材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设

李亮亮， 赵玉珍， 李正操， 林元华， 潘 伟， 闻星火

(清华大学 材料科学与工程学院, 北京 100084)

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]。虚拟实验室的概念是1989年由美国弗吉尼亚大学William Wolf提出的，是除理论与实验之外的第3种设计手段和形式[4]。实验者可以模拟真实实验环境，完成各种预定的实验项目，能够获得直观真实的实验效果，展现不可视的结构或原理，从而快速响应教学实验的需求。虚拟实验具有成本低、效率高、可扩展性强、操作安全、高度开放和资源共享等特点。虚拟仿真实验教学有利于培养学生自我训练及创新意识，实现实验教学中虚实互补，因而成为目前实验室建设的一个重要发展方向[5-7]。

1 建设内容

材料科学是一门实验性很强的学科，实验教学是培养材料学科高素质人才的重要实践性环节。其中，某些重要的关键性教学实验具有一定的危险性和高消耗、高成本、高污染、极端不可见等特点，特别是对材料在特殊极端环境中结构和性能的变化时，需利用放射性物质进行材料基本结构与性能的检测，其技术与手段存在着较大的危险性。对于一些在实验教学中涉及高温、高压、放射性、易污染、长周期以及高消耗型的实验，通过虚拟仿真实验的方式,可以达到接近现场实体实验的效果，并可无限制、无污染、无浪费、安全高效地重复操作，节约教学资源，实现绿色实验教学[8]。清华大学以国家级先进材料实验教学示范中心为依托，整合了多个国家级、省部级重点实验室的相关教学资源，成立了材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心(下称中心)。中心具备完备的硬件、丰富的软件和课程资源及师资力量雄厚的教学团队。中心拥有专用虚拟仿真教学实验室、3D立体显示平台、15万亿次/秒计算集群，有ProCast、Anycasting、ANSYS等10多种材料分析和加工的应用软件，以及有自主版权的铸造过程模拟软件(FT-STAR)，并实现了课程和软件资源共享、信息发布、数据分析等功能的网络资源平台。中心秉承“开放、共享、绿色”的教学理念，以培养学生综合设计和创新能力为目的，设立了从基础型到综合型、研究型的虚拟仿真实验课程体系，开展了高危性、高成本、极端条件下的材料制备、分析及加工的虚拟仿真实验教学，建设了安全可靠、绿色节约、可视化的虚拟仿真实验教学平台。

1.1 高危实验的安全可靠虚拟仿真实验教学平台

材料科学中的某些实验涉及放射性内容，如在放射性环境下材料的服役行为特点和性能变化；用放射性元素进行示踪实验，显示材料的扩散、相变和组织形成过程等。这些实验对学生理解材料服役行为或组织演变过程非常重要，是学生掌握专业理论知识的基础实验，然而，这类实验危险性极高，目前全国各高校已禁止开展此类真实实验。中心开设了放射性实验的计算机虚拟仿真，展现原子扩散、辐照失效等实验过程。如在“辐照条件下材料表面缺陷的形成”这个实验中，学生使用TRIM软件，采用二体碰撞模型，模拟了表面缺陷形成过程，计算缺陷产生的位置。学生通过模拟实验，经历了模型建立、参数选择、仿真计算等过程，不仅理解了缺陷的生成机理，还了解了软件的应用。这类虚拟仿真实验不但能帮助学生充分理解和掌握专业理论知识，而且保障了一个安全、可靠的教学环境。

1.2 高成本实验的绿色节约虚拟仿真实验教学平台

材料专业课程中的一些实验项目需要消耗大量实验材料。高消耗和重复性实验使实验成本剧增，限制了实验教学的发展。中心采用虚拟仿真实验方式实现了绿色节约的实验教学,例如，在“三维晶体结构”的实验项目中，学生采用商业软件Materials Studio，在计算机上构建各种类型的形态多变、丰富有趣的晶体结构，如图1所示的是学生绘制的具有尖晶石结构的CoAl2O4的原胞。这种方法相对球棒实物模型搭建晶体结构或者采用金属框架组建多元相图的传统教学方式，更能吸引学生快速掌握知识点。再如，在“材料加工”、“工艺过程仿真”等课程中，利用FT-STAR软件让学生掌握“铸件成型过程”。学生通过对软件的学习和模型参数的选择，深刻地理解了传热过程、充型流动、应力应变、微观组织、缺陷形成等重要知识点，能够通过模拟计算得出优化的工艺参数，制备出合格的成型工件，大大降低了制备工件的成本，节约了资源和能源。图2为罩盖压铸充型的虚拟仿真结果[4]。

图1 具有尖晶石结构的CoAl2O4原胞

图2 罩盖压铸充型的仿真结果

1.3 极端条件下实验的可视化虚拟仿真实验教学平台

某些材料的制备和加工过程具有尺度极小、温度极高、能量密度极大等特点，真实的实验很难捕捉到这些极端条件下的材料特征及行为，因此虚拟仿真成为必需的可视化手段。例如在“高分子自组装过程”实验中，采用分子动力学模拟，演示自组装过程，从而学生很容易理解分子或原子的运动，掌握其运动规律；在“金属凝固过程”、“外加移动热源条件下的温度场”等实验中采用虚拟仿真的可视化手段，使学生能够快速理解各种极端条件下的实验过程和现象。中心还应用了NeoFound 3D系统，可以3D立体显示工件及其模拟结果，明确区分交错层叠结构的空间位置和层次空间。该系统立体效果好，能够让学生快速了解显示对象的空间形状、模拟仿真结果及缺陷位置，还可以动画演示模拟结果，供上百人同时观看。

图3 单机版的3D立体显示

图4 会议版的3D立体显示

为进一步发展虚拟仿真实验教学，中心还将结合最新材料科研进展和工程应用，发挥科研转化教学的优势，每年增设创新型、前沿性虚拟仿真实验项目，如3D打印设计仿真、纳米碳材料的导热性质分析等，进一步完善虚拟仿真实验教学内容，开阔学生眼界和思路，提高学生创新能力。

2 教学特色

清华大学材料学科具有国际一流的研究水平和综合实力，在ESI学科竞争力排行榜中位居全球的前4%。在2012年一级学科评估中，排名全国第一。2011年，汤姆·路透致函清华大学，祝贺清华大学材料科学学科进入世界科研机构前20强。在ISI的3个评价指标中，材料科学有2个指标进入世界前10强。中心以国际一流的科研项目和雄厚的学科优势为依托，形成中心建设与科研、特色学科发展相长的虚实结合相互补充的实验教学特色。

2.1 以国际一流的科研项目为依托，“科教结合”，使科研条件转化为实验教学资源，使科研成果转化为实验教学项目

中心整合了新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室、环境污染与模拟联合国家重点实验室、先进材料教育部重点实验室、先进成形制造教育部重点实验室等多个国家级、省部级重点实验室的相关教学资源，以及依托中心教师强势的科研能力，承担了多项国家科技重大专项和“973”、“863”、国家自然科学基金等项目，并取得了一批创新性成果，其中10多项获得国家自然科学奖、国家科学技术发明奖和国家科学技术进步奖等。在实验前沿探究课和综合性实验教学中，及时将这些前沿科学研究成果转化为实验教学项目。在实验内容上，中心不断引进现代材料科学与工程成熟的前沿实验技术，如EBSD技术、X射线衍射、透射电子显微分析等。中心还鼓励学生参加课外科研活动，支持学生自主立项、申请SRT、挑战杯、种子基金等。在这些课外科研活动中，中心积极为学生提供仪器设备、试剂、实验场所与技术指导。

2.2 以材料学科优势为基础，以合作企业为后盾的“虚实结合”的实验实践教学

中心雄厚的学科优势，吸引了许多企业参与中心建设，中心合理利用合作企业的资源优势，发展了“虚实结合”的实验实践教学方式，实现了中心与企业共同建设的良好模式。中心与东莞新科、佛山陶瓷、唐山陶瓷、北京航空材料研究院，中国工程物理研究院、巨科铝业、首钢等50余个知名企业、研究院所签署合作协议，建立了学生实习或实践基地，开设了各类仿真实验项目，联合培养学生。当学生在这些实习、实践基地学习时，他们利用在学校里掌握的虚拟仿真知识，与生产实际相结合，能更好地掌握专业知识，有的学生甚至帮助企业提高生产力。这种“虚实结合”的实验实践教学方式更有利于提高学生的分析能力和创新能力。

3 卓越的师资队伍

中心从结构、层次、数量、学科分布等方面入手，规划和建设了一支高水平实验教学团队。中心教学队伍由主讲教师、实验技术人员和博士生助教3类人员组成。

主讲教师是活跃在教学、科研一线的骨干教授、副教授，负责实验课程的设计与教学。主讲教师中有多名科学院和工程院院士、“千人计划”人员等优秀教师。他们承担了国家科技重大专项和“973”、“863”、国家自然科学基金等项目，具备坚实的理论基础和丰富科研与实践经验，熟悉学科发展方向，能够推动实验课程教学内容的改革与更新，促进教学与科研结合。

实验技术人员负责实验课程的准备与辅导，并进行实验室建设与管理。中心本着发展、提高的原则，采取多种形式提高实验技术人员的业务素质，如参加学术会议、参与相关课题组组会交流等，并设立实验室基金，鼓励他们进行实验教学或新实验设计的研究，提高创新能力，以期建设教育理念先进、研究能力强、教学与管理经验丰富的实验技术人员队伍。

博士生助教由相关专业在读博士生组成，经人事处聘任。助教博士生经过学校岗前培训和主讲教师负责的业务培训合格后上岗，协助主讲教师负责某一课程的实验教学、辅导与考核。博士生来自科研工作的第一线，研究课题各不相同，为丰富和改革教学实验内容提供了良好的条件，可以开阔设计教学实验的思路，并容易与学生交流反馈，发挥桥梁纽带的作用。

4 结束语

材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心开设虚拟仿真相关实验课程约30门，面向全校工科专业，年实验教学工作量约30 000人时。中心拥有丰富的教学资源和卓越的教学团队，形成了一套高效管理方法和实验教学运行机制，在精品课程建设、师资队伍建设、实验教学特色、实验教学成果和效果、实践基地建设等方面取得了丰硕的成果，得到了校内外专家的好评。中心将进一步紧密依靠清华大学材料学科的优势，整合清华大学材料学科优秀科研成果及材料产业的优质资源，将材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心建设成为培养高素质、创新型材料科学人才的重要平台。

[1] 教育部高教司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知[Z].教育部高教司函[2013]94号.

[2] 石松泉，沈红，梁伟，等. 虚实结合的电工电子实验教学体系的设计[J]. 实验技术与管理,2008,25(8):184-186.

[3] 蔡卫国. 虚拟仿真技术在机械工程实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2011, 28(8)：76-78.

[4] 张丽媛. 基于组件的计算机组成原理虚拟实验室的设计与实现[D].长沙：中南大学,2008.

[5]王罡. 压铸充型过程数值模拟的并行计算技术研究[D].北京：清华大学,2004.

[6] 房丹，扈旻. 助教博士生在实验教学改革中的作用[J].实验技术与管理，2006，23(9)：127-130.

[7] 黄友能,唐涛,宋晓伟.虚拟仿真技术在地铁列车运行仿真系统中的研究[J].系统仿真学报,2008,20(12):3208-3211.

[8] 闫纪红,张奋扬.虚拟可重组制造系统仿真优化模块开发[J].实验室研究与探索,2013,32(7):81-86.