基于虚拟仿真与科研成果转化相结合的“材料综合实验”改革实践

摘要：为了提高材料科学与工程专业学生的实际工程意识，依托学校与企业合作的成果转化应用，借助虚拟仿真场景，探索企业实际生产与实践教学之间的契合点，对“材料综合实验”进行实践教学改革。结果表明，通过虚拟仿真场景对TC18钛合金热处原理、强韧性化机制、工艺参数的影响因素等进行综合分析，激发了学生的实验兴趣，全面提升了学生的工程意识、工程素质和工程实践能力，提高了材料科学与工程专业应用型人才培养质量。

关键词：虚拟仿真；科研成果转化；材料综合实验；改革实践；人才培养

中图分类号：G642文献标识码：A

鉴于我国高校工科实践教学与企业实际生产存在脱节现象，导致毕业生就业后难以适应企业的工作条件，就业适应期长，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》提出了高校要深化与企业的合作，建立校企联合培养的协同育人机制［12］。“以学生为中心”是当前高校教学改革的核心理念［35］。教育部印发的《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》提出了建设仿真实训基地等信息化教学实施［67］。由此可见，以学生为中心，推进实践教学改革，深化企业合作，培养适应社会经济发展需求的复合创新型应用人才，已成为我国高校人才培养亟须解决的重要问题。因此，探索行业实际生产与实践教学的契合点，大力推进以学生为中心的实践教学改革，具有重要的现实意义。“材料综合实验”是一门实践性很强的课程，主要内容为材料组织结构、热处理工艺与力学性能之间的关系，与企业的实际生产结合紧密［810］。材料热处理作为实现材料性能提升的重要手段，是一个复杂的综合过程，涉及高温、易燃易爆及酸碱腐蚀等危险操作，其热处理过程周期长、成本高，且热处理过程中材料内部组织的改变过程肉眼不可见。为了提高我校材料科学与工程专业的人才培养质量，本文将与企业合作的科研成果转化及应用项目“TC18钛合金热处理工艺”过程进行虚拟仿真，引入“材料综合实验”课程实验，推进成果转化应用、企业实际生产与实践教学深度融合，进行“材料综合实验”改革，以提高学生的实践创新能力。

1“材料综合实验”虚拟仿真教学改革的必要性

材料科学与工程是研究材料性能及其制备工艺的学科，材料的化学成分、组织结构、加工工艺和性能是材料科学与工程的核心要素，材料组织结构和制备工艺极大影响材料的性能和应用。材料的热处理是通过加热、保温和冷却等手段，改变材料内部的组织结构，以提高材料性能的金属热加工工艺。然而，材料热处理是一个复杂的综合过程，存在诸多影响因素及其特殊性。与其他的材料加工工艺相比，材料热处理具有以下特点：

（1）材料热处理过程涉及高温、易燃易爆及酸碱腐蚀等危险操作。热处理过程需要对零件进行加热，其加热温度高达上千度；热处理淬火需要将高温加热工件淬入油中，极易燃烧；化学热处理需要用到乙炔、煤油及氢气等易燃易爆气体；盐浴热处理需要用酸碱盐等。

（2）热处理工程周期长，消耗大，成本高。热处理过程需要经历材料的入炉升温、保温及降温冷却等过程，长达数小时，热处理周期长；热处理过程需要消耗大量的水电等，生产成本高。

（3）热处理过程中材料内部组织的改变肉眼不可见。热处理过程是通过改变工件内部的显微组织结构，以提高材料的综合性能，材料内部组织改变这一过程肉眼不能观察。

热处理过程包括加热设备、加热温度、保温时间、冷却方式等，材料组织分析过程包括材料金相显微组织分析、成分分析、形貌分析等，材料性能检测过程包括材料的硬度检测、冲击韧性、疲劳检测及拉伸强度等。热处理过程是多工艺的综合运用过程，可以为学生提供大型的综合复杂训练，通过该综合实验，可以极大地提高学生的实际动手能力、解决实际问题能力及创新能力。然而，传统的实践教学只能进行简单的热处理，对组织与性能进行简单分析测试，难以对热处理材料内部组织结构改变与力学性能之间的关系进行深入理解，严重制约着材料专业实践教学水平和教学质量的提高。

贵州省聚焦国家“十四五”规划的主战略，提出围绕“四新”主攻“四化”主定位。“四化”明确提出强力推进新型工业化，深入实施工业倍增行动，深入实施工业强省战略，在新征程上奋力推动贵州工业大突破，迫切需要培养大批新兴工程科技人才。因此，根据贵州省航空航天、装备制造、材料与化工等领域对材料类人才的需求，培养服务地方经济发展、具有创新精神的高素质工程应用型人才。本文将合作企业的成果转化应用项目“TC18钛合金热处理工艺”进行虚拟仿真，并将其引入课程实验，推进科研成果转化、企业实际生产与实践教学的深度融合，培养学生的创新精神和解决问题的能力，提高学生综合素质和人才培养质量。

2“材料综合实验”虚拟仿真教学改革的先进性

2.1实验内容涵盖了钛合金热处理新技术，具有先进性

钛合金因其具有高的比强度、耐高温及耐腐蚀等优点，是航天航空领域广泛应用的关键前沿材料，但钛合金表面硬度低，耐磨性差，其应用范围受到限制。为提高其表面硬度和耐磨性，本文将成果转化应用项目“TC18钛合金渗氮前的双重退火热处理工艺”最新科研成果进行虚拟仿真并引入课程，让学生虚拟操作并直观观察钛合金的热处理实际生产过程，了解钛合金热处理前沿知识，并进行实际模拟操作，其实验内容具有先进性。

2.2实验系统设计具有先进性

材料热处理过程是一个综合性、设计性和系统性很强实验过程，可以极大锻炼学生的实践创新能力，该实验周期长，涉及高温、真空等问题，因其场地空间的限制，在学校很难开展。该项目借助产学研合作平台，通过虚拟仿真的方式，将其在企业的实际生产过程引入课程，解决了热处理相关的课程实验不能动手实验的局限性问题，可以极大增强学生对热处理工艺及设备、固态相变原理、材料科学基础等相关理论的深入理解。本项目建立在符合学生认知规律的实验教学程序基础上，通过对钛合金热处理的实际生产过程进行虚拟仿真，让学生得到从理论想象到实验观察、再到理论分析各方面能力的全面提升，以学生为中心，强化了材料科学与工程专业学生对本专业材料知识点的理解，能够切实提高教学实效。

3“材料综合实验”虚拟仿真内容设计

利用WebGL、3D仿真技术等手段建立了TC18钛合金热处理生产车间的实际生产过程，从热处理零件铸造、机械加工及热处理设备的选择操作，到热处理工艺过程，再到零件检测分析进行全过程模拟仿真，让学生在虚拟场景中能够亲自动手，体验钛合金零件的实际生产过程。主要核心要素仿真内容设计主要包括以下方面：

（1）热处理设备操作过程的虚拟仿真设计。在热处理设备操作过程环节，学生可通过按钮进行控制，真实呈现锻造设备、机械加工设备及热处理设备的操作过程及设备的运动规律，掌握设备各结构之间的动作关系。

（2）热处理工艺过程的虚拟仿真设计。在热处理工艺过程中，学生可通过设置保温时间、保温温度、冷却方式等条件实现热处理工艺过程，同时根据每一种工艺状态所对应的金相显微观察进行了模拟设计。

（3）检测过程的虚拟仿真设计。主要对抗拉强度、硬度测试及金相显微组织分析过程进行虚拟仿真设计，学生点击相应的虚拟操作环节完成TC18钛合金热处理后性能的测试过程。

4“材料综合实验”虚拟仿真教学实施过程

钛合金具有高的比强度、耐高温及耐腐蚀等优点，是航天航空领域广泛应用的关键材料，主要用于制造发动机、紧固件及机体结构等。本文根据我校人才培养目标要求，将成果转化项目引入课程实验项目，培养学生勇于探索的创新精神和善于解决生产实际问题的综合能力，提高学生综合素质和人才培养质量。在教学设计中，基于TC18钛合金实际生产过程的虚拟仿真实验场景，采用目标导向、交互反馈设计及问题引导等方法，构建以学生为中心的实验理念。虚拟仿真实验项目主要包括结构及原理学习、热处理设备操作、热处理工艺实验、组织性能分析检测及实验报告等教学过程，让学生了解材料研究中工艺条件、材料成分、组织和性能之间的关系，加深理解钛合金热处理相关理论。具体实施过程及教学效果如下：

4.1实验原理学习

本虚拟仿真实验主要实验原理包括TC18钛合金热处理原理、TC18钛合金热处理设备结构及原理和TC18钛合金热处理组织与性能检测设备及原理。实验前首先让学生结合相关理论知识学习相关实验原理，将各过程相关基本理论、设备操作及性能分析等理论与实际生产联系起来，锻炼学生的综合能力。同时学习TC18钛合金热处理相关的操作规范，进行虚拟操作前学习操作手册，提前了解虚拟实验操作过程。学生实验前，还需对实验目的、实验简介及实验方法进行了解。通过实验前的充分预习，加强知识点和操作的理解，以激发学生的实验兴趣，提高实验效果。

4.2热处理设备操作

学生在了解相关的热处理操作规范、实验目的、实验原理及实验方法后，开始进行热处理设备操作。通过热处理设备的虚拟操作过程，掌握热处理的相关设备结构、原理、操作过程及用途等，同时直观地观察铸造过程中零件的变形过程，机械加工过程中产品的加工过程，热处理过程中零件表面颜色状态随温度的变化过程，加深对课程知识的理解，为后续工作奠定基础。

4.3热处理工艺实验

结合相关的课程理论知识，制定TC18钛合金热处理工艺规范，同时分析每一步工艺规范制定的理论依据，以及TC18钛合金热处理的工艺原理。然后，通过设置不同的热处理温度、保温时间及冷却方式等工艺参数，进行热处理工艺实验。将所学的理论知识与实际操作相结合，提高学生分析能力。

4.4组织性能的测试分析

TC18钛合金热处理结束后，利用相关的金相显微镜、万能试验机及硬度测试仪对其进行组织与性能分析。然后结合不同工艺条件下材料的组织与性能特征，分析热处理工艺参数、组织与性能之间的关系。

4.5实验报告

学生完成实验后，进入实验报告环节。在实验报告中，通过对每个实验步骤设置相关问题，对学生实验过程进行评分，学生还需要填写实验报告，实验教师根据实验操作、问题回答及实验报告进行考核。

5“材料综合实验”虚拟仿真的教学效果

根据实际科研成果转化在实际生产中的应用，构建了TC18钛合金热处理过程的虚拟仿真场景，旨在培养学生探究式思维方式和解决复杂工程问题的能力，在熟悉实验流程和掌握基本实验技能基础上，通过TC18钛合金热处理过程的虚拟操作，学生将达到以下方面的能力提升。

5.1激发实验兴趣

依托现代信息，紧跟行业实际生产，灵活运用情景式实验、引导自主式实验过程、项目式等多种方法，根据教师科研成果及人才培养要求，将企业的实际生产通过虚拟环境模式引入实习过程，极大激发了学生的实验兴趣。

5.2认知能力提升

让学生身临其境地了解钛合金热处理车间布置、实际生产注意事项和相关设备，同时直观观察零件铸造过程、变形过程、机械加工过程及热处理过程等，并在热处理过程中身临其境地感受零件颜色随温度的变化过程，结合所学的相关理论知识，提高学生的认知能力。

5.3动手能力提升

通过对钛合金表面热处理过程的虚拟仿真实验，学生亲自动手虚拟操作，解决材料科学与工程专业实验及实习只能观摩不能动手实验的局限性问题，加强学生实验技能，增加学生的实际经验，提高学生的动手能力。

5.4分析能力提升

实验结束后，学生对实验结果进行归纳总结，建立起钛合金热处理工艺、组织与性能之间的关系，深刻理解钛合金热处理过程及其原理，提高学生分析和解决实际工程问题的能力。

结语

以学校和企业合作的成果应用及转化项目为依托，以典型的航空用钛合金为研究对象，结合产学研协同育人的成果，基于虚拟仿真场景，对“材料综合实验”进行教学改革。借助虚拟仿真学习系统，学生了解了TC18钛合金生产车间的实际生产情况，熟悉了热处理生产设备的操作，学会了实验过程工艺参数及冷却方式的选择，掌握了钛合金热处理组织性能的分析测试，全面了解了钛合金热处理生产的全过程。通过虚拟仿真场景对TC18钛合金热处原理、热处理强韧性化机制、工艺参数的影响因素等进行综合分析，全面提升了学生的工程意识、工程素质和工程实践能力，在仿真生产环境下，以学生为中心，构建出学生认知的工程实践体系。

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基金项目：贵州省教学内容和课程体系改革项目（［2023］SJG第2023044号）；贵州省科技计划项目（黔科合成果［2019］4020号）

作者简介：杨闯（1976—），男，土家族，贵州思南人，博士，教授，研究方向：金属材料的表面改性与强化。