卢艳丽， 董文强， 王永欣， 姚西媛， 李 江

(西北工业大学 材料学院，西安 710072)

0 引 言

随着我国实现从“制造大国”向“制造强国”的转变，国防军工领域对先进材料、航空先进智能制造以及定制的特种材料的需求日益增多，从材料的制备到智能制造、从微观的原理到宏观的工程应用，如何在材料类专业的学生中更好地培养人才、更好地为国防军工做出贡献是人才培养工作中的重中之重。虚拟仿真实验教学中心的建设，也是基于为国防军工领域培养一大批具有动手实践能力的学生，为国家战略需求培养高端创新人才这一目标而进行建设。

近年来，国内外许多高校根据自身科研和教学的需求，开发了虚拟仿真实验项目，建立了虚拟实验室[1-3],根据教育部有关文件[4-6],借鉴其他院校的经验[7-10]，材料实验教学中心坚持以创新能力培养为核心，整合优化课程资源，理论实践互补，虚拟现实并重，构建完整的实验教学体系，2012年获批国家级材料实验教学示范中心，2017年获批陕西省虚拟仿真实验教学中心，形成了具有较强的应用和示范作用的宇航材料虚拟仿真实验教学平台，并且通过虚拟实验教学尝试，提供了学生在信息化、大数据时代和国际化办学的大背景下熟练掌握及全面运用计算机虚拟仿真技术进行设计优化和创新应用的专业基础和综合能力，取得了较为显著的实验教学效果。

1 建设的必要性

实践教学是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节，是理论联系实际、激发学生探索欲望、培养学生掌握科学方法和提高动手能力的必要途径[11-13]。材料科学与工程是实践性较强的工程应用型学科[14]，由于学科本身的特点，在实践教学过程中存在着一些普遍性问题，尤其是针对航空航天用材料在高温、高压、高速、高辐射、高危险等极端条件下使用的特点，多数材料在制备或者成形过程中需要经历高温、高压环境处理，且在制备过程中经常使用到剧毒的高危实验原料，上述极端环境下的实验教学难以进行，如有些实验如材料的疲劳、高温持久、蠕变、盐雾服役等实验周期长、设备投入复杂、实验成本比较高，难以进行真实的实验教学；有些实验由于器件成形后将部分实验特征隐藏在器件内部，无法通过观测来展示实验特征，如电阻点焊熔核偏移的形成与工艺等。另外，涉及到大量微观尺度的实验教学，需要从量子、原子核、原子、分子等微观粒子的层次出发，难以利用常规的实验教学手段来进行观察等。对于一些大型或综合性训练实验，受设备台套数的限制，无法满足每个学生都可以动手操作等。这类无法为学生演示或者难以直接通过实验手段观测的项目，都需要借助虚拟仿真实验教学平台，协助学生完成系统训练，提高实验内容的认知度，提升本科生实验教学的质量。

材料科学与工程专业技术领域内，本科实验教学过程中已经大量使用商业或联合开发了具有专业特色的仿真技术软件，其应用已成为专业能力培养不可缺少的环节。专业仿真软件种类繁多、精度高、人机交互界面友好，仿真直观性好，如ANYSYS、FLUENT、DEFORM、FilmsCAD等，需要让学生掌握专业设计仿真软件掌握虚拟仿真技术的应用，从而完成对专业能力培养要求。为此，在材料科学与工程类专业教学中很重要的一类是在教学中让学生掌握专业设计仿真软件的使用方法，在虚拟仿真环境中完成制定实验方案的制定、结果分析等任务。

在材料的相关实验教学中采用新兴的仿真模拟手段是非常重要和必要的[15-18]，不但可以完成真实实验中无法向学生开放的高危险、高成本性实验，而且通过虚拟仿真实验与真实实验相互结合与辅助，让学生既可以通过虚拟仿真教学资源进行实验预习，了解实验仪器、原理方法和实验内容等，也可以自行制定实验方案，然后再进行实际实验操作，这样可以大大提高学生的学习兴趣和预知度，提高学习效果；同时，也可以让学生先完成实验内容以后，再进行虚拟仿真实验，这样可以复习和进一步掌握实验内容中所涉及的学习知识点，提高实验内容的认知度，有效提高实验教学水平和学生整体专业素质。

2 建设内容

虚拟仿真实验教学主要面向材料科学与工程、材料成形及控制工程、复合材料与工程专业、机械设计制造、飞行器设计工程、飞行器动力工程、飞行器制造工程和热能动力工程等10大类专业的本科生38门专业基础课及专业课，航空宇航专业等相关课程，为理论课和实验教学提供实验支撑。虚拟仿真实验教学体系包括3个层次(材料基础课程虚拟仿真教学、材料专业课程虚拟仿真教学、创新研究虚拟仿真)，7大方向(金属材料、无机非金属材料、复合材料、纳米材料、凝固、塑性成形及焊接)，5大模块(材料设计、材料制备、成形加工、材料器件、材料应用)。

3个层次的虚拟仿真课程与实践项目贯穿材料相关专业二到四年级。第1层次的材料基础课程包含材料科学基础、材料热力学等、材料的力学性能、材料物理性能等，主要针对二、三年级学生，通过虚拟仿真手段实现原理和技术的直观呈现，提高授课的直观性和新颖性。第2层次的材料专业课程包含塑性成形、材料成形模具、焊接等方面，通过将虚拟仿真手段融入课程教学及开展大量课程实验的方式，充分发挥虚拟仿真技术的功能，弥补专业实物实验不足。第3层次的创新研究训练，包括金属3D打印、锂离子及太阳能电池等多个方面，通过虚实结合、多人协作的综合虚拟仿真项目结合综合课程设计、毕业设计和课外科研竞赛的需要，实现材料专业知识的综合应用，培养具有工程应用和创新研究能力的高级人才。

典型实验项目包括材料基础、材料专业及材料创新3个实验平台的9个虚拟仿真实验，其中每个平台又包括3个项目，虚拟仿真实验建设体系如图1所示。

3 建设特色与创新

3.1 以能力培养为核心，构建创新创业培养模式

传统的虚拟仿真实验往往是实际实验的虚拟化、网络化，以实验演示、操作流程学习为主。材料虚拟仿真实验教学示范中心突破以往的虚拟教学范畴，将虚拟仿真实验与课程教学、实践教学和创新创业训练进行深度融合，以知识学习、能力培养为核心，使之成为创新创业教育体系的有机组成部分。实现创新创业教育的创新意识培养、探究知识能力培养和创新能力训练的目的。

在专业基础和专业核心教学中，将部分虚拟实验教学置于课程教学之前，利用教师预先设置的思考题(见图2)，引导学生在虚拟实验中发现问题、思考问题，而后带着问题进入课堂，在课堂上采用讨论、演讲等形式，结合教师讲授开展学习，最后开展相应的实际操作实验，进一步深化对理论知识的理解，从而培养学生自主探究知识的能力。

图1 虚拟仿真实验建设体系

图2 实验教学模式创新构思

在创新实践教学中，充分利用科研工作中开展的计算、模拟工作基础，将科研成果转化为创新虚拟仿真实验，将材料结构、设计、原理、工艺、设备运行控制、加工制备等内容通过虚拟仿真实现，使得实验的时间和空间得以良好拓展，节省实验成本，实现资源的高效利用，并同时促进了实验教学工作的新颖性、先进性，激发学生开展创新创业实践的热情，实现学生创新实践能力培养。

3.2 坚持三结合，实现四跨越，科研教学相得益彰

材料虚拟仿真实验教学中心依托材料学、材料加工工程和材料物理与化学3个国家重点学科，与国家级实验教学示范中心、凝固技术国家重点实验室、超高温复合材料国防重点实验室等国家和省部级重点实验室、工程中心形成了强有力的人才培养平台。中心坚持科研与教学相结合，理论与实验相结合，专业与基础相结合，将科研成果和学科最新发展不断转化为材料实验教学资源。虚拟仿真实验教学建设贯穿了整个材料的全流程智能制造过程，实现4个跨越：跨越材料的微观和宏观2个尺度——从材料内部的微观量子、分子模型仿真到宏观的组织演变虚拟仿真；跨越材料设计内部原理和外部工况——从内部拆解实验原理、模拟组织演变到外部仿真模拟真实环境和设备手段；跨越原料制备到器件制造——从材料的原料制备模拟仿真到器件成形智能制造的仿真模拟；跨越时间和空间——从模拟瞬间短时的仿真实验以增强认识发展到模拟仿真耗时长、难以在课内完成的实验项目。虚拟仿真实验教学学生学习和接触新兴学科、新兴领域提供了途径和可能性，也为学生开展创新创业科研活动提供了良好的条件，提高了学生运用知识、使用先进、精密仪器设备和分析问题、解决问题的能力，为创新型人才的培养起到了极大的促进作用。丰富的实验教学资源与高水平的教学质量，极大地激发了学生的学习兴趣，吸引大批优秀学生加入到科研活动中，取得了高水平的科研成果。

3.3 校企联合，提升社会服务功能

西北工业大学、西安交通大学、西安理工大学等6所院校合作开展了材料类各专业课程体系及主要教学内容的改革研究与实践，并通过承担陕西省21世纪初教改项目“材料类专业教学综合实验创新教育的研究与实践”，为材料实验教学的推广与示范奠定了基础。形成了“以创新人才培养为目标，以素质教育为前提，科研与教学并重的人才培养模式和实验教学改革理念”。实验教学培养模式已从狭窄的专业培养目标向“宽口径、厚基础、高素质、具有创新精神和实践能力的高水平材料类人才”的培养目标迈进。先后有河南理工大学，河南科技大学，东北大学，陕西理工学院，重庆科技大学，西安工业大学，郑州航院和西安航专等院校派老师到我校进修学习有关课程。南京航空航天大学、南京理工大学、陕西师范大学、内蒙古工业大学和厦门大学等院校老师来校参观访问。

通过长期以来与知名企业、院所建立的广泛合作关系，通过不同方式实现了校企联合培养，寻求一条产学研共同发展的路线。近年来，材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心与北京航空材料研究院、西北有色金属研究院、宏远航空锻造公司、西部超导等著名企业和研究院所进行了实验室联建与融合，解决企业遇到的生产难题和其他实际需求。寻求一条产学研共同发展，互惠互利的发展道路，注重学生的培养质量，注重在校学习和企业实践，注重学校与企业资源、信息共享的“双赢”模式，校企合作做到了应社会所需，与市场接轨，与企业合作，实践与理论相结合的全新理念，为材料学科的教学发展提供了更好的发展路线。

3.4 与国际高水平大学合作，提升学生国际化视野

随着学校日益拓展的国际化办学进程，国际化办学特色也是中心建设的特色之一。作为一门传统学科，实验教学的历史悠久，国内外的发展水平也不同，国内高校普遍与国外先进水平还有较大差距，而虚拟仿真实验手段拉近了这种差距，国际化办学信息高度的开放和互通使中心在虚拟仿真实验教学设计上处于领先地位。近几年，材料学院引进入选千人计划的Artem Oganov教授、安立楠教授、魏秉庆教授等，开设了锂离子电池的设计与制造工艺、太阳能电池器件等虚拟仿真实验。与伦敦玛丽女王大学、波兰华沙理工大学、斯洛伐克科学院等一批国际知名高校进行了虚拟仿真实验办学的交流和学习，虚拟仿真实验教学平台的国际化特色鲜明，拉近了与国际先进的实验教学水平的差距。密切的国际学术交流、合作和外教的短期授课进一步开拓了本科生的国际视野，提高学生的学习兴趣。此外，中心人才的引进为中心提高实验教学水平、进一步与国际接轨创造了有利条件。

4 进一步实现共享的探索

4.1 建设虚拟仿真实验考核与管理系统

虚拟实验考核系统包括操作考核和理论考核两部分，如图3所示。其中操作考核为基础功能，主要帮助学生在进行相应实际操作实验之前熟悉操作规程、安全规范等。理论考核为核心功能，主要是检验学生自主学习效果，在虚拟实验中学习理论。

在完全学分制教学体系下，学生难以按以往的教学班开展实验教学，造成实验教学效率低下，实验课教师工作负担过重。以原国家重点实验室预约系统为基础，构建虚拟实验教学、虚拟实验考核、实际操作实验预约、实验答疑，以及实验室安全管理系统。学生进入实验室前需完成相应的虚拟实验，熟悉掌握相关理论和操作规范、安全规范，进行实验预约并获得授权后，课内自主进行相关实验操作，实验课教师进行辅助指导，从而提高实验教学效率和实验室利用率。

图3 虚拟仿真实验考核系统

4.2 完善实验资源库，进一步扩大共享范围

大力进行校内实验资源的整合与共享，完善校内虚拟实验项目资源库，基于网络实现材料微观结构及性能测试虚拟仪器实验教学平台等。开发互助式和虚拟化实验社区，探索实验资源精品化、网络化、远程化，开发可用于移动客户端(手机、平板电脑等)的虚拟实验网站，实现“人人、处处、时时"实验。进一步完善适应3个层次实验课程安排，完善实验学科基础课程虚拟仿真教学、专业领域课程虚拟仿真教学、工程训练与创新研究虚拟仿真的融合度，实现学科教育间的良性互动和共同发展，扩大中心的对外开放程度。

4.3 加强校际间合作，扩大示范辐射作用

中心充分利用我校在西北地区的影响力，充分发挥材料学院在材料领域的资源优势。与其他学校开展广泛交流和合作，将我校虚拟仿真自制仪器设备、虚拟实验资源进行推广应用。目前，中心正在建设第3版虚拟实验室。中心将主编实验教学教材，包括“材料力学性能实验指导”“能源材料实验指导”等教材，将材料基础仿真实验教学平台、材料专业虚拟仿真教学平台及材料创新虚拟仿真实验教学平台等在西北地区乃至全国的兄弟院校中进行推广使用。

4.4 促进校企合作，培养卓越的工程人才

充分利用我校在材料领域的产业优势，积极加强与知名公司之间的合作，结合企业在产业方面的优势，开发更多符合产业需要的虚拟仿真实验。让学生通过虚拟实验培养对材料应用企业通用研发过程的理解，并以此研发过程为实验主题，增强学生的实践经验，使院校成为工科高等技术人才吸收先进研发管理经验，体验企业真实研发过程，积累实践经验的初期平台。通过开展虚拟仿真实验，培养更多符合产业需要的卓越工程技术人才。

4.5 服务产业，为企业提供技术培训及技术支持

中心将进一步加强服务产业的功能，提高中心在业界的影响力。目前，中心已经在3D打印、塑性成形等技术领域为陕西省内超过20余家企业提供过虚拟仿真方面的技术培训和技术支持。下一步，中心将结合陕西省材料分析测试中心，与更多企业建立合作关系，把中心的虚拟仿真实验在产业界进行大力推广，为提升我国材料相关企业的技术水平做出贡献。

4.6 提升国际化办学能力

2016年，我校获批与英国伦敦玛丽女王大学合作举办联合工程学院，学院开设材料科学与工程、高分子材料与工程共2个本科专业，学制4年，计划每年招生240人，采取4+0培养模式，同时设立先进材料与结构联合研究中心，为开展硕士研究生联合培养准备条件。中心针对西北工业大学伦敦玛丽女王大学工程学院的专业领域知识，包括工程材料、高分子材料、结构及性能、材料加工及应用，以及专业更深层知识，包括材料表面与界面、材料化学、聚合物、陶瓷技术、可再生能源及可持续发展等，拟建立材料科学与工程虚拟仿真全英文实验，包括师资队伍、实验计划、流程、指导说明等一系列配套设施，每年计划为英国学生提供2个专业的本科虚拟教学实验5个，实验人数预计达到1 200多人次，更好地支撑英国伦敦玛丽女王大学的教学，推动学校世界一流大学、一流学科的建设。

5 结 语

中心坚持利用自身学科优势和科研特色，为创新人才的培养提供土壤和环境，在实验教学新形势下，提供“虚实结合”的创新人才培养环境。坚持“创新为魂、立足自身、虚实结合、报效国防”的教学和育人理念。在虚拟实验教学体系建设中，引导学生学知识、用知识、创造知识。虚拟实验不仅仅是学习实验操作，而是以知识学习、探究本源为目的，将虚拟实验作为课程学习的先导。通过讨论题、思考题等引导学生发现问题，带着问题进课堂，培养学习主动性。在虚拟实验项目建设方面，注重专业教学学科交叉，促进学科融合；在教学模式方面，注重人才创新能力的培养，促进人才素质教育，提升创新能力，更好地支撑我校“一流大学，一流学科”的建设。