“热处理设备”课程虚拟仿真实验教学系统建设及应用

［摘 要］ “热处理设备”课程虚拟仿真实验教学系统建设秉承以学生发展为中心，开展线上线下、课内课外、理论实践融合互馈的混合式教学。课程改革以掌握热处理设备的基本理论和技能、获得良好的思辨能力和岗位胜任力、培养学生的工学人文精神和家国情怀为目标。教学团队通过先进的信息化技术教学，结合教师科研、企业案例和行业进展为学生提供丰富的教学资源，全程采用多元化、整体性、系统性的评价方式，最后达到知识、能力、素质全面提高的教学效果。

［关键词］ 热处理设备；虚拟仿真；实验教学

［基金项目］ 2020年度南昌航空大学“课程思政”示范课程项目“金属材料及热处理”（sz2103）；2019年度江西省高等学校教学改革研究省级课题“基于双一流建设的‘材料科学基础实验示范中心’建设与实践”（JXJG-19-8-5）；2020年度教育部协同育人项目“针对金属材料及热处理方向工艺与设备实验教学的虚拟仿真实验实践教学系统”（202002066026）；2020年度南昌航空大学教学改革研究重点课题“基于对分课堂与慕课资源融合的双语课程改革的研究与实践”（JY2010）

［作者简介］ 姚 敬（1980—），女，江西萍乡人，工学博士，南昌航空大学材料科学与工程学院讲师，主要从事材料学及相关专业实验教学与教学改革研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）43-0125-04 ［收稿日期］ 2022-09-10

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。

四、建设成效

（一）解决了现有教学瓶颈问题

克服了传统实验教学时空限制、经费不足的问题，实验中的安全风险问题，实验先进性和综合性不足的问题。

（二）丰富了教学模式

构建综合性、创新性、虚实结合的实验体系，整合信息技术与学科课程，让学生可以随时随地、系统而深入地开展实验，从而提高学生的学习兴趣，学生可以进行多感知性、沉浸性、交互性、自主构想性的实验。图3为信息化手段制作的先进热处理设备示意图。

（三）引导学生改进学习方式

让学生学会自主学习、合作学习、探究学习。提高学生的创新能力。学生对与课程相关的赛事关注度明显上升。学生参加金相大赛、热处理创新创业大赛和考助理热处理工程师的人数增加。

（四）教学相长

围绕教学研究，教学团队成员申报多项校级、省级教学改革课题和创新创业课题。

结语

借力虚拟仿真实验，打破时间、空间、材料、设备的限制，解决了传统热处理设备设计实践实验耗时长，以及设备设计止于图纸，终于计算，无从反馈和修正的问题。缩小了传统教学和行业前沿之间的差距，降低了能耗和操作风险，拓展了实验教学的深度和广度。

参考文献

［1］汪志刚，齐亮，朱志云，等.“新工科”背景下《金属材料及热处理》课程改革探索［J］.高教学刊，2018（10）：121-123.

［2］潘健生，胡明娟.热处理工艺学［M］.北京：高等教育出版社，2009：1-9.

［3］吉泽升，许红雨.热处理炉［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2016：1-3.

［4］施家山，程正翠，肖结良，等.安徽省民营热处理厂现状及发展途径［J］.金属热处理，2006（1）：98-100.

［5］邓国庆.热加工工艺的创新与应用［J］.科技创新与应用，2015（6）：30.

［6］夏鹏成，谢鲲，曹梅青，等.热处理工艺与设备课程教学改革探讨［J］.科技视界，2015（30）：84-85.

［7］史晓斌，李永涛.热处理设备课程教学改革探索［J］.安徽工业大学学报（社会科学版），2016，33（4）：75+102.

［8］于永波，韩静国，孙佳佳，等.热处理设备课程教学模式改革初探［J］.机械职业教育，2014（10）：34-35.

［9］马煜林，葛彦伟，张瑜.新工科背景下以OBE为导向《金属学与热处理》的课程教学改革：以材料成型及控制工程（铸造方向）专业为例［J］.铸造设备与工艺，2019（5）：49-52.

［10］周兴久.热处理设备课改革之我见［J］.高等教育研究，1995（1）：17-19.

［11］陈献雄，林桂淼，雷明军，等.基础医学虚拟仿真实验教学的实践应用［J］.科技视界，2017（29）：21-22+73.

［12］李贵安，王力，刘洋.陕西师范大学课堂改革创新的理论与实践［J］.当代教师教育，2018，11（2）：76-80.

Construction and Application of Virtual Simulation Experiment Teaching System for Heat Treatment Equipment Course

YAO Jinga， XIAO Xuanb， SHU Xiao-yonga