以航空航天典型部件應用需求為牽引電鍍工藝虛擬仿真實驗教學改革的設計與實踐

李衛平，羅子璐，劉慧叢，饒 晗，南 潔，陳海寧

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

0 引 言

新工科是基于國家戰略發展新需求、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］。為適應新工科發展，培養創新型工程科技人才，需要總覽“新的工科專業、工科的新要求”，注重學科與專業的實用性、交叉性、融合性與綜合性，強調信息技術與傳統工業技術的緊密結合。對現有工科人才培養尤其是實踐教學體系進行深入改革，促進學科、專業深度交叉融合，改變傳統的工科專業過窄過細的弊端，提升學生解決復雜工程問題的水平和提高其科技創新能力，需要建立交叉融合的實踐教學平臺［2-4］。

實驗教學是幫助學生理解客觀世界運動規律、掌握知識生產能力的重要方式，是在知識學習與實踐技能培養之間建立聯系的有效手段［5］。而利用新興信息技術建設虛擬實驗教學平臺，有助于解決知識學習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生開展，例如某些化學反應速度很快，物質間微觀作用機理難以展現，某些反應需要在高溫高壓等嚴苛條件下完成，也有些實驗會生成危害性物質，造成環境污染和健康危害，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實驗無法或者難以實現的過程，彌補真實實驗教學的不足，培養學生解決復雜問題和高階思維能力，實現知識與實踐技能的并行培養［7-8］。隨著信息化技術的日新月異發展，信息化教育已形成趨勢，近年來教育部連續印發《教育信息化十三五規劃》《關于2017-2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》等精神和文件，進一步強調開展示范性虛擬仿真實驗教學的重要意義［9］。在信息化時代，虛擬仿真實驗系統隨著網絡技術的發展和普及而被廣泛應用，成為傳統實驗教學有效而重要的補充，推動著實驗效率的提高和實驗教學模式的改革［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，從而擴大材料的應用范圍［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、可以自動化連續工業化生產等優點，電鍍在大型構件表面處理、微小部件加工、導電化處理等方面具有不可替代的優勢，在航空航天、汽車、電子等領域具有重要地位［12］。然而，在電鍍技術實驗教學過程中，存在電沉積過程難以展示、包含劇毒化學品和重金屬離子實驗難以開設以及實驗帶來的水污染等問題［13］，尤其是在航空航天領域，許多典型零部件構型復雜、尺寸大，導致電鍍過程難以實施、電鍍周期長［14］，因此開發電鍍技術虛擬仿真實驗教學具有重要意義［15］。

本文結合新工科的要求，通過虛擬現實與工藝仿真計算相結合，設計構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域電鍍關鍵技術和典型應用為牽引，實現了典型電鍍工藝全過程的交互功能；以培養學生解決實際問題的能力為導向，創新了電鍍工藝過程與電鍍膜層性能相關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重、鍍層沉積過程不可見、鍍層測試設備成本高、全過程教學周期長等實驗教學難題，為培養學生分析解決實際工程問題的能力提供有效手段，將服務國家需求的價值取向融入實驗教學的全過程。

1 虛擬仿真教學實驗的總體設計

針對航空航天領域復雜構件電鍍過程難以實施、電鍍機理難以展示等問題，本虛擬仿真課程設計了3個實驗階段——基礎知識學習、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3 種航空航天典型零部件電鍍全過程的仿真還原，整體設計思路如圖1 所示。最終形成了“四層次”教學體系，通過1 套虛仿系統，2 個教學環節，3 個典型部件，4 個電鍍工藝要素的全過程仿真再現，實現對學生理解應用知識能力、分析解決問題能力、設計開發方案能力、邏輯推演和創新思維能力的系統培養。

圖1 航空航天典型零部件電鍍工藝虛擬仿真實驗整體設計思路

2 典型電鍍工藝全過程的交互功能的設計和實現

無論是教師引導性教學還是學生自主性學習，都不能否認教學是一種雙向過程，在信息化教育中，交互是必不可少的環節［16］。在該理念下，實驗課程設計了多個交互性步驟，學生在操作這些步驟的同時可以得到實時的結果反饋。例如依據多年科研實驗結果形成的數據庫得到不同前處理現象與不同前處理流程的對應關系，將這些對應關系呈現在虛擬實驗教學平臺上，學生在選定不同前處理流程后就會看到對應的實驗現象展示，可以依據現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進入的操作步驟，設計邏輯如圖2 所示。界面顯示不同前處理現象的效果圖如圖3、4 所示。每一交互性步驟中的不同操作都對應不同的實驗現象，提供學生即時反饋與互動，引導學生掌握正確的電鍍工藝，實現了該虛仿實驗的交互性。

圖2 電鍍前處理步驟設計思路

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

課程以航空航天領域電鍍關鍵技術和典型應用為牽引，創實了典型電鍍工藝全過程的交互功能。學生“沉浸式”體驗學習和良好“交互性”激發了學生的學習興趣，滿足學生個性化探索需求，從電鍍工藝設計、施鍍工藝優化、鍍層性能評價等方面，培養學生理解應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性推演功能的設計和實現

該課程以培養學生解決實際問題的能力為導向，著重關注宏觀實驗現象與微觀實驗過程之間的聯系，創新了電鍍工藝過程與電鍍膜層性能相關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動機氣管收擴段電鍍模型，還原其電鍍過程，得到不同參數（陽極形狀和陽極尺寸）下收擴段電沉積厚度及其分布等數據，在COMSOL 數據支撐下構建收擴段大型構件電鍍仿真模塊。在該模塊中用顏色深淺代表電沉積厚度，學生選擇不同形狀的陽極后，通過數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，查看不同結果，尋找陽極尺寸對鍍層的影響規律，體現了探究過程的推演性。設計邏輯見圖5，最終得到的界面效果見圖6、7。

圖5 火箭發動機收擴段電鍍仿真模塊設計思路

通過對空間站導電滾環、柱塞泵滑靴體，以及火箭發動機尾噴管收擴段這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，依托COMSOL軟件仿真和多年科研實驗結果形成的數據庫，為學生理解宏觀實驗現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”內在聯系直觀展現，實現虛仿過程的推演性，幫助學生理解實驗結果和電鍍參數之間的推演原理，培養學生專業知識融會貫通的應用能力、邏輯推演和創新思維能力。

圖7 陽極尺寸對鍍層厚度分布影響顯示界面

4 結 語

以航空航天領域電鍍關鍵技術和典型應用為牽引，開發建設電鍍工藝虛擬仿真實驗課程、設計“四層次”教學體系的實驗教學內容，實現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性虛擬實驗的推演功能，提高學生的理論基礎，培養學生的邏輯推演、創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可以彌補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，而且可推廣至專業技術人員培訓。