科研课堂小班化教学方法探索

李卫平 罗子璐 苏婧铱 陈海宁 刘慧丛

［摘 要］项目组借助虚拟仿真技术以“体验—学习—发现—探索”为思路构建层层递进的科研课堂“微课题”小班化教学模式，引导学生针对航天领域大型构件电镀仿真模型进行阳极优化设计，明确设计理念。实践结果表明：虚实结合的小班化教学方法有利于培养学生的思维能力、创新能力、分析和解决问题的能力、设计和优化方案的能力，还有利于提高学生的学习兴趣，可为多元化、创新型卓越人才的培养提供经验。

［关键词］虚实结合；实验教学；小班化教学；电镀工艺仿真；“微课题”

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）18-0060-06

为贯彻落实习近平新时代中国特色社会主义思想和全国教育大会精神，结合教育部《关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》《关于深化本科教育教学改革 全面提高人才培养质量的意见》等要求，北京航空航天大学进一步推进科教融通，提出了依托科技创新平台打造“科研导师、实验室开放日、微课题”三位一体的科研课堂“TOP”计划，探索全面实现科研优势向人才培养优势转化的北航育人模式[1]。

科研课堂是以“点亮”学生科学创新思维、掌握基本科学研究方法、具备科学探索能力和团队协作能力为目标定位，面向二、三年级本科生开设的，共32学时的实践课程。依托科研实验室和科研导师资源，以“微课题”形式开展小班化教学，使学生在课题研究过程中初步掌握科研技巧、树立科学精神、培养科研思维、提升创新能力。

为此，项目组依托“空天先进材料与服役教育部重点实验室”，以国家重点研发计划课题“无铬绿色碳化硅类涂层材料与复合电沉积工艺”为支撑，设计了火箭发动机尾喷管收扩段电镀工艺仿真“微课题”（以下简称“微课题”），以“体验—学习—发现—探索”为主线进行小班化教学方法探索。借助虚拟仿真实验平台，进行“以虚补实，虚实结合”的教学设计，引导学生体验真实的实验过程、学习电镀基础知识及电镀工艺流程、发现大型部件收扩段的电镀工艺优化难题及解决方法、探索改善镀层厚度分布均匀性的阳极优化设计方案。

一、航空航天典型零部件电镀技术“微課题” 选题依据

电镀在大型构件表面处理、微小部件加工、导电化处理等方面具有不可替代的优势，在航空航天、汽车、电子等领域具有重要地位[2]。然而，在电镀技术的实验教学过程中，面临着大型构件电镀过程难以实施、电沉积过程难以展示、电镀周期长、剧毒化学品实验难以开展、水污染问题难以处置等困难[3-4]，因此开展电镀技术的虚拟仿真实验教学研究具有重要意义[5]。

“微课题”以“火箭发动机尾喷管收扩段”为研究对象，进行电镀过程COMSOL仿真模型建立和电沉积工艺的优化设计。火箭发动机尾喷管收扩段是液体火箭发动机推力室的核心部件。在常用的液氧/煤油高压补燃发动机推力室冷却结构的设计上，燃烧室和收扩段内壁采用了铬青铜材料，该材料具有优良的热导率、良好的高温强度和耐蚀性能以及优良的工艺性能，但是收扩段内表面要承受高温、高速燃气的冲刷，因此在收扩段内表面必须采取必要的防护措施来满足特殊使用环境的要求，制备铬镀层可提供有效的耐高温防氧化防冲刷性能[6-7]。基于有限元分析软件建立电沉积模型，不仅避免了六价铬电镀的环境污染问题，解决了大型构件电镀实验的开设难题，如图1所示，而且从优化电沉积工艺参数的角度实现了对仿真过程的推演。

二、电镀工艺虚实结合的教学过程设计

在“微课题”实施过程中，项目组通过虚实结合的方式从“体验—学习—发现—探索”四个层次开展教学。“体验”环节包括电沉积实验过程观摩和虚拟仿真实验实际操作；“学习”环节包括对电沉积理论知识的学习和电镀工艺流程的认知；“发现”环节通过虚拟仿真实验平台的操作引导学生发现规律和问题；“探索”环节重点引导学生带着问题、借助COMSOL系统进行个性化设计和求解。

在“体验”环节，教师首先介绍电镀相关背景知识和虚拟仿真的应用背景，帮助学生认识学科特点、了解学科发展情况，随后带领学生进入实验室现场观摩电沉积实验装置和体会实验的具体过程，增进学生对电镀实验的感性认知。只有观摩体验是不够的，学生要亲身参与实际操作才能有所收获。但真实的实验操作要点多、容易出错，如果让每个学生都动手操作，耗时长、操作烦琐，并且真实实验涉及有毒化学品，如操作不当，可能出现环境污染和健康危害的问题，因此项目组采取“以虚补实、虚实结合”的教学设计，借助虚拟仿真实验平台达到帮助学生自主学习的目的。结合虚拟仿真实验与线下实验，构建虚实结合、优势互补的实验教学模式是新工科背景下培养多元化创新型人才的要求[8-9]。

项目组依托虚拟仿真实验平台，结合多年科研实验结果和COMSOL软件仿真形成的数据库，以学生体验式学习为主线，按照学习与实践两个阶段，实现航空航天典型零部件电镀全过程的虚拟仿真还原，设计思路如图2所示。

基于虚拟仿真实验平台完善“体验”环节，让学生在虚拟仿真实验平台的指导下体验电镀操作。与此同时进入“学习”阶段，借助虚拟仿真实验平台，学生可以学习电沉积理论知识，了解电镀的基本原理和操作步骤，通过施镀参数的设置和镀层性能表征结果反馈，初步理解镀层性能与电沉积工艺的内在关联，自主完成航空航天典型零部件电镀的全过程操作。学生可反复观看虚拟仿真实验，直至掌握相关原理和概念，熟悉实验流程，形成对电镀工艺的认知，为之后的电沉积工艺探索奠定基础。

三、基于虚拟仿真实验的阳极工艺优化设计

对于电沉积而言，镀层厚度及其分布是一个关键问题，尤其对于几何形状复杂的工件，调控电解液在基体表面电沉积的沉积速率和厚度分布至关重要。通常影响镀层厚度分布的因素有：电镀槽几何结构、电解质成分、工作电位以及平均电流密度、温度、电沉积时间[10]。通过改变电沉积工艺参数可以调控沉积速率和厚度分布。实验是探索最佳电沉积参数的直接方法，但是对于航空航天领域大型部件的电镀实验，部件尺寸大、成本高、电镀过程难以实施，因此无法在实验室环境正常开展。在“体验”和“学习”的基础上进入“发现”环节，项目组向学生提出一个问题——对于大型构件，如何进行电沉积工艺参数的优化设计？

“微课题”利用有限元软件建立火箭发动机收扩段电沉积模型，设计几种不同形状的阳极，计算得到镀层厚度数据，将数据导入虚拟仿真实验平台中，借助虚拟仿真实验帮助学生掌握基本的设计方法，构建“阳极设计”的思想，研究阳极形状对镀层厚度分布均匀性的影响。利用虚拟仿真实验平台不仅可以解决大型部件电镀实验难以开展的问题，而且可以让学生看到电沉积的过程和抽象物理量的可视化结果。学生可结合及时的结果反馈，在实验过程中优化电沉积条件[11]。

在虚拟仿真实验的实践阶段，学生将对大型部件火箭发动机尾喷管收扩段进行电镀操作。学生可以选择三种不同形状的阳极——圆柱体阳极、象形阳极和圆锥体阳极，选择不同阳极进行电镀会得到不同的镀层厚度分布结果，如图3（d）至（f）所示。图中不同的灰度代表不同的镀层厚度数值，象形阳极模型电沉积所得的镀层厚度均匀性最好。为了更精确地判断镀层厚度分布的均匀性，项目组选取了沿收扩段内壁竖直方向上的线段作为截线，如图3（c）所示，探究镀层厚度在此条线上的分布。结果表明，象形阳极得到的镀层厚度均匀性明显优于圆柱体阳极和圆锥体阳极。

在“发现”环节，学生通过虚拟仿真平台的收扩段电沉积模型阳极设计实验发现问题和规律，从宏观上理解了“阳极设计”的思想，掌握了基本设计方法，明白了如何对大型构件进行电沉积工艺优化。在此基础上，学生将在有限元软件中进行拓展训练，针对形状更加复杂的活塞部件逐步进行阳极优化设计。

四、基于COMSOL仿真的拓展训练

在“探索”阶段，学生按照给定的建模步骤和参数建立活塞铁基镀镍初始模型，然后通过阳极设计逐步对金属镀层厚度分布进行优化。基于项目组提出的“阳极形状”这一参数，学生自主思考提出阳极设计方案，在软件中绘制不同几何形状的阳极，计算得到阴极镀层厚度分布的可视化结果，再根据结果对方案做出修改，逐步探索镀层特性优化方案。通过设定参数引导学生进行方案优化设计，实现对学生解决问题能力、实践探索能力、发散性思维和设计理念的培养。

活塞铁基镀镍初始模型如图4所示，其中，图4（a）为几何模型，中间是活塞部件，4片矩形阳极均匀分布在四周。选取距离长方形阳極板最近的活塞线段作为截线，如图4（c）所示，探究此条线上的镀层厚度分布，如图4（d）所示，可知随着时间的增加，镀层厚度不断增加，活塞的上下顶端厚度较大，而活塞中部凹槽处厚度较小，且厚度的最大值和最小值的差距越来越大。这是由于活塞几何不规整，凹槽处与阳极板间的距离较远所致。此外，由于边缘效应，电流密度会在物体尖角、边缘等曲率大的位置上集中，导致边角处的镀层厚度明显大于平均厚度，并且出现尖锐转折。如何设计阳极形状使得镀层厚度分布更加均匀、镀层厚度在边角处的过渡更加平滑，这是项目组向学生提出的重点思考问题。

学生结合“象形阳极”的理念，基于镀层均匀性阳极设计需求，提出了不同的设计方案，如图5所示。

1.修改阳极形状。理论上阳极形状越接近阴极，电镀效果越好。为了解决活塞凹槽处与阳极板间距离较远的问题，有的学生对阳极形状做出相应修改。图5（a）是带凹槽阳极模型的镀层厚度分布图，图5（b）是对应的几何剖面图。在阳极中间部位增加与活塞凹槽处对应的半圆凹槽，可以起到缩短阳极至活塞凹槽处距离的作用。从图5（c）可以看出，相比于矩形阳极，带凹槽阳极模型的折线过渡更加平滑，镀层厚度分布均匀性明显提高，但活塞上下顶端与凹槽处的镀层厚度依然存在着较大的极差。

2.增加辅助电极。除了绘制与阴极零件形状相匹配的象形阳极，学生还提出设计辅助阳极，并以此为基础来进行电场线分布的方案，从而使镀层厚度分布更均匀。可在贴近阴极凹槽处添加细金属环作为辅助阳极，以解决凹槽处金属沉积不足的问题，如图5（d）左所示。结果显示阴极凹槽处的镀层厚度和两侧基本相同，但是凹槽边缘处会出现两个较尖锐的厚度峰值，如图5（e）所示。

基于结果反馈，学生进一步优化模型，在凹槽边缘附近再增加两个细小金属环作为辅助阴极，从而避免凹槽边缘处电流密度过于集中，如图5（d）右所示。模拟得到的效果良好，如图5（f）所示，截线上的镀层厚度分布基本均匀，厚度极差较小。

3.对阴极镀件作圆角处理。有的学生对阴极镀件模型做适当修改，在凹槽边缘处进行圆角处理，这样与实际工件的几何形状也更加吻合。处理前后的对比图如图5（g）所示，结果表明凹槽附近的厚度变化曲线平滑度提高，镀层厚度在边角处的过渡不再呈现出尖锐转折。

4.镀层厚度的横向分布研究。除了镀层厚度沿纵向截线的分布，采取同样的方法还可以研究镀层厚度在如图5（h）所示的横向截线上的分布，初始模型得到的线图如图5（j）所示。镀层厚度在横向上的分布较为均匀，但随着电沉积时间的增加，变化曲线逐渐呈现为波浪形，说明厚度分布不均匀度变大。为了使镀层厚度在横向上的分布更为均匀，可以增加阳极板的数量，将4片阳极板改为8片，甚至可以修改成连续的环状阳极，如图5（i）所示。由图5（k）可知，镀层厚度在横向上的分布均匀，且几乎不随沉积时间变化。

针对同一个问题，每个学生提出了不同的阳极设计方案，体现了分析解决问题角度的多样化。在初步方案的基础上，项目组引导学生交流讨论、了解和学习他人的设计思想、分析讨论不同方案的优缺点，达到相互启发的目的。在讨论中，有些学生认为采用辅助电极的设计方案可以得到最优的镀层厚度分布结果，但是该方案较为理想化，在实际生产中很难实现。综合考虑镀层厚度在横向和纵向上的分布均匀性，可以采取“环状+象形”阳极的方案。在环状阳极中间增加半圆凹槽，如图5（l）所示，能得到较好的镀层厚度分布效果。

阳极形状的设计是迭代优化的过程，每名学生从不同角度确定初步方案，进行建模和数据分析，再一起讨论不同方案的优缺点，根据结果反馈确定进一步思路，如此迭代，进行多次调整、尝试和探索，逐步形成更优方案。相比于传统实验，虚拟仿真实验的优点是方便、快捷，减少对材料和能源的消耗。通过虚拟仿真实验可以在短时间内得到设计方案的结果反馈，用于优化设计思路。在“探索”环节，借助虚拟仿真实验引导学生明确设计理念，促进学生间的交流与合作，达到相互启发的效果，有利于培养学生的发散性思维和探索解决复杂问题的能力。

五、全过程量化评价

“微课题”采取全过程量化评价的方法，全过程评价就是将课程考核贯穿教学的全过程，课程的最终成绩等于全过程各项考核成绩之和[12]。全过程评价是小班化教学的优势，在课堂中教师可以实时检查每个学生的实验情况并提供必要的指导，同时评价结果可作为课程评价的客观依据。量化评价就是按照各项量化评价指标赋予分值，量化评价能够为学生的自主学习提供科学的依据[13]。以体验（10%）—学习（20%）—发现（30%）—探索（40%）的分配比例进行分阶段评价，结合完成度、完成难度给出成绩。评价点包括文献调研的充分性、电镀工艺方案选择的合理性、实验操作过程的规范性等方面（见表1），从这些方面开展考核，能够客观评价学生运用专业知识和逻辑推演解决实际问题的能力。

表1 考核与评价标准

单位：分

[序号 评分项目 分数 1 文献调研的充分性 15 2 电镀工艺方案选择的合理性 10 3 实验操作的规范性 30 4 数据分析整理的条理性 20 5 团队协作和表达能力 10 6 勤奋程度及科学作风 15 总分（注：60分以上为通过） 100 ]

六、结语

本文介绍了实验教学课程的科研课堂“微课题”的设计与实践，选取“火箭发动机尾喷管收扩段”为“微课题”的研究对象，进行电镀过程的仿真模型建立和电沉积工艺的优化设计。项目组在课程中采取“以虚补实、虚实结合”的实验设计，按照“体验—学习—发现—探索”的思路开展小班化教学，在“体验”“认知”“学习”的基础上，引导学生发现航空航天领域大型构件的电镀工艺优化难题，基于虚拟仿真实验平台进行收扩段的电镀仿真实验，使学生掌握基本的设计思想，再借助COMSOL电镀仿真模型引导学生针对阳极设计问题进行拓展训练，探索阴极镀层厚度分布特性与阳极形状的关系，通过设定参数引导学生进行阳极优化设计，明确设计理念。“微课题”实验教学实践实现了对学生实践动手能力、设计方案能力、探索创新能力与发散性思维的培养，调动了学生参与的积极性，取得了较好的教学效果，可为工科院校实验教学的改革和发展提供经验。

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［责任编辑：苏祎颖］