云端虛擬仿真技術在《失效物理基礎》課程中的應用

陳穎 王艷芳 李姝敏

（北京航空航天大學可靠性與系統工程學院 北京市 100191）

近年來，隨著人工智能、“互聯網+”、云計算、大數據、虛擬仿真等新興技術的迅猛發展，開創了新技術、新產業和新模式為特征的新經濟形式[1]。與此同時，高等教育教學改革也迎來了新的契機，利用網絡及人工智能技術的教學模式已然成為一種重要的趨勢[2]。

1 虛擬仿真技術的必要性

虛擬仿真可以將教學內容更加形象、逼真的展現在學生眼前，通過實時的交互提高課程內容的趣味性，翟明等[3]以能源動力相關課程群和應用型研究生培養基地為基礎，建立基于虛擬仿真平臺的能源動力類本、研一體化實驗教學與管理系統，實現了從本科生到研究生的理論教學與實踐教學一體化。

《失效物理基礎》課程是以電子產品為研究對象，重點從靜力學、動力學、電學和電磁學等角度講授電子產品常見失效機理及其根源、影響因素,闡述如何將失效機理和物理模型應用于電子產品可靠性分析、設計、預計、評估、故障診斷以及健康管理等方面的一門本科生核心專業課。該課程的實踐性非常強，要求學生結合實際的產品，從其工作的環境和載荷以及產品內部構造等內外因角度來進行分析，定位產品的薄弱環節，并通過仿真計算來評價產品的可靠性。傳統線下理論授課的方式很難實現課程的實踐性教學目標。課題組探索了采用虛擬仿真方法，加強課程的實踐環節，利用計算機技術和軟件工程、信息技術、仿真技術來支撐教學工作的方案，并進行了實踐。

2 云端虛擬仿真在課程中的應用實踐

課程團隊首先梳理了課程的教學內容，確定理論教學和實踐教學兩個部分的有機聯系，并以科研成果和工程經驗為基礎，設計課程實踐部分的案例，同時利用互聯網技術，開發了云端虛擬仿真軟件，為學生提供學習的平臺。

2.1 梳理授課內容

為了實現課程內容中的理論和虛擬仿真的結合，首先需要梳理教學思路和授課內容，課程的教學思路定為 “一條主線、兩個重點、多知識點集成應用”，其中一條主線是“失效物理”、兩個重點是“認識失效機理、描述失效行為”、多知識點集成應用是“將各種失效機理、物理模型集成應用于可靠性設計、分析、評估中”。

基礎性的授課內容主要通過線下教師講解、課堂微視頻和討論等方式實現。授課內容主要分為三大部分，第一部分是認識失效機理，包括結構的變形與疲勞、電子產品的熱疲勞與振動疲勞、結構磨損與腐蝕、電子產品的腐蝕、遷移與擴散、電子產品的熱載流子、柵氧化層擊穿和電遷移、靜電放電以及空間環境下的單粒子效應、總劑量效應和位移損傷效應；第二部分是刻畫失效行為，給出了失效物理模型的類型，解析類失效物理模型的推導方法、反應論類失效物理模型的數據擬合方法以及性能退化類物理模型的數據擬合方法；第三部分是失效物理學在可靠性工程中的應用，包括故障機理分析方法（FMMEA）、故障行為仿真方法（RST）、基于故障物理的故障監測與預測方法（PHM）等內容，如圖1所示。

圖1：教學思路和授課內容

圖1中認識失效機理、刻畫失效行為是課程的理論基礎，而可靠性工程應用部分的實踐性最強。因此，課程團隊設計了基于失效物理的產品設計改進與云端仿真驗證、云端可靠性仿真分析與評估等實踐案例。這兩個案例要用到課程大部分理論基礎知識，包括失效機理、失效物理模型、FMMEA 和RST。為了滿足近百名同學的實踐需求，必須要建設云端虛擬仿真平臺，利用云計算的方式，利用互聯網上的計算資源來解決大容量的運算求解問題。

2.2 云端虛擬仿真平臺的建設

針對圖2(a)所示的某電源驅動模塊設計的教學案例，要進行各種有限元仿真和失效物理的計算，因此團隊開發了“電子產品可靠性仿真評估云平臺”（如圖2(b)所示），學生可以分別從本地電腦登錄賬號，進入云端查看實踐課程，教師可以在線上講解案例的實現流程，學生操作完成后，在線提交，教師進行批改評分。

圖2：電子產品虛擬仿真實例與云端軟件平臺

虛擬仿真教學過程引入有限元熱分析和振動分析軟件，從EDA模型的導入、幾何模型的建立，有限元模型的建立、網格的劃分、材料參數和邊界條件的確定，再到最后熱和振動數值計算，結果的后處理，學生可以利用實驗指導書，自己動手操作，變換初始條件和邊界條件，觀察電子產品的仿真響應。將失效物理課程理論部分的重點—失效物理模型、可靠性算法以程序的形式寫入虛擬仿真軟件，學生們能夠將熱和振動環境下的產品響應與可靠性計算相互關聯，將課程理論部分內容付諸實踐。

3 結論

借助云端虛擬仿真平臺，實現了以應用、分析、創造為主的綜合性教學模式，引導學生形成對失效物理學的系統認知能力，培養學生系統思維能力和創新能力，激發自主學習積極性。云端虛擬仿真平臺建設完成后，在全校本科大三學生中開設，受到了同學們的認可和好評。課程內容與學生暑假生產實習相輔相成，推動了所學的理論知識的融會貫通,為學生走向可靠性工程實踐提供了基礎，更多的同學對失效物理研究方向產生了興趣，在本科階段就參與到了相關的科研工作中，提升了研究能力和水平。2020年，失效物理基礎課程通過評選成為院級一流本科課程，還獲得了校級優秀教學成果獎。實踐證明，充分利用互聯網的資源，開發虛擬仿真教學平臺，教學過程虛實結合、優勢互補，提升了教學效果。