實現學生創新實踐能力培養。

3.2 堅持三結合，實現四跨越，科研教學相得益彰

材料虛擬仿真實驗教學中心依托材料學、材料加工工程和材料物理與化學3個國家重點學科，與國家級實驗教學示范中心、凝固技術國家重點實驗室、超高溫復合材料國防重點實驗室等國家和省部級重點實驗室、工程中心形成了強有力的人才培養平臺。中心堅持科研與教學相結合，理論與實驗相結合，專業與基礎相結合，將科研成果和學科最新發展不斷轉化為材料實驗教學資源。虛擬仿真實驗教學建設貫穿了整個材料的全流程智能制造過程，實現4個跨越：跨越材料的微觀和宏觀2個尺度——從材料內部的微觀量子、分子模型仿真到宏觀的組織演變虛擬仿真；跨越材料設計內部原理和外部工況——從內部拆解實驗原理、模擬組織演變到外部仿真模擬真實環境和設備手段；跨越原料制備到器件制造——從材料的原料制備模擬仿真到器件成形智能制造的仿真模擬；跨越時間和空間——從模擬瞬間短時的仿真實驗以增強認識發展到模擬仿真耗時長、難以在課內完成的實驗項目。虛擬仿真實驗教學學生學習和接觸新興學科、新興領域提供了途徑和可能性，也為學生開展創新創業科研活動提供了良好的條件，提高了學生運用知識、使用先進、精密儀器設備和分析問題、解決問題的能力，為創新型人才的培養起到了極大的促進作用。豐富的實驗教學資源與高水平的教學質量，極大地激發了學生的學習興趣，吸引大批優秀學生加入到科研活動中，取得了高水平的科研成果。

3.3 校企聯合，提升社會服務功能

西北工業大學、西安交通大學、西安理工大學等6所院校合作開展了材料類各專業課程體系及主要教學內容的改革研究與實踐，并通過承擔陜西省21世紀初教改項目“材料類專業教學綜合實驗創新教育的研究與實踐”，為材料實驗教學的推廣與示范奠定了基礎。形成了“以創新人才培養為目標，以素質教育為前提，科研與教學并重的人才培養模式和實驗教學改革理念”。實驗教學培養模式已從狹窄的專業培養目標向“寬口徑、厚基礎、高素質、具有創新精神和實踐能力的高水平材料類人才”的培養目標邁進。先后有河南理工大學，河南科技大學，東北大學，陜西理工學院，重慶科技大學，西安工業大學，鄭州航院和西安航專等院校派老師到我校進修學習有關課程。南京航空航天大學、南京理工大學、陜西師范大學、內蒙古工業大學和廈門大學等院校老師來校參觀訪問。

通過長期以來與知名企業、院所建立的廣泛合作關系，通過不同方式實現了校企聯合培養，尋求一條產學研共同發展的路線。近年來，材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心與北京航空材料研究院、西北有色金屬研究院、宏遠航空鍛造公司、西部超導等著名企業和研究院所進行了實驗室聯建與融合，解決企業遇到的生產難題和其他實際需求。尋求一條產學研共同發展，互惠互利的發展道路，注重學生的培養質量，注重在校學習和企業實踐，注重學校與企業資源、信息共享的“雙贏”模式，校企合作做到了應社會所需，與市場接軌，與企業合作，實踐與理論相結合的全新理念，為材料學科的教學發展提供了更好的發展路線。

3.4 與國際高水平大學合作，提升學生國際化視野

隨著學校日益拓展的國際化辦學進程，國際化辦學特色也是中心建設的特色之一。作為一門傳統學科，實驗教學的歷史悠久，國內外的發展水平也不同，國內高校普遍與國外先進水平還有較大差距，而虛擬仿真實驗手段拉近了這種差距，國際化辦學信息高度的開放和互通使中心在虛擬仿真實驗教學設計上處于領先地位。近幾年，材料學院引進入選千人計劃的Artem Oganov教授、安立楠教授、魏秉慶教授等，開設了鋰離子電池的設計與制造工藝、太陽能電池器件等虛擬仿真實驗。與倫敦瑪麗女王大學、波蘭華沙理工大學、斯洛伐克科學院等一批國際知名高校進行了虛擬仿真實驗辦學的交流和學習，虛擬仿真實驗教學平臺的國際化特色鮮明，拉近了與國際先進的實驗教學水平的差距。密切的國際學術交流、合作和外教的短期授課進一步開拓了本科生的國際視野，提高學生的學習興趣。此外，中心人才的引進為中心提高實驗教學水平、進一步與國際接軌創造了有利條件。

4 進一步實現共享的探索

4.1 建設虛擬仿真實驗考核與管理系統

虛擬實驗考核系統包括操作考核和理論考核兩部分，如圖3所示。其中操作考核為基礎功能，主要幫助學生在進行相應實際操作實驗之前熟悉操作規程、安全規范等。理論考核為核心功能，主要是檢驗學生自主學習效果，在虛擬實驗中學習理論。

在完全學分制教學體系下，學生難以按以往的教學班開展實驗教學，造成實驗教學效率低下，實驗課教師工作負擔過重。以原國家重點實驗室預約系統為基礎，構建虛擬實驗教學、虛擬實驗考核、實際操作實驗預約、實驗答疑，以及實驗室安全管理系統。學生進入實驗室前需完成相應的虛擬實驗，熟悉掌握相關理論和操作規范、安全規范，進行實驗預約并獲得授權后，課內自主進行相關實驗操作，實驗課教師進行輔助指導，從而提高實驗教學效率和實驗室利用率。

圖3 虛擬仿真實驗考核系統

4.2 完善實驗資源庫，進一步擴大共享范圍

大力進行校內實驗資源的整合與共享，完善校內虛擬實驗項目資源庫，基于網絡實現材料微觀結構及性能測試虛擬儀器實驗教學平臺等。開發互助式和虛擬化實驗社區，探索實驗資源精品化、網絡化、遠程化，開發可用于移動客戶端(手機、平板電腦等)的虛擬實驗網站，實現“人人、處處、時時"實驗。進一步完善適應3個層次實驗課程安排，完善實驗學科基礎課程虛擬仿真教學、專業領域課程虛擬仿真教學、工程訓練與創新研究虛擬仿真的融合度，實現學科教育間的良性互動和共同發展，擴大中心的對外開放程度。

4.3 加強校際間合作，擴大示范輻射作用

中心充分利用我校在西北地區的影響力，充分發揮材料學院在材料領域的資源優勢。與其他學校開展廣泛交流和合作，將我校虛擬仿真自制儀器設備、虛擬實驗資源進行推廣應用。目前，中心正在建設第3版虛擬實驗室。中心將主編實驗教學教材，包括“材料力學性能實驗指導”“能源材料實驗指導”等教材，將材料基礎仿真實驗教學平臺、材料專業虛擬仿真教學平臺及材料創新虛擬仿真實驗教學平臺等在西北地區乃至全國的兄弟院校中進行推廣使用。

4.4 促進校企合作，培養卓越的工程人才

充分利用我校在材料領域的產業優勢，積極加強與知名公司之間的合作，結合企業在產業方面的優勢，開發更多符合產業需要的虛擬仿真實驗。讓學生通過虛擬實驗培養對材料應用企業通用研發過程的理解，并以此研發過程為實驗主題，增強學生的實踐經驗，使院校成為工科高等技術人才吸收先進研發管理經驗，體驗企業真實研發過程，積累實踐經驗的初期平臺。通過開展虛擬仿真實驗，培養更多符合產業需要的卓越工程技術人才。

4.5 服務產業，為企業提供技術培訓及技術支持

中心將進一步加強服務產業的功能，提高中心在業界的影響力。目前，中心已經在3D打印、塑性成形等技術領域為陜西省內超過20余家企業提供過虛擬仿真方面的技術培訓和技術支持。下一步，中心將結合陜西省材料分析測試中心，與更多企業建立合作關系，把中心的虛擬仿真實驗在產業界進行大力推廣，為提升我國材料相關企業的技術水平做出貢獻。

4.6 提升國際化辦學能力

2016年，我校獲批與英國倫敦瑪麗女王大學合作舉辦聯合工程學院，學院開設材料科學與工程、高分子材料與工程共2個本科專業，學制4年，計劃每年招生240人，采取4+0培養模式，同時設立先進材料與結構聯合研究中心，為開展碩士研究生聯合培養準備條件。中心針對西北工業大學倫敦瑪麗女王大學工程學院的專業領域知識，包括工程材料、高分子材料、結構及性能、材料加工及應用，以及專業更深層知識，包括材料表面與界面、材料化學、聚合物、陶瓷技術、可再生能源及可持續發展等，擬建立材料科學與工程虛擬仿真全英文實驗，包括師資隊伍、實驗計劃、流程、指導說明等一系列配套設施，每年計劃為英國學生提供2個專業的本科虛擬教學實驗5個，實驗人數預計達到1 200多人次，更好地支撐英國倫敦瑪麗女王大學的教學，推動學校世界一流大學、一流學科的建設。

5 結 語

中心堅持利用自身學科優勢和科研特色，為創新人才的培養提供土壤和環境，在實驗教學新形勢下，提供“虛實結合”的創新人才培養環境。堅持“創新為魂、立足自身、虛實結合、報效國防”的教學和育人理念。在虛擬實驗教學體系建設中，引導學生學知識、用知識、創造知識。虛擬實驗不僅僅是學習實驗操作，而是以知識學習、探究本源為目的，將虛擬實驗作為課程學習的先導。通過討論題、思考題等引導學生發現問題，帶著問題進課堂，培養學習主動性。在虛擬實驗項目建設方面，注重專業教學學科交叉，促進學科融合；在教學模式方面，注重人才創新能力的培養，促進人才素質教育，提升創新能力，更好地支撐我校“一流大學，一流學科”的建設。