基于虛擬仿真與科研成果轉化相結合的“材料綜合實驗”改革實踐

摘要：為了提高材料科學與工程專業學生的實際工程意識，依托學校與企業合作的成果轉化應用，借助虛擬仿真場景，探索企業實際生產與實踐教學之間的契合點，對“材料綜合實驗”進行實踐教學改革。結果表明，通過虛擬仿真場景對TC18鈦合金熱處原理、強韌性化機制、工藝參數的影響因素等進行綜合分析，激發了學生的實驗興趣，全面提升了學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，提高了材料科學與工程專業應用型人才培養質量。

關鍵詞：虛擬仿真；科研成果轉化；材料綜合實驗；改革實踐；人才培養

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

鑒于我國高校工科實踐教學與企業實際生產存在脫節現象，導致畢業生就業后難以適應企業的工作條件，就業適應期長，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》提出了高校要深化與企業的合作，建立校企聯合培養的協同育人機制［12］。“以學生為中心”是當前高校教學改革的核心理念［35］。教育部印發的《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》提出了建設仿真實訓基地等信息化教學實施［67］。由此可見，以學生為中心，推進實踐教學改革，深化企業合作，培養適應社會經濟發展需求的復合創新型應用人才，已成為我國高校人才培養亟須解決的重要問題。因此，探索行業實際生產與實踐教學的契合點，大力推進以學生為中心的實踐教學改革，具有重要的現實意義。“材料綜合實驗”是一門實踐性很強的課程，主要內容為材料組織結構、熱處理工藝與力學性能之間的關系，與企業的實際生產結合緊密［810］。材料熱處理作為實現材料性能提升的重要手段，是一個復雜的綜合過程，涉及高溫、易燃易爆及酸堿腐蝕等危險操作，其熱處理過程周期長、成本高，且熱處理過程中材料內部組織的改變過程肉眼不可見。為了提高我校材料科學與工程專業的人才培養質量，本文將與企業合作的科研成果轉化及應用項目“TC18鈦合金熱處理工藝”過程進行虛擬仿真，引入“材料綜合實驗”課程實驗，推進成果轉化應用、企業實際生產與實踐教學深度融合，進行“材料綜合實驗”改革，以提高學生的實踐創新能力。

1“材料綜合實驗”虛擬仿真教學改革的必要性

材料科學與工程是研究材料性能及其制備工藝的學科，材料的化學成分、組織結構、加工工藝和性能是材料科學與工程的核心要素，材料組織結構和制備工藝極大影響材料的性能和應用。材料的熱處理是通過加熱、保溫和冷卻等手段，改變材料內部的組織結構，以提高材料性能的金屬熱加工工藝。然而，材料熱處理是一個復雜的綜合過程，存在諸多影響因素及其特殊性。與其他的材料加工工藝相比，材料熱處理具有以下特點：

（1）材料熱處理過程涉及高溫、易燃易爆及酸堿腐蝕等危險操作。熱處理過程需要對零件進行加熱，其加熱溫度高達上千度；熱處理淬火需要將高溫加熱工件淬入油中，極易燃燒；化學熱處理需要用到乙炔、煤油及氫氣等易燃易爆氣體；鹽浴熱處理需要用酸堿鹽等。

（2）熱處理工程周期長，消耗大，成本高。熱處理過程需要經歷材料的入爐升溫、保溫及降溫冷卻等過程，長達數小時，熱處理周期長；熱處理過程需要消耗大量的水電等，生產成本高。

（3）熱處理過程中材料內部組織的改變肉眼不可見。熱處理過程是通過改變工件內部的顯微組織結構，以提高材料的綜合性能，材料內部組織改變這一過程肉眼不能觀察。

熱處理過程包括加熱設備、加熱溫度、保溫時間、冷卻方式等，材料組織分析過程包括材料金相顯微組織分析、成分分析、形貌分析等，材料性能檢測過程包括材料的硬度檢測、沖擊韌性、疲勞檢測及拉伸強度等。熱處理過程是多工藝的綜合運用過程，可以為學生提供大型的綜合復雜訓練，通過該綜合實驗，可以極大地提高學生的實際動手能力、解決實際問題能力及創新能力。然而，傳統的實踐教學只能進行簡單的熱處理，對組織與性能進行簡單分析測試，難以對熱處理材料內部組織結構改變與力學性能之間的關系進行深入理解，嚴重制約著材料專業實踐教學水平和教學質量的提高。

貴州省聚焦國家“十四五”規劃的主戰略，提出圍繞“四新”主攻“四化”主定位。“四化”明確提出強力推進新型工業化，深入實施工業倍增行動，深入實施工業強省戰略，在新征程上奮力推動貴州工業大突破，迫切需要培養大批新興工程科技人才。因此，根據貴州省航空航天、裝備制造、材料與化工等領域對材料類人才的需求，培養服務地方經濟發展、具有創新精神的高素質工程應用型人才。本文將合作企業的成果轉化應用項目“TC18鈦合金熱處理工藝”進行虛擬仿真，并將其引入課程實驗，推進科研成果轉化、企業實際生產與實踐教學的深度融合，培養學生的創新精神和解決問題的能力，提高學生綜合素質和人才培養質量。

2“材料綜合實驗”虛擬仿真教學改革的先進性

2.1實驗內容涵蓋了鈦合金熱處理新技術，具有先進性

鈦合金因其具有高的比強度、耐高溫及耐腐蝕等優點，是航天航空領域廣泛應用的關鍵前沿材料，但鈦合金表面硬度低，耐磨性差，其應用范圍受到限制。為提高其表面硬度和耐磨性，本文將成果轉化應用項目“TC18鈦合金滲氮前的雙重退火熱處理工藝”最新科研成果進行虛擬仿真并引入課程，讓學生虛擬操作并直觀觀察鈦合金的熱處理實際生產過程，了解鈦合金熱處理前沿知識，并進行實際模擬操作，其實驗內容具有先進性。

2.2實驗系統設計具有先進性

材料熱處理過程是一個綜合性、設計性和系統性很強實驗過程，可以極大鍛煉學生的實踐創新能力，該實驗周期長，涉及高溫、真空等問題，因其場地空間的限制，在學校很難開展。該項目借助產學研合作平臺，通過虛擬仿真的方式，將其在企業的實際生產過程引入課程，解決了熱處理相關的課程實驗不能動手實驗的局限性問題，可以極大增強學生對熱處理工藝及設備、固態相變原理、材料科學基礎等相關理論的深入理解。本項目建立在符合學生認知規律的實驗教學程序基礎上，通過對鈦合金熱處理的實際生產過程進行虛擬仿真，讓學生得到從理論想象到實驗觀察、再到理論分析各方面能力的全面提升，以學生為中心，強化了材料科學與工程專業學生對本專業材料知識點的理解，能夠切實提高教學實效。

3“材料綜合實驗”虛擬仿真內容設計

利用WebGL、3D仿真技術等手段建立了TC18鈦合金熱處理生產車間的實際生產過程，從熱處理零件鑄造、機械加工及熱處理設備的選擇操作，到熱處理工藝過程，再到零件檢測分析進行全過程模擬仿真，讓學生在虛擬場景中能夠親自動手，體驗鈦合金零件的實際生產過程。主要核心要素仿真內容設計主要包括以下方面：

（1）熱處理設備操作過程的虛擬仿真設計。在熱處理設備操作過程環節，學生可通過按鈕進行控制，真實呈現鍛造設備、機械加工設備及熱處理設備的操作過程及設備的運動規律，掌握設備各結構之間的動作關系。

（2）熱處理工藝過程的虛擬仿真設計。在熱處理工藝過程中，學生可通過設置保溫時間、保溫溫度、冷卻方式等條件實現熱處理工藝過程，同時根據每一種工藝狀態所對應的金相顯微觀察進行了模擬設計。

（3）檢測過程的虛擬仿真設計。主要對抗拉強度、硬度測試及金相顯微組織分析過程進行虛擬仿真設計，學生點擊相應的虛擬操作環節完成TC18鈦合金熱處理后性能的測試過程。

4“材料綜合實驗”虛擬仿真教學實施過程

鈦合金具有高的比強度、耐高溫及耐腐蝕等優點，是航天航空領域廣泛應用的關鍵材料，主要用于制造發動機、緊固件及機體結構等。本文根據我校人才培養目標要求，將成果轉化項目引入課程實驗項目，培養學生勇于探索的創新精神和善于解決生產實際問題的綜合能力，提高學生綜合素質和人才培養質量。在教學設計中，基于TC18鈦合金實際生產過程的虛擬仿真實驗場景，采用目標導向、交互反饋設計及問題引導等方法，構建以學生為中心的實驗理念。虛擬仿真實驗項目主要包括結構及原理學習、熱處理設備操作、熱處理工藝實驗、組織性能分析檢測及實驗報告等教學過程，讓學生了解材料研究中工藝條件、材料成分、組織和性能之間的關系，加深理解鈦合金熱處理相關理論。具體實施過程及教學效果如下：

4.1實驗原理學習

本虛擬仿真實驗主要實驗原理包括TC18鈦合金熱處理原理、TC18鈦合金熱處理設備結構及原理和TC18鈦合金熱處理組織與性能檢測設備及原理。實驗前首先讓學生結合相關理論知識學習相關實驗原理，將各過程相關基本理論、設備操作及性能分析等理論與實際生產聯系起來，鍛煉學生的綜合能力。同時學習TC18鈦合金熱處理相關的操作規范，進行虛擬操作前學習操作手冊，提前了解虛擬實驗操作過程。學生實驗前，還需對實驗目的、實驗簡介及實驗方法進行了解。通過實驗前的充分預習，加強知識點和操作的理解，以激發學生的實驗興趣，提高實驗效果。

4.2熱處理設備操作

學生在了解相關的熱處理操作規范、實驗目的、實驗原理及實驗方法后，開始進行熱處理設備操作。通過熱處理設備的虛擬操作過程，掌握熱處理的相關設備結構、原理、操作過程及用途等，同時直觀地觀察鑄造過程中零件的變形過程，機械加工過程中產品的加工過程，熱處理過程中零件表面顏色狀態隨溫度的變化過程，加深對課程知識的理解，為后續工作奠定基礎。

4.3熱處理工藝實驗

結合相關的課程理論知識，制定TC18鈦合金熱處理工藝規范，同時分析每一步工藝規范制定的理論依據，以及TC18鈦合金熱處理的工藝原理。然后，通過設置不同的熱處理溫度、保溫時間及冷卻方式等工藝參數，進行熱處理工藝實驗。將所學的理論知識與實際操作相結合，提高學生分析能力。

4.4組織性能的測試分析

TC18鈦合金熱處理結束后，利用相關的金相顯微鏡、萬能試驗機及硬度測試儀對其進行組織與性能分析。然后結合不同工藝條件下材料的組織與性能特征，分析熱處理工藝參數、組織與性能之間的關系。

4.5實驗報告

學生完成實驗后，進入實驗報告環節。在實驗報告中，通過對每個實驗步驟設置相關問題，對學生實驗過程進行評分，學生還需要填寫實驗報告，實驗教師根據實驗操作、問題回答及實驗報告進行考核。

5“材料綜合實驗”虛擬仿真的教學效果

根據實際科研成果轉化在實際生產中的應用，構建了TC18鈦合金熱處理過程的虛擬仿真場景，旨在培養學生探究式思維方式和解決復雜工程問題的能力，在熟悉實驗流程和掌握基本實驗技能基礎上，通過TC18鈦合金熱處理過程的虛擬操作，學生將達到以下方面的能力提升。

5.1激發實驗興趣

依托現代信息，緊跟行業實際生產，靈活運用情景式實驗、引導自主式實驗過程、項目式等多種方法，根據教師科研成果及人才培養要求，將企業的實際生產通過虛擬環境模式引入實習過程，極大激發了學生的實驗興趣。

5.2認知能力提升

讓學生身臨其境地了解鈦合金熱處理車間布置、實際生產注意事項和相關設備，同時直觀觀察零件鑄造過程、變形過程、機械加工過程及熱處理過程等，并在熱處理過程中身臨其境地感受零件顏色隨溫度的變化過程，結合所學的相關理論知識，提高學生的認知能力。

5.3動手能力提升

通過對鈦合金表面熱處理過程的虛擬仿真實驗，學生親自動手虛擬操作，解決材料科學與工程專業實驗及實習只能觀摩不能動手實驗的局限性問題，加強學生實驗技能，增加學生的實際經驗，提高學生的動手能力。

5.4分析能力提升

實驗結束后，學生對實驗結果進行歸納總結，建立起鈦合金熱處理工藝、組織與性能之間的關系，深刻理解鈦合金熱處理過程及其原理，提高學生分析和解決實際工程問題的能力。

結語

以學校和企業合作的成果應用及轉化項目為依托，以典型的航空用鈦合金為研究對象，結合產學研協同育人的成果，基于虛擬仿真場景，對“材料綜合實驗”進行教學改革。借助虛擬仿真學習系統，學生了解了TC18鈦合金生產車間的實際生產情況，熟悉了熱處理生產設備的操作，學會了實驗過程工藝參數及冷卻方式的選擇，掌握了鈦合金熱處理組織性能的分析測試，全面了解了鈦合金熱處理生產的全過程。通過虛擬仿真場景對TC18鈦合金熱處原理、熱處理強韌性化機制、工藝參數的影響因素等進行綜合分析，全面提升了學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，在仿真生產環境下，以學生為中心，構建出學生認知的工程實踐體系。

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基金項目：貴州省教學內容和課程體系改革項目（［2023］SJG第2023044號）；貴州省科技計劃項目（黔科合成果［2019］4020號）

作者簡介：楊闖（1976—），男，土家族，貴州思南人，博士，教授，研究方向：金屬材料的表面改性與強化。