“熱處理設備”課程虛擬仿真實驗教學系統建設及應用

姚 敬，肖 璇，舒小勇

（南昌航空大學 a.材料科學與工程學院；b.航空制造工程學院，江西 南昌 330063）

隨著新材料在世界范圍內不斷被創造，也造就了一批像鋰電、光伏、3D打印等新的產業，而與之配套的后續深加工與精細化性能調控技術未能及時跟上發展［1］。熱處理就是一項至關重要的后續工藝，是機械制造業中提高產品性能、使用壽命和可靠性的關鍵環節。由于種種原因，我國熱處理工藝的水平仍與發達國家存在階段性的差距，這成為制約我國制造業發展的瓶頸，因此大力推動熱處理自主創新顯得格外迫切［2］。國內熱處理領先企業的關鍵熱處理設備長期依賴進口，而且動輒幾百萬甚至上千萬元花費［3］，熱處理設備研發力量的不足等現狀讓從事熱處理專業的設計和制造和人員如芒在背。為趕超發達國家的熱處理工藝水平，大力推動熱處理設備自主創新，向更精良、更節能、更智慧的方向發展顯得格外迫切［4-5］。

近些年，部分文獻［1，6-9］報道了關于熱處理課程改革的相關教學設計和改革，并涉及了課程內容和體系改革、人才培養模式改革、教學方法改革等。在大力調整優化專業結構、推進產學研深度融合，加強基礎研究人才培養的新工科背景下，該課程的改革仍是一個全新的命題。

一、金屬材料熱處理課程中實驗教學存在的問題

設備課在材料工程科技工作者的知識結構形成過程中具有其他課程（如“熱處理工藝課”“機械設計課”等）不能包含或代替的特殊作用［10］?，F有的“熱處理設備”課的教學過程理論教學較多。實踐與實驗教學內容的綜合性、前沿性、系統性和啟迪性不足，創新實踐活動形式單一，學生主動參與的意愿不強。設備設計環節始于模仿而梏于圖紙，與生產和科研實際脫離。

學生做完實驗后經常反映如下問題：（1）由于時間緊湊，學生對實驗原理等內容理解不深刻，所獲甚少。（2）實驗多數是驗證性實驗，缺少自主創新實驗。學生可以依照實驗流程做完實驗，但實驗結果與理論知識之間的關聯性、與科研項目的關聯性，以及與其他學科的交叉性等內容學生都不甚了解，不利于知識的掌握以及創新意識和能力的培養。

另一方面，傳統實驗還有以下一些問題：（1）部分熱處理設備價格昂貴，配套不夠；（2）熱處理設備運行過程伴有高溫、高壓、可燃性氣體等風險，常規實驗教學實驗難以滿足；（3）高耗能、高成本、高污染、實驗準備時間長的實驗在傳統實驗中也難以大規模展開；（4）現有實驗與工程實際、科研前沿的結合度不高，不利于激發學生的創新意識和創造能力，不利于提高學生的實驗構想和設計能力。

二、虛擬仿真實驗教學系統建設的價值

近年來，除理論教學與實驗實操外，有些高校大力發展第三種教學形式——虛擬仿真實驗。虛擬仿真成本低、效率高、操作性強、易于共享、擴展性好。典型的虛擬仿真實驗教學系統主要集中在以下兩個方面：（1）利用多媒體技術，提高教學時效，提升學生學習熱情。（2）開發滿足實驗實踐需求的虛擬軟件，以更好地培養學生的實踐操作能力。虛擬仿真教學實踐者認為虛擬仿真實驗突破了時空局限、成本高等問題，不僅可以節省資金、空間，還是實體實驗的有益補充。真實實驗和虛擬仿真相結合的模式可以加深使用者對實驗原理、步驟、細節的掌握和理解，提高學習興趣和學習效果［11］。但是，有些虛擬系統主要是通過實驗文件、實驗過程管理、Flash原理動畫演示、視頻演示等形式開展，學生的參與深度不夠。因此，虛擬仿真實驗不能替代真實實驗。

綜上所述，本項目針對熱處理設備相關課程開發綜合性的虛擬仿真實驗，從而形成以下幾點學術價值和應用價值。學術價值主要表現為：（1）提高教學的系統性。本項目將熱處理設備故障診斷、維修與設計實踐、實驗教學內容納入現有的教學體系，對實驗進行系統規劃，從而實現理論課堂學習與實操實驗、虛實結合實驗三結合的教學系統。（2）實現實驗教學的虛實互補。本項目根據現有實物實驗的情況，再通過虛擬仿真技術滿足教學需求，并開發虛實結合的實驗課程。發揮好虛擬仿真實驗教學可以隨時隨地參與的優點，擴大實驗教學的廣度和深度。（3）利用老舊廢棄設備改擴建實驗場地，完成虛擬實驗在現實實驗中的驗證和延伸。

本項目的應用價值主要體現在以下方面：（1）本項目可以突破實驗室條件限制，有效彌補實驗教學資源的不足，使學生可以隨時隨地地開展相關實驗。（2）本項目可以豐富教學內容，激發學生的求知欲，培養學生的實踐能力和創新能力，從而培養創新型、復合型人才。（3）本項目的虛擬仿真系統具有共享性的特點，可以在上級虛擬仿真平臺上進行推廣，提高熱處理專業設備實驗教學水平并普及大眾化知識。（4）本項目的虛擬仿真系統具有沉浸式、交互式、構想式的優勢，可以培養學生的操作能力。通過與前沿科研項目相互結合，積極開展相關領域的前沿問題的研究，不僅有助于培養學生的學術水平、科研創新能力，還有利于解決科研前沿問題，解決實際科學問題。

三、虛擬仿真實驗教學系統建設要點和實施路徑

本著深耕制造業的精神，并發揮好教育人、激勵人、引導人的教育主陣地的作用，為制（智）造業培養現代化專門型人才，我們大力改革現有的課程設置和授課方式，用科技助力并服務教學，借助虛擬現實技術等多種手段，增大課堂容量、拓寬視角、打破時間和空間的限制，讓課堂與制造業前沿緊密結合，使專業課課堂緊跟生產實踐又高于生產實踐。本改革項目從教學實際出發，本著以虛補實、以實饋虛、解決現實教學中的難題、服務教學與學生、與航空工業對接的理念，通過對現有的教學內容進行更新和增補進而推動課程體系改革，建設要點有以下幾個方面。

（一）體現科技、產業、教學深度融合，服務于行業

從解決行業短板和滿足實際需求出發，圍繞培養德智體美勞全面發展的行業建設者這一主線，圍繞“十四五”規劃總體布局，設計“五位一體”實施方案，構建開放融合的熱處理設備專門型人才培育體系。

從相關企業收集生產信息，制作成課件、案例，再植入課堂。定期邀請合作單位或校友專家講解實際產品案例。

（二）立足校情學情，以學生學習需求為中心，服務于教學

我校熱處理專業辦學時間長，注重傳承和積淀，經過近60年的發展，取得豐碩成果的同時也不可避免地產生了體系龐大、模式固化、按部就班等問題，從而延緩了發展的腳步。堅持緊跟行業發展的辦學思路，聚焦教學發展不平衡不充分的現狀，著力解決學生學習動力不足、效果不佳的問題。立足上述校情和學情，盡力而為、量力而行，科學設定切實可行、行之有效的改革目標。設備課的建設目標在于教會學生如何通過自己的專業知識去選擇或設計能實現材料工藝要求的設備［10］。

以學生為中心、以學習為中心，打造多維立體教學，建立第一、第二、第三課堂教學系統，如圖1所示。第一課堂是指教室中的正式學習環境；第二課堂是指實驗室；第三課堂是指第一、第二課堂之外的學習環境。借助虛擬實驗室平臺，學生在第一、第二課堂內所掌握的知識、技能能得到更加廣泛和深入的檢驗與應用，能更大程度地發生學習遷移。多課堂教學系統將線上線下學習深度融合，實現了無縫學習。第一課堂強調合作、討論、展示；第二課堂強調自主、質疑、應用；第三課堂強調拓展、遷移、體驗［12］。上述建設要點由圖2所示路徑來實現。

圖1 多維立體教學示意圖

圖2 虛擬仿真實驗建設實施路徑

四、建設成效

（一）解決了現有教學瓶頸問題

克服了傳統實驗教學時空限制、經費不足的問題，實驗中的安全風險問題，實驗先進性和綜合性不足的問題。

（二）豐富了教學模式

構建綜合性、創新性、虛實結合的實驗體系，整合信息技術與學科課程，讓學生可以隨時隨地、系統而深入地開展實驗，從而提高學生的學習興趣，學生可以進行多感知性、沉浸性、交互性、自主構想性的實驗。圖3為信息化手段制作的先進熱處理設備示意圖。

圖3 信息化手段制作的先進熱處理設備示意圖

（三）引導學生改進學習方式

讓學生學會自主學習、合作學習、探究學習。提高學生的創新能力。學生對與課程相關的賽事關注度明顯上升。學生參加金相大賽、熱處理創新創業大賽和考助理熱處理工程師的人數增加。

（四）教學相長

圍繞教學研究，教學團隊成員申報多項校級、省級教學改革課題和創新創業課題。

結語

借力虛擬仿真實驗，打破時間、空間、材料、設備的限制，解決了傳統熱處理設備設計實踐實驗耗時長，以及設備設計止于圖紙，終于計算，無從反饋和修正的問題?？s小了傳統教學和行業前沿之間的差距，降低了能耗和操作風險，拓展了實驗教學的深度和廣度。