赵 熹，李雨轩，关世玺

（中北大学航空宇航学院 山西 太原 030051）

航空航天高端装备的发展不仅对科技、经济带动作用巨大，还是涉及国家战略安全的关键。轻量化是提升装备性能的根本途径，已成为航空航天领域重要的发展方向[1-2]。镁合金作为最轻的工程金属材料，是装备轻量化的最佳用材，广泛应用于航空航天、国防军工、交通运输等领域。加速开发镁材料对保持社会可持续发展具有重要的战略意义，是通向碳中和的必由之路[3-6]。近年来镁合金被广泛应用于飞机、导弹、飞船、卫星，以减轻结构重量，提高飞行器的机动性能，降低航天器的发射成本[7]。

飞行器制造工程专业重点培养学生解决飞行器制造领域复杂工程问题的能力，更加注重实践能力的培养。其中挤压成形及模具设计是核心课程，目标在于培养学生运用知识解决实际挤压工程问题的能力，但是热挤压实验涉及高温高压极端条件，高能耗、高危险性、不可视性等困难因素，且还具有时间长、流程长的特点。建立虚拟仿真系统可通过仿真展现真实实验不具备或难以体现的动态和微观的不可视过程，帮助学生从视、听、练的角度对专业知识进行更好的理解和掌握。实验项目立足于学科前沿，以行业对于航空航天人才的急需为驱动，融入镁合金领域最为先进的热成形技术，做到以学生为中心、培养实践能力和创新能力为导向，以期提高学生在该领域方向的培养质量，让学生走上岗位后能尽快适应。

1 虚拟仿真实验的重要意义

我国航空航天制造业发展日新月异，挤压成形工艺与模具设计课程的传统教学方式效果不佳，培养学生实践能力的目标较难达成。其主要局限性在于：

①设备昂贵，本科教学实验室无法配备。实验为大型综合类实验，实验设备既包含挤压机、热处理炉等产生高温高压的设备，同时包含价格昂贵的合金微观组织观测的实验设备如电子显微镜、扫描电镜、透射电镜等，一般本科专业教学实验室无法配备，制约了学生实践能力培养的达成度。

②实验周期长、成本过高。本实验需要多次长时间不间断加热，不仅产生高耗能，并且实验周期长，一次完整实验至少持续3―5 天；实验过程不可逆，一次完整实验只能得到一组数据，而要观测镁合金变形及热处理过程组织演变规律，需要进行多组实验。稀土镁合金材料昂贵（100元/千克），实验材料为一次性使用，实验成本大。

③存在安全隐患。热成形实验在高温条件下完成，模具处于加热状态且吨位较大，模具安装过程存在烫伤、磕碰等安全隐患。实验现场由于润滑剂的高温气化，粉尘溶度大，地面湿滑，环境较为恶劣，对人体有极大伤害。

因此传统教学已不能满足企业对学生所掌握技能的需求，不能满足国家对制造业人才的战略需求。

2 镁合金挤压工艺虚拟仿真实验设计

2.1 实验设计

本实验是一个综合设计型实验，分为三大模式：学习模式、实训模式和自主模式，三大模式逐步开放，自由度逐步提高。首先，学习模式的主要内容为对实验操作步骤的具体视频演示，属于对标操作的演示教学，使学生对整个实验流程有整体的了解；其次，实训模式是按顺序提示操作步骤，但由学生自主选择实验器具，若选择错误可根据系统提示直至选择出正确选项，具有一定的独立性；最后，自主模式是由学生自主选择各个工序的实验步骤和实验器具，具备较高的独立性和自由性，能有效地让学生自主提升实验操作水平，熟练掌握实验操作。三大模式由浅入深地逐步让学生掌握了问题分析、方案设计、研究和使用现代工具的能力，体现了本实验在镁合金挤压成形工艺、技术能力培养、专业培养目标达成的重要位置。

2.2 实验目标

通过本实验的开展，学生能够明确工艺流程、外控参数、内部场景、组织演变之间的内在关系，培养对现代工具的使用能力、分析和设计能力以及研究能力，能够意识到轻质镁合金材料及热变形在装备轻量化和碳中和中的应用价值，培养科技报国情怀。

实验目标1，现代工具的使用能力：能够针对镁合金铸态、均匀化态、变形态、热处理态等需重点分析的组织对象及特征，有效选择光镜、扫描电镜、EBSD（电子背散射衍射）、透射电镜等材料分析仪器，并能够根据不同分析仪器对试样质量的要求，采取合理的组织制备程序。

实验目标2，分析和设计能力：能够运用镁合金形变强化原理、镁合金热处理强化原理、往复镦挤/旋转挤压原理等相关知识、分析热变形镁合金组织的影响因素，并针对镁合金变形特性和构件应用需求，设计合理的镁合金热变形方案和参数。

实验目标3，研究能力：能够根据自主热变形方案和参数展开实验，科学分析和解释各阶段所获得的镁合金组织特征及全流程组织演化过程，获得合理有效的结论。

2.3 实验过程

本实验主体按三大模式顺序进行，首先在学习模式中完成语音授课；接着在实训模式中完成实操训练；最后在自主模式完成实操考核和自动跳出的试题考核，全部完成后提交即可返回查看成绩并进行评价。每大模式均包含七个工序，按顺序分别是稀土镁合金铸棒分析→均匀化处理→往复镦挤变形强化过程→旋转挤压过程→固溶时效→金相组织分析→模具组装。

3 镁合金挤压虚拟仿真实验的“两性一度”分析

3.1 实验的高阶性

本实验主体层次分明，且内容步骤十分具体。先引导学生进行基本的视频学习以熟悉实验操作；然后逐渐提高难度，让学生自主选择实验器材；最后让学生自主选择实验步骤和实验器材，难度进一步提高。实验由始至终采用了一种循序渐进的教学方法，不会使学生因为烦琐的步骤而思绪混乱，又能够使学生由陌生到熟悉再到完全掌握实验步骤，由最开始的看视频对实验进行了解，再到实训模式中对操作进行回忆，到最后自主模式中凭借对实验的深入理解进行独立思考。因此整个实验不是直接让学生进行独立思考，而是通过前两个较简单的模块逐步引导学生进行思考，抛砖引玉；不是直接让学生去理解实验步骤，而是通过对各工序进行清晰地细化，引导学生逐步认识。此外，对实验步骤和实验参数的选择使仿真实验具有较高的自由度，比较贴合实际实验，能够使学生进行一定的思考。因此该实验能够有效地实现知识、技能和专业素质的有机结合，具有较强的高阶性。

3.2 实验的创新性

本虚拟仿真实验主要运用了三维动画技术和人机交互技术。在进行实验的过程中，各个实验步骤都运用了精美的动画演示，十分贴合实际操作，能够让学生较为真切地体会到实际的实验操作，如同身临其境，这无疑会加深学生对实验步骤的理解。在人机交互方面，学生可自主选择实验器具，这十分贴合实际操作并且具备高度人性化，而且在前六个工序中的最后都有对不同温度下金相组织的分析，通过形象的方式加深学生对镁合金组织性能变化的理解。因此无论是动画还是图谱再或者是人机交互，都使抽象的实验形象化、具体化了，以对立的角度大大提升了学生的理解力，具有较高的创新性。

3.3 实验的挑战度

由于仿真实验中运用了大量三维动画技术，因此，首先这些三维建模需要准确，要与实际实验设备及场景相符合，而且这些建模要具备一定的细节以使实验更为形象化和精确化。其次设计者需要具备扎实的基础知识以对学生进行适当的考查，并熟练掌握镁合金挤压成形组织演变实验的详细操作步骤，保证实验步骤和实验结果的精确性。最后也是最重要的，设计者需要将上述实验的高阶性和创新性融入实验，不仅要让实验与实际紧密贴合，还要将知识与实践、与教学进行有机融合，要引导学生独立思考，使学生深刻理解，要结合新技术进行创新等。此外，要注重实验的交互性、探索性和开放性。可系统建立3D 动画场景，给学生带来沉浸式体验，加强学生的认知，在实验环节中设计知识点选择题和探究性思考题，便于学生掌握、理解实验环节和内容，并能进一步分析，体现较强的挑战度。

4 结语

本实验为学生提供稀土镁合金从原材料分析，到塑性强化及热处理全流程虚拟展示及交互学习，涉及模具和旋转挤压机等形变强化实验设备、加热炉等热处理设备、线切割机及电子显微镜等微观组织检测设备；通过动态展示工件的塑性变形强化过程、热处理及组织观测，帮助学生熟悉塑性加工及热处理工艺流程，加深对材料形变强化本质的认识。

实验设计将镁合金领域最为先进的热成形技术融入实验教学项目，做到以学生为中心、培养实践能力和创新能力为导向，有层次地揭示工艺流程、外控参数、内部场量、组织演变之间的内在关系，采用交互式学习方法，构建沉浸式的实验环境，能够较好地提高学生在该领域方向的培养质量。