材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心的建設

李亮亮， 趙玉珍， 李正操， 林元華， 潘 偉， 聞星火

(清華大學 材料科學與工程學院, 北京 100084)

近年來，國內外許多高校根據自身科研和教學的需求，開發了虛擬仿真實驗項目，建立了虛擬實驗室[1-3]。虛擬實驗室的概念是1989年由美國弗吉尼亞大學William Wolf提出的，是除理論與實驗之外的第3種設計手段和形式[4]。實驗者可以模擬真實實驗環境，完成各種預定的實驗項目，能夠獲得直觀真實的實驗效果，展現不可視的結構或原理，從而快速響應教學實驗的需求。虛擬實驗具有成本低、效率高、可擴展性強、操作安全、高度開放和資源共享等特點。虛擬仿真實驗教學有利于培養學生自我訓練及創新意識，實現實驗教學中虛實互補，因而成為目前實驗室建設的一個重要發展方向[5-7]。

1 建設內容

材料科學是一門實驗性很強的學科，實驗教學是培養材料學科高素質人才的重要實踐性環節。其中，某些重要的關鍵性教學實驗具有一定的危險性和高消耗、高成本、高污染、極端不可見等特點，特別是對材料在特殊極端環境中結構和性能的變化時，需利用放射性物質進行材料基本結構與性能的檢測，其技術與手段存在著較大的危險性。對于一些在實驗教學中涉及高溫、高壓、放射性、易污染、長周期以及高消耗型的實驗，通過虛擬仿真實驗的方式,可以達到接近現場實體實驗的效果，并可無限制、無污染、無浪費、安全高效地重復操作，節約教學資源，實現綠色實驗教學[8]。清華大學以國家級先進材料實驗教學示范中心為依托，整合了多個國家級、省部級重點實驗室的相關教學資源，成立了材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心(下稱中心)。中心具備完備的硬件、豐富的軟件和課程資源及師資力量雄厚的教學團隊。中心擁有專用虛擬仿真教學實驗室、3D立體顯示平臺、15萬億次/秒計算集群，有ProCast、Anycasting、ANSYS等10多種材料分析和加工的應用軟件，以及有自主版權的鑄造過程模擬軟件(FT-STAR)，并實現了課程和軟件資源共享、信息發布、數據分析等功能的網絡資源平臺。中心秉承“開放、共享、綠色”的教學理念，以培養學生綜合設計和創新能力為目的，設立了從基礎型到綜合型、研究型的虛擬仿真實驗課程體系，開展了高危性、高成本、極端條件下的材料制備、分析及加工的虛擬仿真實驗教學，建設了安全可靠、綠色節約、可視化的虛擬仿真實驗教學平臺。

1.1 高危實驗的安全可靠虛擬仿真實驗教學平臺

材料科學中的某些實驗涉及放射性內容，如在放射性環境下材料的服役行為特點和性能變化；用放射性元素進行示蹤實驗，顯示材料的擴散、相變和組織形成過程等。這些實驗對學生理解材料服役行為或組織演變過程非常重要，是學生掌握專業理論知識的基礎實驗，然而，這類實驗危險性極高，目前全國各高校已禁止開展此類真實實驗。中心開設了放射性實驗的計算機虛擬仿真，展現原子擴散、輻照失效等實驗過程。如在“輻照條件下材料表面缺陷的形成”這個實驗中，學生使用TRIM軟件，采用二體碰撞模型，模擬了表面缺陷形成過程，計算缺陷產生的位置。學生通過模擬實驗，經歷了模型建立、參數選擇、仿真計算等過程，不僅理解了缺陷的生成機理，還了解了軟件的應用。這類虛擬仿真實驗不但能幫助學生充分理解和掌握專業理論知識，而且保障了一個安全、可靠的教學環境。

1.2 高成本實驗的綠色節約虛擬仿真實驗教學平臺

材料專業課程中的一些實驗項目需要消耗大量實驗材料。高消耗和重復性實驗使實驗成本劇增，限制了實驗教學的發展。中心采用虛擬仿真實驗方式實現了綠色節約的實驗教學,例如，在“三維晶體結構”的實驗項目中，學生采用商業軟件Materials Studio，在計算機上構建各種類型的形態多變、豐富有趣的晶體結構，如圖1所示的是學生繪制的具有尖晶石結構的CoAl2O4的原胞。這種方法相對球棒實物模型搭建晶體結構或者采用金屬框架組建多元相圖的傳統教學方式，更能吸引學生快速掌握知識點。再如，在“材料加工”、“工藝過程仿真”等課程中，利用FT-STAR軟件讓學生掌握“鑄件成型過程”。學生通過對軟件的學習和模型參數的選擇，深刻地理解了傳熱過程、充型流動、應力應變、微觀組織、缺陷形成等重要知識點，能夠通過模擬計算得出優化的工藝參數，制備出合格的成型工件，大大降低了制備工件的成本，節約了資源和能源。圖2為罩蓋壓鑄充型的虛擬仿真結果[4]。

圖1 具有尖晶石結構的CoAl2O4原胞

圖2 罩蓋壓鑄充型的仿真結果

1.3 極端條件下實驗的可視化虛擬仿真實驗教學平臺

某些材料的制備和加工過程具有尺度極小、溫度極高、能量密度極大等特點，真實的實驗很難捕捉到這些極端條件下的材料特征及行為，因此虛擬仿真成為必需的可視化手段。例如在“高分子自組裝過程”實驗中，采用分子動力學模擬，演示自組裝過程，從而學生很容易理解分子或原子的運動，掌握其運動規律；在“金屬凝固過程”、“外加移動熱源條件下的溫度場”等實驗中采用虛擬仿真的可視化手段，使學生能夠快速理解各種極端條件下的實驗過程和現象。中心還應用了NeoFound 3D系統，可以3D立體顯示工件及其模擬結果，明確區分交錯層疊結構的空間位置和層次空間。該系統立體效果好，能夠讓學生快速了解顯示對象的空間形狀、模擬仿真結果及缺陷位置，還可以動畫演示模擬結果，供上百人同時觀看。

圖3 單機版的3D立體顯示

圖4 會議版的3D立體顯示

為進一步發展虛擬仿真實驗教學，中心還將結合最新材料科研進展和工程應用，發揮科研轉化教學的優勢，每年增設創新型、前沿性虛擬仿真實驗項目，如3D打印設計仿真、納米碳材料的導熱性質分析等，進一步完善虛擬仿真實驗教學內容，開闊學生眼界和思路，提高學生創新能力。

2 教學特色

清華大學材料學科具有國際一流的研究水平和綜合實力，在ESI學科競爭力排行榜中位居全球的前4%。在2012年一級學科評估中，排名全國第一。2011年，湯姆·路透致函清華大學，祝賀清華大學材料科學學科進入世界科研機構前20強。在ISI的3個評價指標中，材料科學有2個指標進入世界前10強。中心以國際一流的科研項目和雄厚的學科優勢為依托，形成中心建設與科研、特色學科發展相長的虛實結合相互補充的實驗教學特色。

2.1 以國際一流的科研項目為依托，“科教結合”，使科研條件轉化為實驗教學資源，使科研成果轉化為實驗教學項目

中心整合了新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室、環境污染與模擬聯合國家重點實驗室、先進材料教育部重點實驗室、先進成形制造教育部重點實驗室等多個國家級、省部級重點實驗室的相關教學資源，以及依托中心教師強勢的科研能力，承擔了多項國家科技重大專項和“973”、“863”、國家自然科學基金等項目，并取得了一批創新性成果，其中10多項獲得國家自然科學獎、國家科學技術發明獎和國家科學技術進步獎等。在實驗前沿探究課和綜合性實驗教學中，及時將這些前沿科學研究成果轉化為實驗教學項目。在實驗內容上，中心不斷引進現代材料科學與工程成熟的前沿實驗技術，如EBSD技術、X射線衍射、透射電子顯微分析等。中心還鼓勵學生參加課外科研活動，支持學生自主立項、申請SRT、挑戰杯、種子基金等。在這些課外科研活動中，中心積極為學生提供儀器設備、試劑、實驗場所與技術指導。

2.2 以材料學科優勢為基礎，以合作企業為后盾的“虛實結合”的實驗實踐教學

中心雄厚的學科優勢，吸引了許多企業參與中心建設，中心合理利用合作企業的資源優勢，發展了“虛實結合”的實驗實踐教學方式，實現了中心與企業共同建設的良好模式。中心與東莞新科、佛山陶瓷、唐山陶瓷、北京航空材料研究院，中國工程物理研究院、巨科鋁業、首鋼等50余個知名企業、研究院所簽署合作協議，建立了學生實習或實踐基地，開設了各類仿真實驗項目，聯合培養學生。當學生在這些實習、實踐基地學習時，他們利用在學校里掌握的虛擬仿真知識，與生產實際相結合，能更好地掌握專業知識，有的學生甚至幫助企業提高生產力。這種“虛實結合”的實驗實踐教學方式更有利于提高學生的分析能力和創新能力。

3 卓越的師資隊伍

中心從結構、層次、數量、學科分布等方面入手，規劃和建設了一支高水平實驗教學團隊。中心教學隊伍由主講教師、實驗技術人員和博士生助教3類人員組成。

主講教師是活躍在教學、科研一線的骨干教授、副教授，負責實驗課程的設計與教學。主講教師中有多名科學院和工程院院士、“千人計劃”人員等優秀教師。他們承擔了國家科技重大專項和“973”、“863”、國家自然科學基金等項目，具備堅實的理論基礎和豐富科研與實踐經驗，熟悉學科發展方向，能夠推動實驗課程教學內容的改革與更新，促進教學與科研結合。

實驗技術人員負責實驗課程的準備與輔導，并進行實驗室建設與管理。中心本著發展、提高的原則，采取多種形式提高實驗技術人員的業務素質，如參加學術會議、參與相關課題組組會交流等，并設立實驗室基金，鼓勵他們進行實驗教學或新實驗設計的研究，提高創新能力，以期建設教育理念先進、研究能力強、教學與管理經驗豐富的實驗技術人員隊伍。

博士生助教由相關專業在讀博士生組成，經人事處聘任。助教博士生經過學校崗前培訓和主講教師負責的業務培訓合格后上崗，協助主講教師負責某一課程的實驗教學、輔導與考核。博士生來自科研工作的第一線，研究課題各不相同，為豐富和改革教學實驗內容提供了良好的條件，可以開闊設計教學實驗的思路，并容易與學生交流反饋，發揮橋梁紐帶的作用。

4 結束語

材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心開設虛擬仿真相關實驗課程約30門，面向全校工科專業，年實驗教學工作量約30 000人時。中心擁有豐富的教學資源和卓越的教學團隊，形成了一套高效管理方法和實驗教學運行機制，在精品課程建設、師資隊伍建設、實驗教學特色、實驗教學成果和效果、實踐基地建設等方面取得了豐碩的成果，得到了校內外專家的好評。中心將進一步緊密依靠清華大學材料學科的優勢，整合清華大學材料學科優秀科研成果及材料產業的優質資源，將材料科學與工程虛擬仿真實驗教學中心建設成為培養高素質、創新型材料科學人才的重要平臺。

[1] 教育部高教司.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知[Z].教育部高教司函[2013]94號.

[2] 石松泉，沈紅，梁偉，等. 虛實結合的電工電子實驗教學體系的設計[J]. 實驗技術與管理,2008,25(8):184-186.

[3] 蔡衛國. 虛擬仿真技術在機械工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理,2011, 28(8)：76-78.

[4] 張麗媛. 基于組件的計算機組成原理虛擬實驗室的設計與實現[D].長沙：中南大學,2008.

[5]王罡. 壓鑄充型過程數值模擬的并行計算技術研究[D].北京：清華大學,2004.

[6] 房丹，扈旻. 助教博士生在實驗教學改革中的作用[J].實驗技術與管理，2006，23(9)：127-130.

[7] 黃友能,唐濤,宋曉偉.虛擬仿真技術在地鐵列車運行仿真系統中的研究[J].系統仿真學報,2008,20(12):3208-3211.

[8] 閆紀紅,張奮揚.虛擬可重組制造系統仿真優化模塊開發[J].實驗室研究與探索,2013,32(7):81-86.