以產業為導向的材料專業信息化人才培養探索

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.10.007

Exploration of Industry-oriented Information Technology Talent Cultivation in Materials Science

DAI Yajie'，HUANG Ao'， YIN Yucheng'， SONG Yu2 . School of Materials and Metallurgy， Wuhan Universityof Science and Technology， Wuhan， Hubei 4300：

2. School of Earth Resources， China University of Geosciences （Wuhan）， Wuhan， Hubei ）

AbstractThe article takessteel metalurgy refractory materials as an example to explore the feasibility ofan industry oriented information technology talent training program. On the basis ofthe existing teaching system，strengthen the virtualrealitydisplayof theoreticalclasroom knowledge points， enhance students'learning interestand understanding ofabstract processes andcomplex definitions; Add integrated simulation courses， withprofesionalcontextas the axis， to connect multiple teaching methods underaunified logical thinking，enhancing students'cognitive breadth and depth of digital analysis methods; Expand the systematic virtual simulation laboratory and industrial digital twin education， build a data-driven platform for information sharing，achieve dynamic interaction of the curriculum system，and enhance students'mastery and application abilityof information technology.Realize digital education from both teaching methods and full process teaching content，andcultivate professional information technology talents for he sustainable development of high-temperature industry.

Keywordsmetallurgical refractories; digitalization; industry orientation; virtual simulation; digital twin

隨著工業物聯網、大數據、虛擬現實、人工智能、機器學習等技術的蓬勃發展，人類社會已經進入第四次工業革命。高校肩負著高層次人才培養的責任，應結合自身先進的理論與技術優勢，為國家培養新時代的信息化人才。材料類專業應用廣泛，是國民經濟建設、國防安全以及社會進步的物質基礎。自“材料基因組計劃”公布以來，依托計算工具和數據信息，材料智能制造和應用得以降耗提速。鋼鐵、建材、石化等高溫工業是國家支柱產業，然而上述領域應用的基礎材料開發與應用尚未充分發揮信息技術優勢、實現智能化轉型，其中一個主要原因是缺少掌握相關行業特點的信息化綜合性人才。本文以無機非金屬材料專業耐火材料方向為例，基于產業發展趨勢，探索現代信息技術在基礎材料領域人才培養中的可行性以及相關融合路徑。

1當前高等工程教育面臨的挑戰和發展方向

高溫耐火材料作為偏專業應用型學科，在以往的課程設置中包含工藝學、課程實踐、實驗訓練、生產實習等環節，以促進學生對所學理論知識以及實際工程問題的掌握。然而，課本中的工程知識多為圖文描述型，學生不易獲得直觀真實的具象認知。而部分耐火材料基礎實驗涉及高溫測試環境，實驗周期長、過程不可視、能源環境不友好，同時因設備數量限制和學生人身安全保護，高溫高壓試驗中學生多為觀摩，無法進行實際操作，影響學習效果。此外，高溫工業生產流程漫長、材料使用環境復雜，并且存在大尺寸和跨尺度伴隨的觀測難度，具有過程不可視、信息孤島化、調整非動態的特點，學生在工程實習階段所獲得的行業知識尚有不足。而多層次虛擬現實信息化技術是改變教學現狀、培養行業高水平人才的重要手段。本文所探討的教改方案亦可支持非常規狀態下的實踐認知類課程開展，同時為本專業教育資源一體化奠定基礎[]。

數值模擬和機器學習等已經在科學研究中被廣泛應用于材料開發、性能表征、服役監測等領域，已經形成一套較為完整的方法和理論體系。同時，先進鋼鐵企業面對新時代的要求，通過冶金能源管理數字化、工業大數據以及窯爐3D數字孿生系統構建等策略，為企業升級轉型賦能，全面提高了生產效率和安全性。智能制造與數字化冶金技術必會不斷推廣發展，而目前高校材料專業所培養的人才已經不能完全滿足行業的需求。《中國教育現代化 2 0 3 5 ? 等文件進一步指出，要充分利用現代信息技術，豐富并創新課程形式，推動教育與產業深度融合[3。近幾年，數值模擬技術和虛擬仿真實驗教學等被逐步引入本科生的培養教育，使學生更為深入淺出地學習專業知識，了解數值模擬技術，并不受限制地廣泛參與實驗詳細環節[4。在政策支持、科學技術成熟以及緊迫人才培養需求的條件下，應盡快發揮虛擬現實技術在各學科教育中的優勢作用。但同時值得注意的是，不應該僅將現代化信息教育簡單理解為數值模擬和流程三維可視化重現，還應將數字化教育與理念深植相關授課教師與學生的意識中，與現有課程體系有機結合，以產業導向為脈絡，系統性有層次地貫穿整個培養方案。

2實施思路和改革方法探究

結合“新工科”學科交叉和材料基因工程的發展需求，不同維度的數字化技術應有機融入各個教學環節，循序漸進，使學生在學習理論知識和實踐課程時增加直觀認知和參與感，加深對理論知識的理解、培養學生學習興趣和解決問題的能力，并使學生初步掌握數字化技術的應用技能。如圖1所示，總體實施思路可分為四個層次。實施方案中的部分理念在某些專業課程體系中已有開展，但目前缺少系統化規劃，并且廣度和深度仍有欠缺。

2.1虛擬現實走進理論課堂

將虛擬現實技術引進現有理論課堂，有助于實現工藝過程和理論定義的具象化和可視化，并對微觀機理進行解釋補充，多角度提高學生對知識要點的理解和掌握，新教學模式也將極大提升學生的注意力和學習興趣。以冶金耐火材料專業主干課“耐火材料工藝學”為例，該課程的培養目標是使學生掌握耐火材料的組成、結構、制備與性能之間的關系及運用專業知識解決復雜工程問題的能力，一般通過課堂教學、線上輔助、實驗訓練等方法開展多元化教學。課程涉及的材料制備、性能表征等都可以通過虛擬現實的方式進行展示介紹。

如可借助離散元顆粒流計算，展示材料制備過程中各組分的添加、攪拌過程中顆粒間的碰撞和摩擦，講述物料分散性和堆積效應等影響因素。同時，攪拌過程顆粒間摩擦系數等定量化展示，可以進一步提高教學理論的深度。課程中包含的不易理解的理論定義和抽象公式，也可以借助虛擬現實技術進行闡述和顯示，避免學生在學習過程中產生畏難情緒。如Marangoni效應對于耐火材料一高溫熔渣一空氣體系下的侵蝕作用極為重要，是冶金耐火材料的重要定義。通過數字化技術，結合Flow一3D軟件形象展示Marangoni擾動過程、采用多物理場仿真軟件Comsol模擬Marangoni擾動下溫度場的變化，非常直觀地講述了Ma-rangoni效應。在此階段，虛擬現實作為實現手段，通過數字化過程加強現有課堂教學質量，需要授課教師結合課程特點準備好相關素材，在講授過程中有機融合。

2.2數字建模與仿真模擬課程建設

近年來，隨著計算機輔助工程和計算能力的發展，數值模擬已經廣泛應用于科學研究，也相對較早地進入本科教學，學生主要通過課程學習掌握相關軟件和相應問題的數值化解決思路。在目前的基礎上，應進一步以產業為導向，結合學科特點和專業特色，開展數字建模與仿真模擬課程建設。關注各課程之間的關聯性，形成服務整體培養方案的全鏈條數值模擬課程體系，實現由點到面的覆蓋。其中，廣泛數字化認知和工具的掌握對于開展卓越工程師教育培養計劃的學科尤為重要。課程設置還應注重學生工程意識與綜合能力的提升，鼓勵跨專業協同學習，推動產學研用融合發展以及先進數字技術掌握，以適應新工科背景下材料專業教育模式的轉型升級。課程考核也可逐步由傳統的知識性測試向項目式、任務式評價過渡，強化對學生問題解決能力、協作能力和創新能力的全面考查。

以武漢科技大學材料仿真與模擬基礎課程為例（圖2），課程立足國家特色專業和冶金耐火材料行業特色，結合材料基因工程的發展需求，建設融合型課程。課程從微觀一介觀一宏觀多尺度的順序，以數字模擬軟件為媒介，涵蓋材料組成、結構、理化特性、服役性能的數字建模和仿真，結合耐火材料高溫、化學侵蝕、力學沖擊等多物理場服役環境，開展案例教學。相較單一數值模擬的課程，融合型課程更有利于提升學生運用數字化創新思維解決材料開發等問題的能力，培養學生使用數值模擬工具的技能。

2.3虛擬仿真實驗教學

冶金耐火材料高溫力學性能測試實驗具有高溫危險性、實驗周期長、過程不可視、實驗成本高等特點，而采用數字建模和仿真模擬建立虛擬仿真教學平臺，可以有效克服實際實驗中的難點。“耐火材料熱一力耦合作用下服役過程虛擬仿真實驗”課程針對共性問題，開展耐火材料領域重要的高溫力學性能測試數字化實驗，包含荷重軟化溫度、熱膨脹、高溫蠕變和高溫耐壓測試，學生全程參與實驗操作、過程觀察、結果分析。該虛擬仿真實驗加強了學生的參與感，豐富了學生對實驗過程的認知，取得了良好的教學效果。同時，虛擬仿真實驗教學應與前文提到的虛擬現實課堂教學以及數值模擬課程相結合，將理論知識和數字方法有機應用到虛擬實驗教學中，并且三者應具備相同的構建思路。只有在整個教學過程中充分引入系統性的數字化教育模式，學生才能成為現代信息化綜合人才。

此外，虛擬仿真實驗平臺要關注虛擬現實實驗的內核，即交互式平臺應能實時反饋學生的學習情況并不斷累積后臺數據。多源多模態多維度數據、全要素仿真映射以及循環反饋是搭建虛擬仿真平臺的三要素。教師可通過神經網絡或者機器學習等技術，對此類教育大數據進行分析和數據架構，這對改進課程設計、優化評價體系、反饋學習效果具有重要意義，必將成為信息化教育的大趨勢。

2.4工業數字孿生融入教學

數字孿生是虛擬現實技術發展的集大成產物，其利用物理模型和大數據驅動，實現實體世界在信息維度上的數字化投射，并形成虛實交融的動態交互體系，被應用于國防科技以及先進制造行業。隨著我國鋼鐵工業的低碳環保及智能制造轉型，數字孿生技術已經被用于其部分工藝流程。如鞍鋼朝陽鋼鐵高爐數字孿生系統鐵水溫度預測模型，通過煉鐵技術數字化和智能化管控，高爐生產效率顯著提高。在現代鋼鐵冶煉過程中，冶金爐襯的使用壽命直接影響生產效率、成本控制及安全性。然而，其使用環境復雜，在現場使用過程中難以觀察到爐襯內部損毀情況。與冶金工藝流程數字孿生研究相比，工業爐襯運行實時監控與預測研究嚴重滯后，難以滿足現代冶金全流程全節點的數字孿生需求。

為應對行業新導向，將工業數字孿生技術引入教學和人才培養環節勢在必行。而實際工業過程中冶金流程復雜、影響因素龐雜、數據量巨大，并不可直接借用。因此，高校應與行業緊密配合，梳理流程并提取關鍵要素，建立教學版本工業生產數字化投射。基于集成虛擬現實、增強現實等高效的交互協作技術，以及高性能并行計算的強大支持，元宇宙系統的構建與應用可向更高的精度和實時性發展。學生通過教學中的工業數字孿生系統，可以進一步增強對行業的了解，彌補生產實習等環節的不足，同時培養熟悉現代先進數字化體系的人才，為行業發展提供儲備力量。工業數字孿生融入教學是一個系統性的工作，初期建設成本較高、數據需求量大，結合目前正在打造的教育資源共享平臺，依托多方力量以及學生作為參與者的大數據反饋，可以有效實現這一目標。綜上所述，結合物理層面和教育方法層面的數字孿生技術，信息化教育效果必將事半功倍。

3教學模式實現要點

基于數字化技術的教學模式是一個系統性改革工程，實現要點主要包括課程體系、信息化工具、虛擬課堂以及數據架構等。

3.1課程體系

結合專業特點，梳理現有課程體系，通過補充理論課堂虛擬現實知識點、擴充數值模擬課程、增設虛擬仿真實驗室并引入工業數字孿生，在整個培養體系理論與實踐部分均融入數字化思維，同時增強本科教育、科學研究以及行業發展間的關聯性。

3.2信息化工具

數學建模、數值模擬、虛擬現實、人工智能等是實現數字化教學的必備工具，高性能計算機、數據存儲等則是硬件保障。上述軟件以及硬件應用在課程準備、教學實施、學習效果分析等階段會有較大的人力與經費投入，但因課程教學不受物理空間的限制，輻射面廣，教學效果有保障。

3.3虛擬課堂

虛擬課堂是學生進行信息化課程與實踐的數字投射，也是教學實施、動態交互、信息采集的物理基礎。在虛擬課堂中，通過智能課堂管理，使傳統的教學模式逐漸轉化為多對多交互學習形式，提高學生學習規劃的能力。

3.4數據架構

虛擬現實教學內容以數據的形式儲存。同時，進入虛擬課堂的教師與學生是數據的使用者，也是數據的創造者。構建教學內容和教學實施數據庫，并實現多端口架構。依托互聯網+大數據、數據孿生等技術，各個教學階段的數據可通過存儲、計算、分析和展示形成交互反饋，進一步實現開放共享、可持續發展的數字化教育平臺。

4結語

在第四次工業革命背景下，以“新工科\"和專業特色為依據，在冶金耐火材料專業理論課中引入虛擬現實要點、設置融合性仿真模擬課程、增加虛擬仿真實驗以及工業數字孿生實訓課程，提高學生在教學過程中的參與感、加深其對理論基礎知識與行業現狀的認知，學習掌握有關軟件和技術，提高應用現代信息技術解決復雜工程問題的能力。根據目前教學模式的發展趨勢和人類社會發展方向，教育智能化和數字化轉型是可行的，也是刻不容緩的。

★基金項目：湖北本科高校省級教學改革研究項目研究生教育項目（2024243）；教育部第二批新工科研究與實踐項目（E-CL20201928）。

參考文獻

[1]杜學元，趙斌剛.教育元宇宙：數字孿生高校的未來構想[J].教育學術月刊，2022（10）：16-23.

[2]王國棟，劉振宇，張殿華，等.材料科學技術轉型發展與鋼鐵創新基礎設施的建設[J].鋼鐵研究學報，2021，33（10）：15

[3]王新東，倪振興，劉福龍，等.唐鋼新區基于數字孿生技術的全流程智能化工廠設計與實踐[J].冶金自動化，2023，47（1）：112-121.

[4]楊程，呂歲菊，王維紅.基于數值模擬的水力學實驗教學改革與實踐[J].牡丹江教育學院學報，2022（10）：90-93.

[5]沈超，付小莉，李衛超.波浪運動特性虛擬仿真實驗的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2021，40（7）：180-184，194.