“热处理设备”课程虚拟仿真实验教学系统建设及应用

2023-12-11舒小勇

教育教学论坛 2023年43期

姚敬，肖璇，舒小勇

（南昌航空大学 a.材料科学与工程学院；b.航空制造工程学院，江西南昌 330063）

随着新材料在世界范围内不断被创造，也造就了一批像锂电、光伏、3D打印等新的产业，而与之配套的后续深加工与精细化性能调控技术未能及时跟上发展［1］。热处理就是一项至关重要的后续工艺，是机械制造业中提高产品性能、使用寿命和可靠性的关键环节。由于种种原因，我国热处理工艺的水平仍与发达国家存在阶段性的差距，这成为制约我国制造业发展的瓶颈，因此大力推动热处理自主创新显得格外迫切［2］。国内热处理领先企业的关键热处理设备长期依赖进口，而且动辄几百万甚至上千万元花费［3］，热处理设备研发力量的不足等现状让从事热处理专业的设计和制造和人员如芒在背。为赶超发达国家的热处理工艺水平，大力推动热处理设备自主创新，向更精良、更节能、更智慧的方向发展显得格外迫切［4-5］。

近些年，部分文献［1，6-9］报道了关于热处理课程改革的相关教学设计和改革，并涉及了课程内容和体系改革、人才培养模式改革、教学方法改革等。在大力调整优化专业结构、推进产学研深度融合，加强基础研究人才培养的新工科背景下，该课程的改革仍是一个全新的命题。

一、金属材料热处理课程中实验教学存在的问题

设备课在材料工程科技工作者的知识结构形成过程中具有其他课程（如“热处理工艺课”“机械设计课”等）不能包含或代替的特殊作用［10］。现有的“热处理设备”课的教学过程理论教学较多。实践与实验教学内容的综合性、前沿性、系统性和启迪性不足，创新实践活动形式单一，学生主动参与的意愿不强。设备设计环节始于模仿而梏于图纸，与生产和科研实际脱离。

学生做完实验后经常反映如下问题：（1）由于时间紧凑，学生对实验原理等内容理解不深刻，所获甚少。（2）实验多数是验证性实验，缺少自主创新实验。学生可以依照实验流程做完实验，但实验结果与理论知识之间的关联性、与科研项目的关联性，以及与其他学科的交叉性等内容学生都不甚了解，不利于知识的掌握以及创新意识和能力的培养。

另一方面，传统实验还有以下一些问题：（1）部分热处理设备价格昂贵，配套不够；（2）热处理设备运行过程伴有高温、高压、可燃性气体等风险，常规实验教学实验难以满足；（3）高耗能、高成本、高污染、实验准备时间长的实验在传统实验中也难以大规模展开；（4）现有实验与工程实际、科研前沿的结合度不高，不利于激发学生的创新意识和创造能力，不利于提高学生的实验构想和设计能力。

二、虚拟仿真实验教学系统建设的价值

近年来，除理论教学与实验实操外，有些高校大力发展第三种教学形式——虚拟仿真实验。虚拟仿真成本低、效率高、操作性强、易于共享、扩展性好。典型的虚拟仿真实验教学系统主要集中在以下两个方面：（1）利用多媒体技术，提高教学时效，提升学生学习热情。（2）开发满足实验实践需求的虚拟软件，以更好地培养学生的实践操作能力。虚拟仿真教学实践者认为虚拟仿真实验突破了时空局限、成本高等问题，不仅可以节省资金、空间，还是实体实验的有益补充。真实实验和虚拟仿真相结合的模式可以加深使用者对实验原理、步骤、细节的掌握和理解，提高学习兴趣和学习效果［11］。但是，有些虚拟系统主要是通过实验文件、实验过程管理、Flash原理动画演示、视频演示等形式开展，学生的参与深度不够。因此，虚拟仿真实验不能替代真实实验。

综上所述，本项目针对热处理设备相关课程开发综合性的虚拟仿真实验，从而形成以下几点学术价值和应用价值。学术价值主要表现为：（1）提高教学的系统性。本项目将热处理设备故障诊断、维修与设计实践、实验教学内容纳入现有的教学体系，对实验进行系统规划，从而实现理论课堂学习与实操实验、虚实结合实验三结合的教学系统。（2）实现实验教学的虚实互补。本项目根据现有实物实验的情况，再通过虚拟仿真技术满足教学需求，并开发虚实结合的实验课程。发挥好虚拟仿真实验教学可以随时随地参与的优点，扩大实验教学的广度和深度。（3）利用老旧废弃设备改扩建实验场地，完成虚拟实验在现实实验中的验证和延伸。

本项目的应用价值主要体现在以下方面：（1）本项目可以突破实验室条件限制，有效弥补实验教学资源的不足，使学生可以随时随地地开展相关实验。（2）本项目可以丰富教学内容，激发学生的求知欲，培养学生的实践能力和创新能力，从而培养创新型、复合型人才。（3）本项目的虚拟仿真系统具有共享性的特点，可以在上级虚拟仿真平台上进行推广，提高热处理专业设备实验教学水平并普及大众化知识。（4）本项目的虚拟仿真系统具有沉浸式、交互式、构想式的优势，可以培养学生的操作能力。通过与前沿科研项目相互结合，积极开展相关领域的前沿问题的研究，不仅有助于培养学生的学术水平、科研创新能力，还有利于解决科研前沿问题，解决实际科学问题。

三、虚拟仿真实验教学系统建设要点和实施路径

本着深耕制造业的精神，并发挥好教育人、激励人、引导人的教育主阵地的作用，为制（智）造业培养现代化专门型人才，我们大力改革现有的课程设置和授课方式，用科技助力并服务教学，借助虚拟现实技术等多种手段，增大课堂容量、拓宽视角、打破时间和空间的限制，让课堂与制造业前沿紧密结合，使专业课课堂紧跟生产实践又高于生产实践。本改革项目从教学实际出发，本着以虚补实、以实馈虚、解决现实教学中的难题、服务教学与学生、与航空工业对接的理念，通过对现有的教学内容进行更新和增补进而推动课程体系改革，建设要点有以下几个方面。

（一）体现科技、产业、教学深度融合，服务于行业

从解决行业短板和满足实际需求出发，围绕培养德智体美劳全面发展的行业建设者这一主线，围绕“十四五”规划总体布局，设计“五位一体”实施方案，构建开放融合的热处理设备专门型人才培育体系。

从相关企业收集生产信息，制作成课件、案例，再植入课堂。定期邀请合作单位或校友专家讲解实际产品案例。

（二）立足校情学情，以学生学习需求为中心，服务于教学

我校热处理专业办学时间长，注重传承和积淀，经过近60年的发展，取得丰硕成果的同时也不可避免地产生了体系庞大、模式固化、按部就班等问题，从而延缓了发展的脚步。坚持紧跟行业发展的办学思路，聚焦教学发展不平衡不充分的现状，着力解决学生学习动力不足、效果不佳的问题。立足上述校情和学情，尽力而为、量力而行，科学设定切实可行、行之有效的改革目标。设备课的建设目标在于教会学生如何通过自己的专业知识去选择或设计能实现材料工艺要求的设备［10］。

以学生为中心、以学习为中心，打造多维立体教学，建立第一、第二、第三课堂教学系统，如图1所示。第一课堂是指教室中的正式学习环境；第二课堂是指实验室；第三课堂是指第一、第二课堂之外的学习环境。借助虚拟实验室平台，学生在第一、第二课堂内所掌握的知识、技能能得到更加广泛和深入的检验与应用，能更大程度地发生学习迁移。多课堂教学系统将线上线下学习深度融合，实现了无缝学习。第一课堂强调合作、讨论、展示；第二课堂强调自主、质疑、应用；第三课堂强调拓展、迁移、体验［12］。上述建设要点由图2所示路径来实现。