以航空航天典型部件应用需求为牵引电镀工艺虚拟仿真实验教学改革的设计与实践

李卫平，罗子璐，刘慧丛，饶 晗，南 洁，陈海宁

（北京航空航天大学材料科学与工程国家级实验教学示范中心，北京 100191）

0 引 言

新工科是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育改革方向［1］。为适应新工科发展，培养创新型工程科技人才，需要总览“新的工科专业、工科的新要求”，注重学科与专业的实用性、交叉性、融合性与综合性，强调信息技术与传统工业技术的紧密结合。对现有工科人才培养尤其是实践教学体系进行深入改革，促进学科、专业深度交叉融合，改变传统的工科专业过窄过细的弊端，提升学生解决复杂工程问题的水平和提高其科技创新能力，需要建立交叉融合的实践教学平台［2-4］。

实验教学是帮助学生理解客观世界运动规律、掌握知识生产能力的重要方式，是在知识学习与实践技能培养之间建立联系的有效手段［5］。而利用新兴信息技术建设虚拟实验教学平台，有助于解决知识学习与实践技能获得之间的鸿沟［6］。某些实验无法在真实的实验室为学生开展，例如某些化学反应速度很快，物质间微观作用机理难以展现，某些反应需要在高温高压等严苛条件下完成，也有些实验会生成危害性物质，造成环境污染和健康危害，都无法在实验室中正常开展。开展虚拟仿真实验可以解决传统实验无法或者难以实现的过程，弥补真实实验教学的不足，培养学生解决复杂问题和高阶思维能力，实现知识与实践技能的并行培养［7-8］。随着信息化技术的日新月异发展，信息化教育已形成趋势，近年来教育部连续印发《教育信息化十三五规划》《关于2017-2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》等精神和文件，进一步强调开展示范性虚拟仿真实验教学的重要意义［9］。在信息化时代，虚拟仿真实验系统随着网络技术的发展和普及而被广泛应用，成为传统实验教学有效而重要的补充，推动着实验效率的提高和实验教学模式的改革［10］。

电镀（电沉积）是在材料表面获得金属镀层的一种重要方法，在不改变基体材料特性的前提下，在零件表面获得一定功能的膜层，从而扩大材料的应用范围［11］。由于具有镀层种类多、膜层厚度可控、膜层表面功能广、范围宽、可大面积加工零件、处理温度低、可以自动化连续工业化生产等优点，电镀在大型构件表面处理、微小部件加工、导电化处理等方面具有不可替代的优势，在航空航天、汽车、电子等领域具有重要地位［12］。然而，在电镀技术实验教学过程中，存在电沉积过程难以展示、包含剧毒化学品和重金属离子实验难以开设以及实验带来的水污染等问题［13］，尤其是在航空航天领域，许多典型零部件构型复杂、尺寸大，导致电镀过程难以实施、电镀周期长［14］，因此开发电镀技术虚拟仿真实验教学具有重要意义［15］。

本文结合新工科的要求，通过虚拟现实与工艺仿真计算相结合，设计构建航空航天典型零部件电镀工艺虚拟仿真实验课程。该课程以航空航天领域电镀关键技术和典型应用为牵引，实现了典型电镀工艺全过程的交互功能；以培养学生解决实际问题的能力为导向，创新了电镀工艺过程与电镀膜层性能相关性虚拟实验的推演功能。该课程破解了电镀工艺实验污染严重、镀层沉积过程不可见、镀层测试设备成本高、全过程教学周期长等实验教学难题，为培养学生分析解决实际工程问题的能力提供有效手段，将服务国家需求的价值取向融入实验教学的全过程。

1 虚拟仿真教学实验的总体设计

针对航空航天领域复杂构件电镀过程难以实施、电镀机理难以展示等问题，本虚拟仿真课程设计了3个实验阶段——基础知识学习、小型航天部件电镀及表征、大型航天部件电镀模型建立及分析，实现3 种航空航天典型零部件电镀全过程的仿真还原，整体设计思路如图1 所示。最终形成了“四层次”教学体系，通过1 套虚仿系统，2 个教学环节，3 个典型部件，4 个电镀工艺要素的全过程仿真再现，实现对学生理解应用知识能力、分析解决问题能力、设计开发方案能力、逻辑推演和创新思维能力的系统培养。

图1 航空航天典型零部件电镀工艺虚拟仿真实验整体设计思路

2 典型电镀工艺全过程的交互功能的设计和实现

无论是教师引导性教学还是学生自主性学习，都不能否认教学是一种双向过程，在信息化教育中，交互是必不可少的环节［16］。在该理念下，实验课程设计了多个交互性步骤，学生在操作这些步骤的同时可以得到实时的结果反馈。例如依据多年科研实验结果形成的数据库得到不同前处理现象与不同前处理流程的对应关系，将这些对应关系呈现在虚拟实验教学平台上，学生在选定不同前处理流程后就会看到对应的实验现象展示，可以依据现象分析前处理是否合格，前处理合格的零件表面均匀干净有光泽，不合格的前处理或有油污，或光泽度不均匀。前处理合格与否决定了后续进入的操作步骤，设计逻辑如图2 所示。界面显示不同前处理现象的效果图如图3、4 所示。每一交互性步骤中的不同操作都对应不同的实验现象，提供学生即时反馈与互动，引导学生掌握正确的电镀工艺，实现了该虚仿实验的交互性。

图2 电镀前处理步骤设计思路

图3 电镀前处理流程不合格评价显示界面

图4 电镀前处理流程合格评价显示界面

课程以航空航天领域电镀关键技术和典型应用为牵引，创实了典型电镀工艺全过程的交互功能。学生“沉浸式”体验学习和良好“交互性”激发了学生的学习兴趣，满足学生个性化探索需求，从电镀工艺设计、施镀工艺优化、镀层性能评价等方面，培养学生理解应用知识能力和分析解决问题能力。

3 电镀工艺过程与电镀膜层性能相关性推演功能的设计和实现

该课程以培养学生解决实际问题的能力为导向，着重关注宏观实验现象与微观实验过程之间的联系，创新了电镀工艺过程与电镀膜层性能相关性虚拟实验的推演功能。例如运用COMSOL虚拟仿真软件建立火箭发动机气管收扩段电镀模型，还原其电镀过程，得到不同参数（阳极形状和阳极尺寸）下收扩段电沉积厚度及其分布等数据，在COMSOL 数据支撑下构建收扩段大型构件电镀仿真模块。在该模块中用颜色深浅代表电沉积厚度，学生选择不同形状的阳极后，通过数值分析对比镀层厚度和镀层均匀度，定性明确最佳阳极形状。定性选择后，定量探究不同尺寸的阳极对镀层厚度、镀层均匀度的影响，查看不同结果，寻找阳极尺寸对镀层的影响规律，体现了探究过程的推演性。设计逻辑见图5，最终得到的界面效果见图6、7。

图5 火箭发动机收扩段电镀仿真模块设计思路

通过对空间站导电滚环、柱塞泵滑靴体，以及火箭发动机尾喷管收扩段这3 个典型零部件叠层电镀、局部电镀、沉积过程等典型工艺的仿真再现，依托COMSOL软件仿真和多年科研实验结果形成的数据库，为学生理解宏观实验现象与微观实验过程架起桥梁，将“看得见的镀层表面”与“看不见的离子沉积过程”内在联系直观展现，实现虚仿过程的推演性，帮助学生理解实验结果和电镀参数之间的推演原理，培养学生专业知识融会贯通的应用能力、逻辑推演和创新思维能力。

图7 阳极尺寸对镀层厚度分布影响显示界面

4 结 语

以航空航天领域电镀关键技术和典型应用为牵引，开发建设电镀工艺虚拟仿真实验课程、设计“四层次”教学体系的实验教学内容，实现典型电镀工艺全过程的交互功能和电镀膜层性能与电镀工艺过程相关性虚拟实验的推演功能，提高学生的理论基础，培养学生的逻辑推演、创新思维能力和解决实际问题的能力。该课程依托的虚拟仿真系统可以弥补真实电镀实验的不足，具有很好的拓展性，不仅适用于本科生和研究生实验教学，而且可推广至专业技术人员培训。