新質生產力導向下極端制造技術融入工程訓練的探索與實踐

摘 要：基于當前新質生產力以創新為驅動，面向科技前沿、面向重大需求的人才培養導向，該文以先進的極端制造典型技術——金屬高溫氣脹成形為突破口，探索借助虛擬仿真平臺，創新虛實結合實訓教學模式，將先進性和風險性并存的金屬高溫氣脹成形技術融入工程訓練教學當中，打造服務新質生產力人才培養的一流課程。實踐表明，高質量虛擬仿真實驗可以將極端制造的知識體系全流程、多角度、高水平地具象展現。且能夠讓學生在安全、自由、低成本狀態下，完成高溫、高壓條件下的虛擬實踐操作和工藝探索，能夠有效強化塑性成形專業實踐認知和實踐能力，激發學生自主學習和創新精神。實驗兼具先進性、實用性，在實施過程中取得豐富的教學成果，具有較強推廣價值。

關鍵詞：極端制造技術；新質生產力；金屬高溫氣脹成形；虛擬仿真；探索與實踐

中圖分類號：G424.4 文獻標志碼：A 文章編號：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

基金項目：教育部機械基礎/工程訓練教指委“‘項目牽引、學做交叉、虛實結合’的工業機器人項目式工程訓練教學方法研究”（2022JJGX-WKJY-19）；教育部產學合作協同育人項目“變溫流體高壓成形技術工程訓練仿真基地建設”（220506707202936）；教育部產學合作協同育人項目“液壓/氣動技術與工業機器人融合工訓教學模塊的研究與實踐”（202101205003）；大連理工大學教學改革項目“產研融入、虛實互補、平臺提升——全新塑性成形工訓模塊建設”（YB2023035）

第一作者簡介：杜巍（1983-），男，漢族，遼寧朝陽人，博士，工程師，工程訓練中心副主任。研究方向為工程實踐教學與改革。

習近平總書記提出：“要根據科技發展新趨勢，優化高等學校學科設置、人才培養模式，為發展新質生產力、推動高質量發展培養急需人才”[1]。當前，將國際先進技術融入培養與新質生產力特征相適應的創新型人才，無疑是高校的重要使命擔當。極端制造（Extreme manufacturing）是指在超高溫、超高壓、超低溫等極端條件下，制造具有極端尺度或極高功能零件的技術，是新思路、新工藝、新裝備、新效應集中涌現的前沿創新領域[2-5]。

金屬高溫氣脹成形，簡稱“熱氣脹”，即為一種典型的極端制造方法。“熱氣脹”是在超高溫條件下，向中空坯料內部沖入高壓氣體進行柔性脹形，最終貼模成形具有復雜精細結構零件的成形工藝，如圖1所示[6-8]。該工藝已應用于航空航天、高鐵、汽車等領域的復雜薄壁構件的批量生產，是國家急需的戰略性新興技術，教學和應用價值顯著[9-11]。

一 “熱氣脹”實體教學的困境和仿真實驗建設的必要性

“熱氣脹”技術對實現新一代運載裝備關鍵零件的大承載、高可靠和輕量化具有重要戰略意義，急需融入高校現有工程訓練和塑性成形類專業課程當中。但其高溫、高壓、高速等工藝特點和特殊設備需求，導致其實踐教學難以開展，制約要素總結如下。

（一） 工藝環境風險大

“熱氣脹”成形工藝需要在極端的高溫和高壓環境下快速進行。成形溫度通常超過1 000 ℃，最大壓力可達到35 MPa，增壓速度高達100 bar/s。這種極端條件下進行的實驗過程具有高度的風險性。因此，在此類環境下進行實驗，不僅對學生操作能力要求高，而且對實驗場地的安全措施也提出了苛刻的要求。對于高校實踐教學而言危險性過大。

（二） 設備價格高、體積大

“熱氣脹”成形設備包括大噸位壓力機、加熱單元、高壓單元、水平缸以及高度集成的控制系統等。這些設備不僅技術要求高，制造成本也極為昂貴。此外，由于設備的復雜性和高集成度，設備的占地面積較大，對于多數高校而言，難以提供足夠的空間來安置和操作這些設備。

（三） 密閉空間成形過程難觀測

“熱氣脹”成形是在完全封閉的模具內進行，成形時，學生無法直接觀測到金屬在高溫高壓環境下的變形行為。這種密閉空間的操作，使得學生難以直觀地理解和掌握金屬材料在復雜加載條件下的塑性變形過程。無法直接觀測實驗過程，也限制了學生在實驗過程中發現和解決問題的可能，不利于其對成形工藝的全面理解和掌握。

（四） 工藝動作多、實驗操作困難

“熱氣脹”成形過程中需同時控制多個系統的協同動作，包括壓力機的合模、水平缸的密封、坯料的加熱、模具的冷卻和增壓脹形等。每個工藝動作都需要精確的參數控制和同步操作，任何失誤都可能導致實驗失敗甚至設備損壞。多系統、多參量的協同控制難度大，操作比較復雜，實體實驗對于學生的容錯率太低，線下教學難度大，如圖2所示。

因此，針對“熱氣脹”等極端制造技術內容、工藝和設備，建立對應虛擬仿真實驗，不但可以實現高風險、高成本工藝過程的仿真實踐學習，還能夠讓學生通過多維度、多角度觀察理解實驗過程，提升專業認知水平，進而自主完成個性化的流程設計、設備選型、參數優化、結果分析和工藝探索等實訓操作。從而，培養學生的專業實踐能力和創新意識。

綜上，面向機械大類工科學生，建設“熱氣脹”虛擬仿真實驗教學體系意義重大，勢在必行。

二 “熱氣脹”虛擬仿真實驗的特色創新

（一） 國際領先、理實兼備的實踐教學新內容

實驗建設團隊聚焦國家“卡脖子”問題，攻克了金屬“熱氣脹”相關技術難題，形成了涵蓋成形理論、工藝、裝備和應用的完整技術體系，與寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱“寶鋼股份”）、捷安特股份有限公司、中國第一汽車集團有限公司（簡稱“中國一汽”）等著名企業合作實現了豐富產業應用，理論和應用水平國際領先，曾獲得中國專利金獎、國家技術發明二等獎。實驗選取了行業最具代表性的科研和應用場景融入教學，包括遵循國家標準的管材自由脹形實驗，以及體現產業最新應用的汽車扭力梁超高溫快速氣脹成形實驗。實驗中涉及的理論知識均來源于最新的“熱氣脹”科研成果，而成形工藝仿真中使用的設備模型、操作方法、工藝參數計算公式等教學內容均與真實工業生產完全對應，具有顯著的技術實用性和先進性。

（二） 涵蓋工藝參數、過程數據、成形結果的豐富真實數據庫

依托長期的工藝研究和產業應用的積累，團隊在實驗數據、實驗結果、工藝參數和設備仿真模型等方面擁有十分豐富的教學素材。本實驗充分整理和挖掘了這些數據，形成了包含工藝參數、過程數據、仿真模型和成形結果等多維度真實數據庫，如圖3所示。這保證了實驗參數的合理性，變形過程的真實性和成形結果的多樣性，為學生進行工藝探索、多路徑完成“熱氣脹”成形提供了有力支撐，極大地提升了實驗的真實性和體驗感。

（三） 知識講授、實驗操作和工業仿真高度穿插的教學新方法

實驗發揮虛擬仿真技術優勢，將理論教學、實驗教學和工業仿真融為一體。學生可將在仿真平臺學習到的理論知識迅速應用于后續的仿真工藝設計和實驗操作，而基礎性能測試結果又能夠直接指導后續工業仿真的設置和實操，形成“即學即用、環環相扣、層次遞進”的實踐教學方式，可以使學生全面高效地了解復雜應力狀態下材料脹形性能測試方法，掌握極端塑性成形先進技術。同時，團隊深入挖掘線上知識點考核內容，建立了與教學方式相適應的全過程考察和評價體系，鼓勵學生主動學習、獨立思考、大膽實踐。

（四） 產學合作、校級共享、協同建設的線上實驗平臺建設新模式

該實驗在建設過程中得到行業內知名企業的技術支持和數據分享，而線上實驗平臺建成后也成為相關企業培養“熱氣脹”技術人員的培訓平臺。此外，由于“熱氣脹”成形技術的實用性和先進性，多所研究型高校也開始引入該仿真實驗作為專業課程的重要實踐補充。目前，該實驗已推廣至13所“雙一流”高校和知名企業共享使用。各共享高校、企業也積極地反饋實踐教學效果和提升建議，反向促進了仿真實驗平臺的提升和迭代，形成了產學合作、校級共建共享、持續優化的平臺建設新模式。

本工程訓練仿真實驗聚焦國家新質生產力對創新人才培養的迫切需求，以團隊國際領先的極端塑性成形優勢科研成果為支撐，以新興信息化技術為手段，針對“成形類教學內容落后于科技和產業發展、線下實踐教學困難、教學模式難以滿足創新型人才培養需求”等問題，建設并實際驗證了極端環境塑性成形實踐教學特色體系。

三 虛擬仿真實驗建設內容

針對“熱氣脹”技術的新質生產力屬性以及其實體教學面臨的困境，急需充分利用優質科研和產業資源，匯集企業、高校等各方力量，打造產研融入、虛實互補、多方共建的新型極端制造工程訓練虛擬仿真實驗體系，其主要建設思路如圖4所示。

（一） 原理及理論基礎先導內容

在學生仿真實操之前，首先總體闡述“熱氣脹”的基本概念、原理、應用領域及重要性。而后進行工藝流程解析，詳細介紹“熱氣脹”技術的工藝環節，包括坯料準備、預成形、加熱、高壓氣體充入、壓制成形、冷卻與脫模等步驟。最后，在學生仿真具象化認知后，講解“熱氣脹”成形過程中材料的塑性成形基本概念、變形理論、熱力學原理和材料表征方法等內容。

（二） 真實、豐富的工程場景及全流程數據構建

實驗根據真實的制造場地、工具門類、設備配置和組織形式，構建高度逼真的虛擬制造環境。在實驗過程中的工藝操作中，以仿真技術高度還原操作流程中的各個操作步驟和動作細節，保證實踐教學知識點不遺漏。此外，實驗中涉及的材料性能、工藝參數、工件應變演化和成形結果等多維度的真實數據，需要進行系統性的梳理，并與材料形變過程和設備工藝動作相匹配，從而形成工件變形、設備動作和應力應變演化高度映射真實工況的仿真教學場景。

（三） 合理、多樣的互動環節和評價體系

實驗在學生學習過程中的不同階段設置與當前內容相關的理論學習、互動問答、實操講解和操作判斷等環節，既能夠實時引導學生進行合理操作和學習，又能夠及時考察、記錄學生的學習進度和掌握程度，從而實現對學生實驗全過程的動態監管和評價。采用主客觀相結合的“過程考核”方式，軟件系統中虛擬仿真實驗6個大類知識點均設定一定的分值，學生在規定時間內完成自主探究式學習，方可獲得對應分數。此外，在實驗中段，設置了具有承前啟后作用的簡答題，給予學生主觀表達的空間，促進學生自主學習習慣的養成和探索創新意識的提升，也使得評價體系更加多元、全面、準確。

（四） 高度自主的工藝探索模塊

基于豐富的工藝參數、材料變形響應和成形結果數據，實驗還設置了自主工藝探索模塊。學生可以在不受成本和實體環境約束的情況下，輸入不同的參數，仿真實驗系統將對應呈現不同的成形過程與結果。借此，學生可以深刻理解工藝與脹形率、貼膜度、最小成形圓角等“熱氣脹”成形質量指標的對應關系，并基于理論知識進行分析，從而加深對金屬塑性成形的專業理解和認知，獲得實用的工藝規劃、實操和分析能力。

（五） 融入實踐的課程思政親歷素材

“熱氣脹”作為高性能運載工具制造領域的關鍵戰略性技術，曾長期被國外壟斷，成為“卡脖子”難題。近年，經過以本實驗教學團隊為主的國內學者和產業人士的艱苦攻關，終于實現了“熱氣脹”技術的自主性突破，并達到了國際領先的應用水平。實驗梳理了“熱氣脹”技術自立自強的科研探索和應用過程，提煉了其中優質的思政元素和真實案例，將培養家國情懷、職業素養、個人奮斗精神等不同層次思政培養目標有機結合。同時，基于各實驗環節的配置和特點，設置了與專業知識高度契合，并由教師親歷講授的思政教學環節。打造了一張有廣度、有深度、有溫度的思政教學網。

四 結束語

自2021年10月仿真實驗上線起，已在面向全校理工類本科生的工程訓練課程中作為科教融合教學模塊實施，并在機械工程材料、先進成形制造技術等專業課中作為實驗教學平臺使用，教學量達3 600余人次。實驗已于2022年被認定為省級虛擬仿真一流課程。同時，得益于先進的教學內容和設計，實驗已推廣至哈爾濱工業大學、上海交通大學等國內13所“雙一流”高校以及寶鋼股份、捷安特等知名制造企業使用，在教育界和產業界都獲得了良好的教學效果，也得到了來自領域各界的反饋和指導，助力實驗內容和平臺不斷的迭代和優化。

綜上，面向新質生產力發展的人才培養需求，本工程訓練仿真實驗在國內首創了基于工程實況的極端環境塑性成形虛擬仿真工程訓練教學新平臺，構建了將前沿科研成果和真實產業場景融入新內容、新實踐、新課程的工程訓練課程新體系，踐行了產學合作、校級共享、協同建設的線上實驗建設新模式，探索了一條極端制造融入工程訓練的教學改革新路徑。

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