新质生产力导向下极端制造技术融入工程训练的探索与实践

摘 要：基于当前新质生产力以创新为驱动，面向科技前沿、面向重大需求的人才培养导向，该文以先进的极端制造典型技术——金属高温气胀成形为突破口，探索借助虚拟仿真平台，创新虚实结合实训教学模式，将先进性和风险性并存的金属高温气胀成形技术融入工程训练教学当中，打造服务新质生产力人才培养的一流课程。实践表明，高质量虚拟仿真实验可以将极端制造的知识体系全流程、多角度、高水平地具象展现。且能够让学生在安全、自由、低成本状态下，完成高温、高压条件下的虚拟实践操作和工艺探索，能够有效强化塑性成形专业实践认知和实践能力，激发学生自主学习和创新精神。实验兼具先进性、实用性，在实施过程中取得丰富的教学成果，具有较强推广价值。

关键词：极端制造技术；新质生产力；金属高温气胀成形；虚拟仿真；探索与实践

中图分类号：G424.4 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）29-0019-04

Abstract： Based on the current innovation-driven new quality productivity， aimed at the fmN1T315tdjTZVm4j/tTbMA==rontier of science and technology and the major needs of talent training， this paper takes the advanced extreme manufacturing technology-metal high-temperature gas bulging as a breakthrough point. The study explores the use of a virtual simulation platform to innovate a combined practical training teaching mode that integrates virtual and real elements， incorporating the advanced and risky metal high-temperature gas bulging technology into engineering training. The goal is to create first-class courses that serve the training of talents for new quality productivity. Practice shows that high-quality virtual simulation experiments can vividly demonstrate the entire process， multiple angles， and high-level aspects of the extreme manufacturing knowledge system. They allow students to complete virtual practical operations and process explorations under high-temperature and high-pressure conditions in a safe， free， and low-cost environment， effectively enhancing their professional practice cognition and abilities in plastic forming， and stimulating their autonomous learning and innovative spirit. The experiment combines both advanced and practical elements， achieving rich teaching results during implementation and having strong promotion value.

Keywords： extreme manufacturing technology; new quality productivity; hot gas bulging of metal; virtual simulation; exploration and practice

基金项目：教育部机械基础/工程训练教指委“‘项目牵引、学做交叉、虚实结合’的工业机器人项目式工程训练教学方法研究”（2022JJGX-WKJY-19）；教育部产学合作协同育人项目“变温流体高压成形技术工程训练仿真基地建设”（220506707202936）；教育部产学合作协同育人项目“液压/气动技术与工业机器人融合工训教学模块的研究与实践”（202101205003）；大连理工大学教学改革项目“产研融入、虚实互补、平台提升——全新塑性成形工训模块建设”（YB2023035）

第一作者简介：杜巍（1983-），男，汉族，辽宁朝阳人，博士，工程师，工程训练中心副主任。研究方向为工程实践教学与改革。

习近平总书记提出：“要根据科技发展新趋势，优化高等学校学科设置、人才培养模式，为发展新质生产力、推动高质量发展培养急需人才”[1]。当前，将国际先进技术融入培养与新质生产力特征相适应的创新型人才，无疑是高校的重要使命担当。极端制造（Extreme manufacturing）是指在超高温、超高压、超低温等极端条件下，制造具有极端尺度或极高功能零件的技术，是新思路、新工艺、新装备、新效应集中涌现的前沿创新领域[2-5]。

金属高温气胀成形，简称“热气胀”，即为一种典型的极端制造方法。“热气胀”是在超高温条件下，向中空坯料内部冲入高压气体进行柔性胀形，最终贴模成形具有复杂精细结构零件的成形工艺，如图1所示[6-8]。该工艺已应用于航空航天、高铁、汽车等领域的复杂薄壁构件的批量生产，是国家急需的战略性新兴技术，教学和应用价值显著[9-11]。

一 “热气胀”实体教学的困境和仿真实验建设的必要性

“热气胀”技术对实现新一代运载装备关键零件的大承载、高可靠和轻量化具有重要战略意义，急需融入高校现有工程训练和塑性成形类专业课程当中。但其高温、高压、高速等工艺特点和特殊设备需求，导致其实践教学难以开展，制约要素总结如下。

（一） 工艺环境风险大

“热气胀”成形工艺需要在极端的高温和高压环境下快速进行。成形温度通常超过1 000 ℃，最大压力可达到35 MPa，增压速度高达100 bar/s。这种极端条件下进行的实验过程具有高度的风险性。因此，在此类环境下进行实验，不仅对学生操作能力要求高，而且对实验场地的安全措施也提出了苛刻的要求。对于高校实践教学而言危险性过大。

（二） 设备价格高、体积大

“热气胀”成形设备包括大吨位压力机、加热单元、高压单元、水平缸以及高度集成的控制系统等。这些设备不仅技术要求高，制造成本也极为昂贵。此外，由于设备的复杂性和高集成度，设备的占地面积较大，对于多数高校而言，难以提供足够的空间来安置和操作这些设备。

（三） 密闭空间成形过程难观测

“热气胀”成形是在完全封闭的模具内进行，成形时，学生无法直接观测到金属在高温高压环境下的变形行为。这种密闭空间的操作，使得学生难以直观地理解和掌握金属材料在复杂加载条件下的塑性变形过程。无法直接观测实验过程，也限制了学生在实验过程中发现和解决问题的可能，不利于其对成形工艺的全面理解和掌握。

（四） 工艺动作多、实验操作困难

“热气胀”成形过程中需同时控制多个系统的协同动作，包括压力机的合模、水平缸的密封、坯料的加热、模具的冷却和增压胀形等。每个工艺动作都需要精确的参数控制和同步操作，任何失误都可能导致实验失败甚至设备损坏。多系统、多参量的协同控制难度大，操作比较复杂，实体实验对于学生的容错率太低，线下教学难度大，如图2所示。

因此，针对“热气胀”等极端制造技术内容、工艺和设备，建立对应虚拟仿真实验，不但可以实现高风险、高成本工艺过程的仿真实践学习，还能够让学生通过多维度、多角度观察理解实验过程，提升专业认知水平，进而自主完成个性化的流程设计、设备选型、参数优化、结果分析和工艺探索等实训操作。从而，培养学生的专业实践能力和创新意识。

综上，面向机械大类工科学生，建设“热气胀”虚拟仿真实验教学体系意义重大，势在必行。

二 “热气胀”虚拟仿真实验的特色创新

（一） 国际领先、理实兼备的实践教学新内容

实验建设团队聚焦国家“卡脖子”问题，攻克了金属“热气胀”相关技术难题，形成了涵盖成形理论、工艺、装备和应用的完整技术体系，与宝山钢铁股份有限公司（简称“宝钢股份”）、捷安特股份有限公司、中国第一汽车集团有限公司（简称“中国一汽”）等著名企业合作实现了丰富产业应用，理论和应用水平国际领先，曾获得中国专利金奖、国家技术发明二等奖。实验选取了行业最具代表性的科研和应用场景融入教学，包括遵循国家标准的管材自由胀形实验，以及体现产业最新应用的汽车扭力梁超高温快速气胀成形实验。实验中涉及的理论知识均来源于最新的“热气胀”科研成果，而成形工艺仿真中使用的设备模型、操作方法、工艺参数计算公式等教学内容均与真实工业生产完全对应，具有显著的技术实用性和先进性。

（二） 涵盖工艺参数、过程数据、成形结果的丰富真实数据库

依托长期的工艺研究和产业应用的积累，团队在实验数据、实验结果、工艺参数和设备仿真模型等方面拥有十分丰富的教学素材。本实验充分整理和挖掘了这些数据，形成了包含工艺参数、过程数据、仿真模型和成形结果等多维度真实数据库，如图3所示。这保证了实验参数的合理性，变形过程的真实性和成形结果的多样性，为学生进行工艺探索、多路径完成“热气胀”成形提供了有力支撑，极大地提升了实验的真实性和体验感。

（三） 知识讲授、实验操作和工业仿真高度穿插的教学新方法

实验发挥虚拟仿真技术优势，将理论教学、实验教学和工业仿真融为一体。学生可将在仿真平台学习到的理论知识迅速应用于后续的仿真工艺设计和实验操作，而基础性能测试结果又能够直接指导后续工业仿真的设置和实操，形成“即学即用、环环相扣、层次递进”的实践教学方式，可以使学生全面高效地了解复杂应力状态下材料胀形性能测试方法，掌握极端塑性成形先进技术。同时，团队深入挖掘线上知识点考核内容，建立了与教学方式相适应的全过程考察和评价体系，鼓励学生主动学习、独立思考、大胆实践。

（四） 产学合作、校级共享、协同建设的线上实验平台建设新模式

该实验在建设过程中得到行业内知名企业的技术支持和数据分享，而线上实验平台建成后也成为相关企业培养“热气胀”技术人员的培训平台。此外，由于“热气胀”成形技术的实用性和先进性，多所研究型高校也开始引入该仿真实验作为专业课程的重要实践补充。目前，该实验已推广至13所“双一流”高校和知名企业共享使用。各共享高校、企业也积极地反馈实践教学效果和提升建议，反向促进了仿真实验平台的提升和迭代，形成了产学合作、校级共建共享、持续优化的平台建设新模式。

本工程训练仿真实验聚焦国家新质生产力对创新人才培养的迫切需求，以团队国际领先的极端塑性成形优势科研成果为支撑，以新兴信息化技术为手段，针对“成形类教学内容落后于科技和产业发展、线下实践教学困难、教学模式难以满足创新型人才培养需求”等问题，建设并实际验证了极端环境塑性成形实践教学特色体系。

三 虚拟仿真实验建设内容

针对“热气胀”技术的新质生产力属性以及其实体教学面临的困境，急需充分利用优质科研和产业资源，汇集企业、高校等各方力量，打造产研融入、虚实互补、多方共建的新型极端制造工程训练虚拟仿真实验体系，其主要建设思路如图4所示。

（一） 原理及理论基础先导内容

在学生仿真实操之前，首先总体阐述“热气胀”的基本概念、原理、应用领域及重要性。而后进行工艺流程解析，详细介绍“热气胀”技术的工艺环节，包括坯料准备、预成形、加热、高压气体充入、压制成形、冷却与脱模等步骤。最后，在学生仿真具象化认知后，讲解“热气胀”成形过程中材料的塑性成形基本概念、变形理论、热力学原理和材料表征方法等内容。

（二） 真实、丰富的工程场景及全流程数据构建

实验根据真实的制造场地、工具门类、设备配置和组织形式，构建高度逼真的虚拟制造环境。在实验过程中的工艺操作中，以仿真技术高度还原操作流程中的各个操作步骤和动作细节，保证实践教学知识点不遗漏。此外，实验中涉及的材料性能、工艺参数、工件应变演化和成形结果等多维度的真实数据，需要进行系统性的梳理，并与材料形变过程和设备工艺动作相匹配，从而形成工件变形、设备动作和应力应变演化高度映射真实工况的仿真教学场景。

（三） 合理、多样的互动环节和评价体系

实验在学生学习过程中的不同阶段设置与当前内容相关的理论学习、互动问答、实操讲解和操作判断等环节，既能够实时引导学生进行合理操作和学习，又能够及时考察、记录学生的学习进度和掌握程度，从而实现对学生实验全过程的动态监管和评价。采用主客观相结合的“过程考核”方式，软件系统中虚拟仿真实验6个大类知识点均设定一定的分值，学生在规定时间内完成自主探究式学习，方可获得对应分数。此外，在实验中段，设置了具有承前启后作用的简答题，给予学生主观表达的空间，促进学生自主学习习惯的养成和探索创新意识的提升，也使得评价体系更加多元、全面、准确。

（四） 高度自主的工艺探索模块

基于丰富的工艺参数、材料变形响应和成形结果数据，实验还设置了自主工艺探索模块。学生可以在不受成本和实体环境约束的情况下，输入不同的参数，仿真实验系统将对应呈现不同的成形过程与结果。借此，学生可以深刻理解工艺与胀形率、贴膜度、最小成形圆角等“热气胀”成形质量指标的对应关系，并基于理论知识进行分析，从而加深对金属塑性成形的专业理解和认知，获得实用的工艺规划、实操和分析能力。

（五） 融入实践的课程思政亲历素材

“热气胀”作为高性能运载工具制造领域的关键战略性技术，曾长期被国外垄断，成为“卡脖子”难题。近年，经过以本实验教学团队为主的国内学者和产业人士的艰苦攻关，终于实现了“热气胀”技术的自主性突破，并达到了国际领先的应用水平。实验梳理了“热气胀”技术自立自强的科研探索和应用过程，提炼了其中优质的思政元素和真实案例，将培养家国情怀、职业素养、个人奋斗精神等不同层次思政培养目标有机结合。同时，基于各实验环节的配置和特点，设置了与专业知识高度契合，并由教师亲历讲授的思政教学环节。打造了一张有广度、有深度、有温度的思政教学网。

四 结束语

自2021年10月仿真实验上线起，已在面向全校理工类本科生的工程训练课程中作为科教融合教学模块实施，并在机械工程材料、先进成形制造技术等专业课中作为实验教学平台使用，教学量达3 600余人次。实验已于2022年被认定为省级虚拟仿真一流课程。同时，得益于先进的教学内容和设计，实验已推广至哈尔滨工业大学、上海交通大学等国内13所“双一流”高校以及宝钢股份、捷安特等知名制造企业使用，在教育界和产业界都获得了良好的教学效果，也得到了来自领域各界的反馈和指导，助力实验内容和平台不断的迭代和优化。

综上，面向新质生产力发展的人才培养需求，本工程训练仿真实验在国内首创了基于工程实况的极端环境塑性成形虚拟仿真工程训练教学新平台，构建了将前沿科研成果和真实产业场景融入新内容、新实践、新课程的工程训练课程新体系，践行了产学合作、校级共享、协同建设的线上实验建设新模式，探索了一条极端制造融入工程训练的教学改革新路径。

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