摘要：為了提高材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)際工程意識(shí)，依托學(xué)校與企業(yè)合作的成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，借助虛擬仿真場景，探索企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)與實(shí)踐教學(xué)之間的契合點(diǎn)，對(duì)“材料綜合實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革。結(jié)果表明，通過虛擬仿真場景對(duì)TC18鈦合金熱處原理、強(qiáng)韌性化機(jī)制、工藝參數(shù)的影響因素等進(jìn)行綜合分析，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，全面提升了學(xué)生的工程意識(shí)、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，提高了材料科學(xué)與工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；科研成果轉(zhuǎn)化；材料綜合實(shí)驗(yàn)；改革實(shí)踐；人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

鑒于我國高校工科實(shí)踐教學(xué)與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)存在脫節(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致畢業(yè)生就業(yè)后難以適應(yīng)企業(yè)的工作條件，就業(yè)適應(yīng)期長，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》提出了高校要深化與企業(yè)的合作，建立校企聯(lián)合培養(yǎng)的協(xié)同育人機(jī)制［12］。“以學(xué)生為中心”是當(dāng)前高校教學(xué)改革的核心理念［35］。教育部印發(fā)的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》提出了建設(shè)仿真實(shí)訓(xùn)基地等信息化教學(xué)實(shí)施［67］。由此可見，以學(xué)生為中心，推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革，深化企業(yè)合作，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的復(fù)合創(chuàng)新型應(yīng)用人才，已成為我國高校人才培養(yǎng)亟須解決的重要問題。因此，探索行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)與實(shí)踐教學(xué)的契合點(diǎn)，大力推進(jìn)以學(xué)生為中心的實(shí)踐教學(xué)改革，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。“材料綜合實(shí)驗(yàn)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，主要內(nèi)容為材料組織結(jié)構(gòu)、熱處理工藝與力學(xué)性能之間的關(guān)系，與企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合緊密［810］。材料熱處理作為實(shí)現(xiàn)材料性能提升的重要手段，是一個(gè)復(fù)雜的綜合過程，涉及高溫、易燃易爆及酸堿腐蝕等危險(xiǎn)操作，其熱處理過程周期長、成本高，且熱處理過程中材料內(nèi)部組織的改變過程肉眼不可見。為了提高我校材料科學(xué)與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量，本文將與企業(yè)合作的科研成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用項(xiàng)目“TC18鈦合金熱處理工藝”過程進(jìn)行虛擬仿真，引入“材料綜合實(shí)驗(yàn)”課程實(shí)驗(yàn)，推進(jìn)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用、企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)與實(shí)踐教學(xué)深度融合，進(jìn)行“材料綜合實(shí)驗(yàn)”改革，以提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1“材料綜合實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真教學(xué)改革的必要性

材料科學(xué)與工程是研究材料性能及其制備工藝的學(xué)科，材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝和性能是材料科學(xué)與工程的核心要素，材料組織結(jié)構(gòu)和制備工藝極大影響材料的性能和應(yīng)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(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，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(gè)復(fù)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(diǎn)：

（1）材料熱處理過程涉及高溫、易燃易爆及酸堿腐蝕等危險(xiǎn)操作。熱處理過程需要對(duì)零件進(jìn)行加熱，其加熱溫度高達(dá)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(xué)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(jīng)歷材料的入爐升溫、保溫及降溫冷卻等過程，長達(dá)數(shù)小時(shí)，熱處理周期長；熱處理過程需要消耗大量的水電等，生產(chǎn)成本高。

（3）熱處理過程中材料內(nèi)部組織的改變?nèi)庋鄄豢梢?。熱處理過程是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)，以提高材料的綜合性能，材料內(nèi)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(shè)備、加熱溫度、保溫時(shí)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(cè)過程包括材料的硬度檢測(cè)、沖擊韌性、疲勞檢測(cè)及拉伸強(qiáng)度等。熱處理過程是多工藝的綜合運(yùn)用過程，可以為學(xué)生提供大型的綜合復(fù)雜訓(xùn)練，通過該綜合實(shí)驗(yàn)，可以極大地提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、解決實(shí)際問題能力及創(chuàng)新能力。然而，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)只能進(jìn)行簡單的熱處理，對(duì)組織與性能進(jìn)行簡單分析測(cè)試，難以對(duì)熱處理材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)改變與力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行深入理解，嚴(yán)重制約著材料專業(yè)實(shí)踐教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量的提高。

貴州省聚焦國家“十四五”規(guī)劃的主戰(zhàn)略，提出圍繞“四新”主攻“四化”主定位?！八幕泵鞔_提出強(qiáng)力推進(jìn)新型工業(yè)化，深入實(shí)施工業(yè)倍增行動(dòng)，深入實(shí)施工業(yè)強(qiáng)省戰(zhàn)略，在新征程上奮力推動(dòng)貴州工業(yè)大突破，迫切需要培養(yǎng)大批新興工程科技人才。因此，根據(jù)貴州省航空航天、裝備制造、材料與化工等領(lǐng)域?qū)Σ牧项惾瞬诺男枨?，培養(yǎng)服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、具有創(chuàng)新精神的高素質(zhì)工程應(yīng)用型人才。本文將合作企業(yè)的成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用項(xiàng)目“TC18鈦合金熱處理工藝”進(jìn)行虛擬仿真，并將其引入課程實(shí)驗(yàn)，推進(jìn)科研成果轉(zhuǎn)化、企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)與實(shí)踐教學(xué)的深度融合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和解決問題的能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2“材料綜合實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真教學(xué)改革的先進(jìn)性

2.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了鈦合金熱處理新技術(shù)，具有先進(jìn)性

鈦合金因其具有高的比強(qiáng)度、耐高溫及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是航天航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵前沿材料，但鈦合金表面硬度低，耐磨性差，其應(yīng)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(zhuǎn)化應(yīng)用項(xiàng)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(jìn)行虛擬仿真并引入課程，讓學(xué)生虛擬操作并直觀觀察鈦合金的熱處理實(shí)際生產(chǎn)過程，了解鈦合金熱處理前沿知識(shí)，并進(jìn)行實(shí)際模擬操作，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有先進(jìn)性。

2.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有先進(jìn)性

材料熱處理過程是一個(gè)綜合性、設(shè)計(jì)性和系統(tǒng)性很強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程，可以極大鍛煉學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，該實(shí)驗(yàn)周期長，涉及高溫、真空等問題，因其場地空間的限制，在學(xué)校很難開展。該項(xiàng)目借助產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)，通過虛擬仿真的方式，將其在企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)過程引入課程，解決了熱處理相關(guān)的課程實(shí)驗(yàn)不能動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的局限性問題，可以極大增強(qiáng)學(xué)生對(duì)熱處理工藝及設(shè)備、固態(tài)相變?cè)怼⒉牧峡茖W(xué)基礎(chǔ)等相關(guān)理論的深入理解。本項(xiàng)目建立在符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)程序基礎(chǔ)上，通過對(duì)鈦合金熱處理的實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行虛擬仿真，讓學(xué)生得到從理論想象到實(shí)驗(yàn)觀察、再到理論分析各方面能力的全面提升，以學(xué)生為中心，強(qiáng)化了材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生對(duì)本專業(yè)材料知識(shí)點(diǎn)的理解，能夠切實(shí)提高教學(xué)實(shí)效。

3“材料綜合實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真內(nèi)容設(shè)計(jì)

利用WebGL、3D仿真技術(shù)等手段建立了TC18鈦合金熱處理生產(chǎn)車間的實(shí)際生產(chǎn)過程，從熱處理零件鑄造、機(jī)械加工及熱處理設(shè)備的選擇操作，到熱處理工藝過程，再到零件檢測(cè)分析進(jìn)行全過程模擬仿真，讓學(xué)生在虛擬場景中能夠親自動(dòng)手，體驗(yàn)鈦合金零件的實(shí)際生產(chǎn)過程。主要核心要素仿真內(nèi)容設(shè)計(jì)主要包括以下方面：

（1）熱處理設(shè)備操作過程的虛擬仿真設(shè)計(jì)。在熱處理設(shè)備操作過程環(huán)節(jié)，學(xué)生可通過按鈕進(jìn)行控制，真實(shí)呈現(xiàn)鍛造設(shè)備、機(jī)械加工設(shè)備及熱處理設(shè)備的操作過程及設(shè)備的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，掌握設(shè)備各結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)作關(guān)系。

（2）熱處理工藝過程的虛擬仿真設(shè)計(jì)。在熱處理工藝過程中，學(xué)生可通過設(shè)置保溫時(shí)間、保溫溫度、冷卻方式等條件實(shí)現(xiàn)熱處理工藝過程，同時(shí)根據(jù)每一種工藝狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的金相顯微觀察進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)。

（3）檢測(cè)過程的虛擬仿真設(shè)計(jì)。主要對(duì)抗拉強(qiáng)度、硬度測(cè)試及金相顯微組織分析過程進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)，學(xué)生點(diǎn)擊相應(yīng)的虛擬操作環(huán)節(jié)完成TC18鈦合金熱處理后性能的測(cè)試過程。

4“材料綜合實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真教學(xué)實(shí)施過程

鈦合金具有高的比強(qiáng)度、耐高溫及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是航天航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵材料，主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)、緊固件及機(jī)體結(jié)構(gòu)等。本文根據(jù)我校人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，將成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目引入課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神和善于解決生產(chǎn)實(shí)際問題的綜合能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和人才培養(yǎng)質(zhì)量。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，基于TC18鈦合金實(shí)際生產(chǎn)過程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)場景，采用目標(biāo)導(dǎo)向、交互反饋設(shè)計(jì)及問題引導(dǎo)等方法，構(gòu)建以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)理念。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括結(jié)構(gòu)及原理學(xué)習(xí)、熱處理設(shè)備操作、熱處理工藝實(shí)驗(yàn)、組織性能分析檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告等教學(xué)過程，讓學(xué)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(guān)系，加深理解鈦合金熱處理相關(guān)理論。具體實(shí)施過程及教學(xué)效果如下：

4.1實(shí)驗(yàn)原理學(xué)習(xí)

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)主要實(shí)驗(yàn)原理包括TC18鈦合金熱處理原理、TC18鈦合金熱處理設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理和TC18鈦合金熱處理組織與性能檢測(cè)設(shè)備及原理。實(shí)驗(yàn)前首先讓學(xué)生結(jié)合相關(guān)理論知識(shí)學(xué)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理，將各過程相關(guān)基本理論、設(shè)備操作及性能分析等理論與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)系起來，鍛煉學(xué)生的綜合能力。同時(shí)學(xué)習(xí)TC18鈦合金熱處理相關(guān)的操作規(guī)范，進(jìn)行虛擬操作前學(xué)習(xí)操作手冊(cè)，提前了解虛擬實(shí)驗(yàn)操作過程。學(xué)生實(shí)驗(yàn)前，還需對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)簡介及實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了解。通過實(shí)驗(yàn)前的充分預(yù)習(xí)，加強(qiáng)知識(shí)點(diǎn)和操作的理解，以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提高實(shí)驗(yàn)效果。

4.2熱處理設(shè)備操作

學(xué)生在了解相關(guān)的熱處理操作規(guī)范、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方法后，開始進(jìn)行熱處理設(shè)備操作。通過熱處理設(shè)備的虛擬操作過程，掌握熱處理的相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理、操作過程及用途等，同時(shí)直觀地觀察鑄造過程中零件的變形過程，機(jī)械加工過程中產(chǎn)品的加工過程，熱處理過程中零件表面顏色狀態(tài)隨溫度的變化過程，加深對(duì)課程知識(shí)的理解，為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。

4.3熱處理工藝實(shí)驗(yàn)

結(jié)合相關(guān)的課程理論知識(shí)，制定TC18鈦合金熱處理工藝規(guī)范，同時(shí)分析每一步工藝規(guī)范制定的理論依據(jù)，以及TC18鈦合金熱處理的工藝原理。然后，通過設(shè)置不同的熱處理溫度、保溫時(shí)間及冷卻方式等工藝參數(shù)，進(jìn)行熱處理工藝實(shí)驗(yàn)。將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合，提高學(xué)生分析能力。

4.4組織性能的測(cè)試分析

TC18鈦合金熱處理結(jié)束后，利用相關(guān)的金相顯微鏡、萬能試驗(yàn)機(jī)及硬度測(cè)試儀對(duì)其進(jìn)行組織與性能分析。然后結(jié)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(shù)、組織與性能之間的關(guān)系。

4.5實(shí)驗(yàn)報(bào)告

學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)報(bào)告環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，通過對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟設(shè)置相關(guān)問題，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行評(píng)分，學(xué)生還需要填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作、問題回答及實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行考核。

5“材料綜合實(shí)驗(yàn)”虛擬仿真的教學(xué)效果

根據(jù)實(shí)際科研成果轉(zhuǎn)化在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，構(gòu)建了TC18鈦合金熱處理過程的虛擬仿真場景，旨在培養(yǎng)學(xué)生探究式思維方式和解決復(fù)雜工程問題的能力，在熟悉實(shí)驗(yàn)流程和掌握基本實(shí)驗(yàn)技能基礎(chǔ)上，通過TC18鈦合金熱處理過程的虛擬操作，學(xué)生將達(dá)到以下方面的能力提升。

5.1激發(fā)實(shí)驗(yàn)興趣

依托現(xiàn)代信息，緊跟行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)，靈活運(yùn)用情景式實(shí)驗(yàn)、引導(dǎo)自主式實(shí)驗(yàn)過程、項(xiàng)目式等多種方法，根據(jù)教師科研成果及人才培養(yǎng)要求，將企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)通過虛擬環(huán)境模式引入實(shí)習(xí)過程，極大激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。

5.2認(rèn)知能力提升

讓學(xué)生身臨其境地了解鈦合金熱處理車間布置、實(shí)際生產(chǎn)注意事項(xiàng)和相關(guān)設(shè)備，同時(shí)直觀觀察零件鑄造過程、變形過程、機(jī)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(jié)合所學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)，提高學(xué)生的認(rèn)知能力。

5.3動(dòng)手能力提升

通過對(duì)鈦合金表面熱處理過程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生親自動(dòng)手虛擬操作，解決材料科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)及實(shí)習(xí)只能觀摩不能動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的局限性問題，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能，增加學(xué)生的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

5.4分析能力提升

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)，建立起鈦合金熱處理工藝、組織與性能之間的關(guān)系，深刻理解鈦合金熱處理過程及其原理，提高學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力。

結(jié)語

以學(xué)校和企業(yè)合作的成果應(yīng)用及轉(zhuǎn)化項(xiàng)目為依托，以典型的航空用鈦合金為研究對(duì)象，結(jié)合產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人的成果，基于虛擬仿真場景，對(duì)“材料綜合實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行教學(xué)改革。借助虛擬仿真學(xué)習(xí)系統(tǒng)，學(xué)生了解了TC18鈦合金生產(chǎn)車間的實(shí)際生產(chǎn)情況，熟悉了熱處理生產(chǎn)設(shè)備的操作，學(xué)會(huì)了實(shí)驗(yàn)過程工藝參數(shù)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(cè)試，全面了解了鈦合金熱處理生產(chǎn)的全過程。通過虛擬仿真場景對(duì)TC18鈦合金熱處原理、熱處理強(qiáng)韌性化機(jī)制、工藝參數(shù)的影響因素等進(jìn)行綜合分析，全面提升了學(xué)生的工程意識(shí)、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力，在仿真生產(chǎn)環(huán)境下，以學(xué)生為中心，構(gòu)建出學(xué)生認(rèn)知的工程實(shí)踐體系。

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基金項(xiàng)目：貴州省教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革項(xiàng)目（［2023］SJG第2023044號(hào)）；貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合成果［2019］4020號(hào)）

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(qiáng)化。