材料成型数字化虚拟实验教学探索

申文竹，王 斌，易 锋，刘 丽，武 斌，杨 眉

随着高校的持续扩招,我国高等教育规模跃居世界第一位。然而由于教育投入的严重不足,尽管很多学校都把实验教学和实验室建设放在首位,但受资金制约,与重点大学相比,承担扩招重任的一般院校实验教学资源明显不足,部分单台价格高、运行费用大的设备更是缺少,学生只能通过教师在课堂上的讲述了解实践设备及操作,致使实验教学效果远远达不到培养要求[1]。

打破传统实验教学模式和手段的局限,充分利用现代模拟技术和网络技术构建网络虚拟实验室进行能力培养,提升专业实验教学效果,已经成为培养学生能力的必要有效手段[2]。近年来,软件模拟及互联网技术的成熟,为高价值、高能耗、高成本、高风险的 “四高”实验项目开设奠定了基础,更为抽象实验的开设带来了希望[3]。开设数字化虚拟实验教学成为很多高校实验教学改革的方向之一[4]。

目前,国内很多高校的材料学科都已经建立了虚拟实验教学平台用于教学实践,对专业教学和学生的能力培养都有明显的促进作用[5-7]。本文详细介绍了西南石油大学材料学院材料成型数字化虚拟实验教学的建设与探索过程,以期为类似情况高校的专业建设实验改革提供参考。

1 数字化虚拟实验教学目标

西南石油大学材料控制与成型专业是2010年获批的新办专业,该专业实验设备单值高,占地大,运行成本高,加之该专业社会需求大,学生人数多,传统实验教学模式难以满足培养要求,设计型和创新型实验更无法开展。数字化虚拟实验教学成本低,时间和空间不受限制,能够作为传统实验教学的补充和补强。

数字化实验的教学目标是：通过引入现代教育技术,利用已购置的部分教学软件,整合开发实验教学内容,建立材料成型虚拟实验室,构建材料成型虚拟实验教学平台；通过探索虚实结合的实验教学模式,充分发挥实验教学中心优质教学资源的作用,增强学生实践能力的培养。

2 数字化虚拟实验教学研究与实践

2.1 搭建虚拟实验平台，完善实验教学体系

围绕虚拟实验教学建设目标,在整合原有铸造仿真JSCAST和材料塑性成型仿真DEFORM软件,成功构建成型虚拟实验平台的基础上,利用教师科研资源,将材料成型与加工虚拟实验平台的成功经验渗透到材料学科各个专业,构建满足材料学科“设计—加工—结构—性能”实验要求的材料科学与工程虚拟仿真实验教学平台,搭建满足培养要求,涵盖课程实验、第二课堂、开放和创新实验、毕业设计和大学生学科竞赛在内的5大类实践课程体系。

2.1.1 构建材料成型与加工虚拟实验平台

学院原已购有5台套单机版的JSCAST及DEFORM软件,为本科生开设了5年的课程教学和毕业设计等教学实验；但随着学生数量的增多,台套数越来越成为实验的瓶颈。为此,从2015年开始,在学校支持下,学院购置了31台微机和2台服务器,构建了局域网；同时结合原来焊接实体试验的不足,购置了焊接工艺仿真软件Simufact.welding,成功搭建了材料成型与加工虚拟平台。该平台有以下3个主要功能。

1)液态成型虚拟仿真模块。

液态成型是将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中,冷却凝固以获得毛坯或零件的生产方法。加工产品种类多,加工方法多,工艺流程长,涉及高温和高压,污染严重,加工过程难以用现有手段观察。

新搭建的液态成型虚拟仿真模块可进行液态成型工艺设计,可通过仿真,可视化观察到液态金属在模具中充型流动过程以及流体流动的速度场,可视化观察任一瞬间铸件以及模具的温度场、应力场和应变场,可视化预测与观察铸件缺陷出现的类型、预计部位以及尺寸[8]。铝合金汽车箱体重力铸造充型模拟过程如图1所示。

2)塑性加工模拟仿真模块。

金属塑性加工过程复杂,影响参数众多,且往往交叉影响。传统研究以 “试错”为基本方法,需经多次设计、试制、设计修改过程,周期长,成本高,可靠性差。

塑性加工模拟仿真技术可在模具加工前检验模具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性,分析材料的流动规律,预测是否产生缺陷,优化工艺参数,确保工艺、设计和模具制造一次成功,使塑性加工进入以模型化、最优化和柔性化为特征的工程科学阶段,提高塑性加工行业的科学化水平。四寸316 L基筛管膨胀过程模拟如图2所示。

图1 铝合金汽车箱体重力铸造充型模拟过程

图2 四寸316 L基筛管膨胀过程模拟

3)焊接虚拟成型仿真模块。

实验室实物焊接试验一直面临焊接方法多,焊接设备投入大,焊接过程中粉尘大,焊接电弧对身体危害大,焊接用气体 (H2、CO2、CH4)和电源危险性大,难以用现有手段观察焊接过程等难题。利用Simufact.welding软件,可快速完成焊接工艺方法与工艺参数的优化,仿真分析焊接过程中材料金相组织、力学性能的变化规律,可视化焊接过程中的温度场、应力场和应变场变化,预测焊接过程中的变形缺陷,分析焊接缺陷对焊接结构组织性能的影响规律。

2.1.2 基于虚拟实验平台开设第二课堂

为贯彻 “以学生为本”的培养理念,培养实践能力强的材料学科高素质人才,单靠传统的课程实验,远满足不了学生个性化发展的要求。为此,在构建了材料成型及加工虚拟实验平台后,为满足学生个性化实践能力培养的要求,将虚拟仿真实验教学引入大材料学科。利用科研Materials Studio和Themo-calc软件,搭建材料设计计算仿真平台；利用科研ANSYS和Fluent软件,搭建了材料力学与工程仿真平台；加上材料成型及加工虚拟实验平台及科研Gromacs和Lammps等软件,共同构建了基于虚拟仿真实验平台的第二课堂平台。该平台涉及金属、无机、高分子材料的设计以及加工等内容,可满足学院四个年级四个专业学生的大学生课外开放实验、创新实验、本科毕业论文和大学生学科竞赛等活动要求,如图3所示。

图3 材料科学与工程虚拟仿真实验教学平台构成

2.1.3 构建满足材料学实验教学要求的课程体系

根据人才培养计划要求,基于 “学生为主体”的教学理念,利用整合好的金属材料成型虚拟仿真平台、材料设计计算仿真平台以及材料力学与工程仿真平台,结合实体实验,构建了由满足材料学科“设计—加工—结构—性能”四要素教学环节中虚拟实验教学要求的一整套课程体系。

该体系结合课程理论教学,融合实体实验、虚拟仿真实验、第二课堂及学科竞赛项目、大学生开放实验项目及毕业设计、企业现场参观教学等实践教学活动,构成一整套能够较好地满足材料学科人才实践能力培养要求的课程体系。

2.2 探索虚拟实验教学方法及模式

2.2.1 设计 “虚实结合、以虚补实、能实不虚”实验教学模式

金属材料成型加工的实验,大学里几十年一贯制,基本上是讲加工原理,进行不同加工条件下材料的组织性能试验,“设计”和 “加工过程”基本不涉猎。这主要是因为传统材料设计基本依据掌握的理论及实践知识,沿用传统的 “炒菜”试加模式,时间长、成本高,安全性差；而加工过程难以用传统实验方法进行组织动态性能剖析,因而也没办法进行。

引入虚拟仿真试验教学平台后,围绕材料“设计—加工—结构—性能”四要素, “设计”试验环节可借助于Materials Studio和Themo-calc等材料设计软件,利用第一性原理开展材料电子行为的虚拟仿真实验,计算具有周期性结构的材料对应的晶体结构、电子结构和光电性质。这不仅有助于学生形象理解在量子力学、固体物理与半导体物理中所学的理论知识,将抽象的公式形象化、具体化,引导学生进入原子和电子的微观领域,而且提高了学生的学习热情和积极性。利用Gromacs和Lammps软件,模拟研究金属、无机、高分子材料及生物大分子在各种时间尺度下的动态行为；利用JSCAST、DEFORM和Simufact.welding软件,开展金属材料在不同加工过程中组织性能的动态行为研究。以JSCAST软件为例,实验中,学生自己通过操作平台,设置不同成型方法 (重力铸造、压力铸造和离心铸造等),设置不同工艺参数 (比如浇注温度、充型压力和浇注系统参数等),可视化观察并分析工艺方法和工艺参数等因素对铸件成型的影响规律,为工艺方法和工艺参数的优化设计奠定基础。型砂性能评定及造型、铝合金熔炼浇注及铸件质量评价等实体实验能完成的,则坚决进行实体实验,能实不虚。虚拟实验与实体实验有机结合,满足了学生在实体实验中难以完成的教学要求,使一些条件不具备的实验,可以重复实验,随时实验。有效解决传统实验教学中的以教师为中心、以传授知识为主、学生被动学习的单向传递教学模式。学生变被动学习为自助主动学习,提升学习兴趣,提高实验教学效果,如图4所示。

图4 “虚实结合”思想及案例

2.2.2 开设视频教学方式，实现课堂课外结合

将学院价值在30万以上、使用机时数较高的大型分析仪器的实验操作技术录制成系列视频,替代教师课堂上的演示。在传统实验教学中,教师向学生操作演示的过程里,部分学生跟不上、看不清,尤其是对电脑屏幕界面的参数设置和鼠标操作不能详细记录,而通常情况下,仪器的操作演示不可逆,一般只进行一次,不利于学生完全掌握仪器的操作流程[9-10]。

通过播放录制好的仪器操作视频,学生可以课前提前进行预习,同时教师还可以随时暂停视频,把关键动作重复播放或将操作过程中的注意事项强调给学生,使其对操作流程细节的记忆和理解更加清楚明了[11]。例如,学院专业型硕士培养要求中有一项要求,就是必须掌握一种大精设备的操作技能,并考取操作证书。通过录制的大型仪器操作视频,学生可根据自身专业方向和兴趣爱好选择学习种类,也可作为课外爱好钻研探索。同时,录制好的操作视频,也可以为后期虚拟仿真平台预约系统使用[12]。

3 材料成型数字化虚拟实验教学的建设成效

通过材料成型数字化虚拟实验教学几年的探索研究与实践,建设了独立的虚拟仿真实验室,成功搭建了材料设计成型虚拟仿真实验平台；探索建立了虚实结合、以虚补实、能实不虚的实验教学方法及模式；建设了一支技术过硬,满足虚拟仿真人才培养要求的实验教师队伍；建立了满足自主开放实验要求的管理制度；构建了基于虚拟仿真平台的课程实验体系。

新开设了7项虚拟仿真实验项目,参加学习人时数达到1 544人时数,解决了加工过程中的结构变化等看不见摸不着,抽象问题的认知难题；增加了学习的形象性和兴趣性。搭建的基于虚拟仿真实验平台的第二课堂平台及实验体系,覆盖了学院4个年级的4个专业；可满足大学生课外开放实验、创新实验、本科毕业设计、大学生学科竞赛和研究生科学研究等各种要求,涉及金属、无机、高分子材料的设计、加工和结构计算等内容。学生利用虚拟仿真首次参加全国铸造设计大赛,获优胜奖一项,参与奖一项,扩大了学校知名度和社会影响。

4 结束语

通过几年的探索,学院的材料成型数字化虚拟教学实践取得了较好的效果,学生动手能力得到了提高,对抽象知识的理解得到了加强,知识点掌握牢固,课堂教学效果和课外知识丰富有所提升,该专业学生就业率比其他专业略高,回访用人单位对学生的评价也较好。下一阶段,学院将结合自身教学实际,扩大虚拟仿真技术的应用范围,加强虚拟实验教材的建设力度,促进虚拟实验教学的可持续发展,为创新型人才的培养做出更大的努力。

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[3]教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知 (教高司函 [2013]94号) [Z].北京：教育部,2013.

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