以航空航天典型部件應(yīng)用需求為牽引電鍍工藝虛擬仿真實驗教學(xué)改革的設(shè)計與實踐

李衛(wèi)平，羅子璐，劉慧叢，饒 晗，南 潔，陳海寧

（北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心，北京 100191）

0 引 言

新工科是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向［1］。為適應(yīng)新工科發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新型工程科技人才，需要總覽“新的工科專業(yè)、工科的新要求”，注重學(xué)科與專業(yè)的實用性、交叉性、融合性與綜合性，強(qiáng)調(diào)信息技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)的緊密結(jié)合。對現(xiàn)有工科人才培養(yǎng)尤其是實踐教學(xué)體系進(jìn)行深入改革，促進(jìn)學(xué)科、專業(yè)深度交叉融合，改變傳統(tǒng)的工科專業(yè)過窄過細(xì)的弊端，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的水平和提高其科技創(chuàng)新能力，需要建立交叉融合的實踐教學(xué)平臺［2-4］。

實驗教學(xué)是幫助學(xué)生理解客觀世界運動規(guī)律、掌握知識生產(chǎn)能力的重要方式，是在知識學(xué)習(xí)與實踐技能培養(yǎng)之間建立聯(lián)系的有效手段［5］。而利用新興信息技術(shù)建設(shè)虛擬實驗教學(xué)平臺，有助于解決知識學(xué)習(xí)與實踐技能獲得之間的鴻溝［6］。某些實驗無法在真實的實驗室為學(xué)生開展，例如某些化學(xué)反應(yīng)速度很快，物質(zhì)間微觀作用機(jī)理難以展現(xiàn)，某些反應(yīng)需要在高溫高壓等嚴(yán)苛條件下完成，也有些實驗會生成危害性物質(zhì)，造成環(huán)境污染和健康危害，都無法在實驗室中正常開展。開展虛擬仿真實驗可以解決傳統(tǒng)實驗無法或者難以實現(xiàn)的過程，彌補(bǔ)真實實驗教學(xué)的不足，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題和高階思維能力，實現(xiàn)知識與實踐技能的并行培養(yǎng)［7-8］。隨著信息化技術(shù)的日新月異發(fā)展，信息化教育已形成趨勢，近年來教育部連續(xù)印發(fā)《教育信息化十三五規(guī)劃》《關(guān)于2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》等精神和文件，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)的重要意義［9］。在信息化時代，虛擬仿真實驗系統(tǒng)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及而被廣泛應(yīng)用，成為傳統(tǒng)實驗教學(xué)有效而重要的補(bǔ)充，推動著實驗效率的提高和實驗教學(xué)模式的改革［10］。

電鍍（電沉積）是在材料表面獲得金屬鍍層的一種重要方法，在不改變基體材料特性的前提下，在零件表面獲得一定功能的膜層，從而擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍［11］。由于具有鍍層種類多、膜層厚度可控、膜層表面功能廣、范圍寬、可大面積加工零件、處理溫度低、可以自動化連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點，電鍍在大型構(gòu)件表面處理、微小部件加工、導(dǎo)電化處理等方面具有不可替代的優(yōu)勢，在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域具有重要地位［12］。然而，在電鍍技術(shù)實驗教學(xué)過程中，存在電沉積過程難以展示、包含劇毒化學(xué)品和重金屬離子實驗難以開設(shè)以及實驗帶來的水污染等問題［13］，尤其是在航空航天領(lǐng)域，許多典型零部件構(gòu)型復(fù)雜、尺寸大，導(dǎo)致電鍍過程難以實施、電鍍周期長［14］，因此開發(fā)電鍍技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)具有重要意義［15］。

本文結(jié)合新工科的要求，通過虛擬現(xiàn)實與工藝仿真計算相結(jié)合，設(shè)計構(gòu)建航空航天典型零部件電鍍工藝虛擬仿真實驗課程。該課程以航空航天領(lǐng)域電鍍關(guān)鍵技術(shù)和典型應(yīng)用為牽引，實現(xiàn)了典型電鍍工藝全過程的交互功能；以培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力為導(dǎo)向，創(chuàng)新了電鍍工藝過程與電鍍膜層性能相關(guān)性虛擬實驗的推演功能。該課程破解了電鍍工藝實驗污染嚴(yán)重、鍍層沉積過程不可見、鍍層測試設(shè)備成本高、全過程教學(xué)周期長等實驗教學(xué)難題，為培養(yǎng)學(xué)生分析解決實際工程問題的能力提供有效手段，將服務(wù)國家需求的價值取向融入實驗教學(xué)的全過程。

1 虛擬仿真教學(xué)實驗的總體設(shè)計

針對航空航天領(lǐng)域復(fù)雜構(gòu)件電鍍過程難以實施、電鍍機(jī)理難以展示等問題，本虛擬仿真課程設(shè)計了3個實驗階段——基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)、小型航天部件電鍍及表征、大型航天部件電鍍模型建立及分析，實現(xiàn)3 種航空航天典型零部件電鍍?nèi)^程的仿真還原，整體設(shè)計思路如圖1 所示。最終形成了“四層次”教學(xué)體系，通過1 套虛仿系統(tǒng)，2 個教學(xué)環(huán)節(jié)，3 個典型部件，4 個電鍍工藝要素的全過程仿真再現(xiàn)，實現(xiàn)對學(xué)生理解應(yīng)用知識能力、分析解決問題能力、設(shè)計開發(fā)方案能力、邏輯推演和創(chuàng)新思維能力的系統(tǒng)培養(yǎng)。

圖1 航空航天典型零部件電鍍工藝虛擬仿真實驗整體設(shè)計思路

2 典型電鍍工藝全過程的交互功能的設(shè)計和實現(xiàn)

無論是教師引導(dǎo)性教學(xué)還是學(xué)生自主性學(xué)習(xí)，都不能否認(rèn)教學(xué)是一種雙向過程，在信息化教育中，交互是必不可少的環(huán)節(jié)［16］。在該理念下，實驗課程設(shè)計了多個交互性步驟，學(xué)生在操作這些步驟的同時可以得到實時的結(jié)果反饋。例如依據(jù)多年科研實驗結(jié)果形成的數(shù)據(jù)庫得到不同前處理現(xiàn)象與不同前處理流程的對應(yīng)關(guān)系，將這些對應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)在虛擬實驗教學(xué)平臺上，學(xué)生在選定不同前處理流程后就會看到對應(yīng)的實驗現(xiàn)象展示，可以依據(jù)現(xiàn)象分析前處理是否合格，前處理合格的零件表面均勻干凈有光澤，不合格的前處理或有油污，或光澤度不均勻。前處理合格與否決定了后續(xù)進(jìn)入的操作步驟，設(shè)計邏輯如圖2 所示。界面顯示不同前處理現(xiàn)象的效果圖如圖3、4 所示。每一交互性步驟中的不同操作都對應(yīng)不同的實驗現(xiàn)象，提供學(xué)生即時反饋與互動，引導(dǎo)學(xué)生掌握正確的電鍍工藝，實現(xiàn)了該虛仿實驗的交互性。

圖2 電鍍前處理步驟設(shè)計思路

圖3 電鍍前處理流程不合格評價顯示界面

圖4 電鍍前處理流程合格評價顯示界面

課程以航空航天領(lǐng)域電鍍關(guān)鍵技術(shù)和典型應(yīng)用為牽引，創(chuàng)實了典型電鍍工藝全過程的交互功能。學(xué)生“沉浸式”體驗學(xué)習(xí)和良好“交互性”激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，滿足學(xué)生個性化探索需求，從電鍍工藝設(shè)計、施鍍工藝優(yōu)化、鍍層性能評價等方面，培養(yǎng)學(xué)生理解應(yīng)用知識能力和分析解決問題能力。

3 電鍍工藝過程與電鍍膜層性能相關(guān)性推演功能的設(shè)計和實現(xiàn)

該課程以培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力為導(dǎo)向，著重關(guān)注宏觀實驗現(xiàn)象與微觀實驗過程之間的聯(lián)系，創(chuàng)新了電鍍工藝過程與電鍍膜層性能相關(guān)性虛擬實驗的推演功能。例如運用COMSOL虛擬仿真軟件建立火箭發(fā)動機(jī)氣管收擴(kuò)段電鍍模型，還原其電鍍過程，得到不同參數(shù)（陽極形狀和陽極尺寸）下收擴(kuò)段電沉積厚度及其分布等數(shù)據(jù)，在COMSOL 數(shù)據(jù)支撐下構(gòu)建收擴(kuò)段大型構(gòu)件電鍍仿真模塊。在該模塊中用顏色深淺代表電沉積厚度，學(xué)生選擇不同形狀的陽極后，通過數(shù)值分析對比鍍層厚度和鍍層均勻度，定性明確最佳陽極形狀。定性選擇后，定量探究不同尺寸的陽極對鍍層厚度、鍍層均勻度的影響，查看不同結(jié)果，尋找陽極尺寸對鍍層的影響規(guī)律，體現(xiàn)了探究過程的推演性。設(shè)計邏輯見圖5，最終得到的界面效果見圖6、7。

圖5 火箭發(fā)動機(jī)收擴(kuò)段電鍍仿真模塊設(shè)計思路

通過對空間站導(dǎo)電滾環(huán)、柱塞泵滑靴體，以及火箭發(fā)動機(jī)尾噴管收擴(kuò)段這3 個典型零部件疊層電鍍、局部電鍍、沉積過程等典型工藝的仿真再現(xiàn)，依托COMSOL軟件仿真和多年科研實驗結(jié)果形成的數(shù)據(jù)庫，為學(xué)生理解宏觀實驗現(xiàn)象與微觀實驗過程架起橋梁，將“看得見的鍍層表面”與“看不見的離子沉積過程”內(nèi)在聯(lián)系直觀展現(xiàn)，實現(xiàn)虛仿過程的推演性，幫助學(xué)生理解實驗結(jié)果和電鍍參數(shù)之間的推演原理，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識融會貫通的應(yīng)用能力、邏輯推演和創(chuàng)新思維能力。

圖7 陽極尺寸對鍍層厚度分布影響顯示界面

4 結(jié) 語

以航空航天領(lǐng)域電鍍關(guān)鍵技術(shù)和典型應(yīng)用為牽引，開發(fā)建設(shè)電鍍工藝虛擬仿真實驗課程、設(shè)計“四層次”教學(xué)體系的實驗教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)典型電鍍工藝全過程的交互功能和電鍍膜層性能與電鍍工藝過程相關(guān)性虛擬實驗的推演功能，提高學(xué)生的理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推演、創(chuàng)新思維能力和解決實際問題的能力。該課程依托的虛擬仿真系統(tǒng)可以彌補(bǔ)真實電鍍實驗的不足，具有很好的拓展性，不僅適用于本科生和研究生實驗教學(xué)，而且可推廣至專業(yè)技術(shù)人員培訓(xùn)。