材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)

李亮亮， 趙玉珍， 李正操， 林元華， 潘 偉， 聞星火

(清華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100084)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多高校根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求，開(kāi)發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室[1-3]。虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念是1989年由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)William Wolf提出的，是除理論與實(shí)驗(yàn)之外的第3種設(shè)計(jì)手段和形式[4]。實(shí)驗(yàn)者可以模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能夠獲得直觀真實(shí)的實(shí)驗(yàn)效果，展現(xiàn)不可視的結(jié)構(gòu)或原理，從而快速響應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求。虛擬實(shí)驗(yàn)具有成本低、效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作安全、高度開(kāi)放和資源共享等特點(diǎn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生自我訓(xùn)練及創(chuàng)新意識(shí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中虛實(shí)互補(bǔ)，因而成為目前實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一個(gè)重要發(fā)展方向[5-7]。

1 建設(shè)內(nèi)容

材料科學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性很強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)材料學(xué)科高素質(zhì)人才的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)。其中，某些重要的關(guān)鍵性教學(xué)實(shí)驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性和高消耗、高成本、高污染、極端不可見(jiàn)等特點(diǎn)，特別是對(duì)材料在特殊極端環(huán)境中結(jié)構(gòu)和性能的變化時(shí)，需利用放射性物質(zhì)進(jìn)行材料基本結(jié)構(gòu)與性能的檢測(cè)，其技術(shù)與手段存在著較大的危險(xiǎn)性。對(duì)于一些在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中涉及高溫、高壓、放射性、易污染、長(zhǎng)周期以及高消耗型的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式,可以達(dá)到接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的效果，并可無(wú)限制、無(wú)污染、無(wú)浪費(fèi)、安全高效地重復(fù)操作，節(jié)約教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)[8]。清華大學(xué)以國(guó)家級(jí)先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為依托，整合了多個(gè)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)教學(xué)資源，成立了材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(下稱(chēng)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(xué)團(tuán)隊(duì)。中心擁有專(zhuān)用虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、3D立體顯示平臺(tái)、15萬(wàn)億次/秒計(jì)算集群，有ProCast、Anycasting、ANSYS等10多種材料分析和加工的應(yīng)用軟件，以及有自主版權(quán)的鑄造過(guò)程模擬軟件(FT-STAR)，并實(shí)現(xiàn)了課程和軟件資源共享、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)分析等功能的網(wǎng)絡(luò)資源平臺(tái)。中心秉承“開(kāi)放、共享、綠色”的教學(xué)理念，以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力為目的，設(shè)立了從基礎(chǔ)型到綜合型、研究型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系，開(kāi)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(shí)驗(yàn)教學(xué)，建設(shè)了安全可靠、綠色節(jié)約、可視化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1.1 高危實(shí)驗(yàn)的安全可靠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

材料科學(xué)中的某些實(shí)驗(yàn)涉及放射性?xún)?nèi)容，如在放射性環(huán)境下材料的服役行為特點(diǎn)和性能變化；用放射性元素進(jìn)行示蹤實(shí)驗(yàn)，顯示材料的擴(kuò)散、相變和組織形成過(guò)程等。這些實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生理解材料服役行為或組織演變過(guò)程非常重要，是學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，然而，這類(lèi)實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性極高，目前全國(guó)各高校已禁止開(kāi)展此類(lèi)真實(shí)實(shí)驗(yàn)。中心開(kāi)設(shè)了放射性實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)虛擬仿真，展現(xiàn)原子擴(kuò)散、輻照失效等實(shí)驗(yàn)過(guò)程。如在“輻照條件下材料表面缺陷的形成”這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生使用TRIM軟件，采用二體碰撞模型，模擬了表面缺陷形成過(guò)程，計(jì)算缺陷產(chǎn)生的位置。學(xué)生通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷了模型建立、參數(shù)選擇、仿真計(jì)算等過(guò)程，不僅理解了缺陷的生成機(jī)理，還了解了軟件的應(yīng)用。這類(lèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不但能幫助學(xué)生充分理解和掌握專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，而且保障了一個(gè)安全、可靠的教學(xué)環(huán)境。

1.2 高成本實(shí)驗(yàn)的綠色節(jié)約虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

材料專(zhuān)業(yè)課程中的一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要消耗大量實(shí)驗(yàn)材料。高消耗和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)使實(shí)驗(yàn)成本劇增，限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。中心采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方式實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)約的實(shí)驗(yàn)教學(xué),例如，在“三維晶體結(jié)構(gòu)”的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，學(xué)生采用商業(yè)軟件Materials Studio，在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建各種類(lèi)型的形態(tài)多變、豐富有趣的晶體結(jié)構(gòu)，如圖1所示的是學(xué)生繪制的具有尖晶石結(jié)構(gòu)的CoAl2O4的原胞。這種方法相對(duì)球棒實(shí)物模型搭建晶體結(jié)構(gòu)或者采用金屬框架組建多元相圖的傳統(tǒng)教學(xué)方式，更能吸引學(xué)生快速掌握知識(shí)點(diǎn)。再如，在“材料加工”、“工藝過(guò)程仿真”等課程中，利用FT-STAR軟件讓學(xué)生掌握“鑄件成型過(guò)程”。學(xué)生通過(guò)對(duì)軟件的學(xué)習(xí)和模型參數(shù)的選擇，深刻地理解了傳熱過(guò)程、充型流動(dòng)、應(yīng)力應(yīng)變、微觀組織、缺陷形成等重要知識(shí)點(diǎn)，能夠通過(guò)模擬計(jì)算得出優(yōu)化的工藝參數(shù)，制備出合格的成型工件，大大降低了制備工件的成本，節(jié)約了資源和能源。圖2為罩蓋壓鑄充型的虛擬仿真結(jié)果[4]。

圖1 具有尖晶石結(jié)構(gòu)的CoAl2O4原胞

圖2 罩蓋壓鑄充型的仿真結(jié)果

1.3 極端條件下實(shí)驗(yàn)的可視化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

某些材料的制備和加工過(guò)程具有尺度極小、溫度極高、能量密度極大等特點(diǎn)，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)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(guò)程”實(shí)驗(yàn)中，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬，演示自組裝過(guò)程，從而學(xué)生很容易理解分子或原子的運(yùn)動(dòng)，掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律；在“金屬凝固過(guò)程”、“外加移動(dòng)熱源條件下的溫度場(chǎng)”等實(shí)驗(yàn)中采用虛擬仿真的可視化手段，使學(xué)生能夠快速理解各種極端條件下的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象。中心還應(yīng)用了NeoFound 3D系統(tǒng)，可以3D立體顯示工件及其模擬結(jié)果，明確區(qū)分交錯(cuò)層疊結(jié)構(gòu)的空間位置和層次空間。該系統(tǒng)立體效果好，能夠讓學(xué)生快速了解顯示對(duì)象的空間形狀、模擬仿真結(jié)果及缺陷位置，還可以動(dòng)畫(huà)演示模擬結(jié)果，供上百人同時(shí)觀看。

圖3 單機(jī)版的3D立體顯示

圖4 會(huì)議版的3D立體顯示

為進(jìn)一步發(fā)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，中心還將結(jié)合最新材料科研進(jìn)展和工程應(yīng)用，發(fā)揮科研轉(zhuǎn)化教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，每年增設(shè)創(chuàng)新型、前沿性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如3D打印設(shè)計(jì)仿真、納米碳材料的導(dǎo)熱性質(zhì)分析等，進(jìn)一步完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開(kāi)闊學(xué)生眼界和思路，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

2 教學(xué)特色

清華大學(xué)材料學(xué)科具有國(guó)際一流的研究水平和綜合實(shí)力，在ESI學(xué)科競(jìng)爭(zhēng)力排行榜中位居全球的前4%。在2012年一級(jí)學(xué)科評(píng)估中，排名全國(guó)第一。2011年，湯姆·路透致函清華大學(xué)，祝賀清華大學(xué)材料科學(xué)學(xué)科進(jìn)入世界科研機(jī)構(gòu)前20強(qiáng)。在ISI的3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，材料科學(xué)有2個(gè)指標(biāo)進(jìn)入世界前10強(qiáng)。中心以國(guó)際一流的科研項(xiàng)目和雄厚的學(xué)科優(yōu)勢(shì)為依托，形成中心建設(shè)與科研、特色學(xué)科發(fā)展相長(zhǎng)的虛實(shí)結(jié)合相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色。

2.1 以國(guó)際一流的科研項(xiàng)目為依托，“科教結(jié)合”，使科研條件轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，使科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

中心整合了新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境污染與模擬聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等多個(gè)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)教學(xué)資源，以及依托中心教師強(qiáng)勢(shì)的科研能力，承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)和“973”、“863”、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目，并取得了一批創(chuàng)新性成果，其中10多項(xiàng)獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)、國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)和國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)等。在實(shí)驗(yàn)前沿探究課和綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，及時(shí)將這些前沿科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，中心不斷引進(jìn)現(xiàn)代材料科學(xué)與工程成熟的前沿實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如EBSD技術(shù)、X射線衍射、透射電子顯微分析等。中心還鼓勵(lì)學(xué)生參加課外科研活動(dòng)，支持學(xué)生自主立項(xiàng)、申請(qǐng)SRT、挑戰(zhàn)杯、種子基金等。在這些課外科研活動(dòng)中，中心積極為學(xué)生提供儀器設(shè)備、試劑、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所與技術(shù)指導(dǎo)。

2.2 以材料學(xué)科優(yōu)勢(shì)為基礎(chǔ)，以合作企業(yè)為后盾的“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)

中心雄厚的學(xué)科優(yōu)勢(shì)，吸引了許多企業(yè)參與中心建設(shè)，中心合理利用合作企業(yè)的資源優(yōu)勢(shì)，發(fā)展了“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)了中心與企業(yè)共同建設(shè)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(guó)工程物理研究院、巨科鋁業(yè)、首鋼等50余個(gè)知名企業(yè)、研究院所簽署合作協(xié)議，建立了學(xué)生實(shí)習(xí)或?qū)嵺`基地，開(kāi)設(shè)了各類(lèi)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生。當(dāng)學(xué)生在這些實(shí)習(xí)、實(shí)踐基地學(xué)習(xí)時(shí)，他們利用在學(xué)校里掌握的虛擬仿真知識(shí)，與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，能更好地掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)，有的學(xué)生甚至幫助企業(yè)提高生產(chǎn)力。這種“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方式更有利于提高學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力。

3 卓越的師資隊(duì)伍

中心從結(jié)構(gòu)、層次、數(shù)量、學(xué)科分布等方面入手，規(guī)劃和建設(shè)了一支高水平實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)。中心教學(xué)隊(duì)伍由主講教師、實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員和博士生助教3類(lèi)人員組成。

主講教師是活躍在教學(xué)、科研一線的骨干教授、副教授，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)與教學(xué)。主講教師中有多名科學(xué)院和工程院院士、“千人計(jì)劃”人員等優(yōu)秀教師。他們承擔(dān)了國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)和“973”、“863”、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目，具備堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富科研與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，熟悉學(xué)科發(fā)展方向，能夠推動(dòng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容的改革與更新，促進(jìn)教學(xué)與科研結(jié)合。

實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)課程的準(zhǔn)備與輔導(dǎo)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理。中心本著發(fā)展、提高的原則，采取多種形式提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)，如參加學(xué)術(shù)會(huì)議、參與相關(guān)課題組組會(huì)交流等，并設(shè)立實(shí)驗(yàn)室基金，鼓勵(lì)他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)或新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的研究，提高創(chuàng)新能力，以期建設(shè)教育理念先進(jìn)、研究能力強(qiáng)、教學(xué)與管理經(jīng)驗(yàn)豐富的實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員隊(duì)伍。

博士生助教由相關(guān)專(zhuān)業(yè)在讀博士生組成，經(jīng)人事處聘任。助教博士生經(jīng)過(guò)學(xué)校崗前培訓(xùn)和主講教師負(fù)責(zé)的業(yè)務(wù)培訓(xùn)合格后上崗，協(xié)助主講教師負(fù)責(zé)某一課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、輔導(dǎo)與考核。博士生來(lái)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(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提供了良好的條件，可以開(kāi)闊設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的思路，并容易與學(xué)生交流反饋，發(fā)揮橋梁紐帶的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開(kāi)設(shè)虛擬仿真相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程約30門(mén)，面向全校工科專(zhuān)業(yè)，年實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作量約30 000人時(shí)。中心擁有豐富的教學(xué)資源和卓越的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，形成了一套高效管理方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行機(jī)制，在精品課程建設(shè)、師資隊(duì)伍建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色、實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果和效果、實(shí)踐基地建設(shè)等方面取得了豐碩的成果，得到了校內(nèi)外專(zhuān)家的好評(píng)。中心將進(jìn)一步緊密依靠清華大學(xué)材料學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，整合清華大學(xué)材料學(xué)科優(yōu)秀科研成果及材料產(chǎn)業(yè)的優(yōu)質(zhì)資源，將材料科學(xué)與工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)成為培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型材料科學(xué)人才的重要平臺(tái)。

[1] 教育部高教司.關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知[Z].教育部高教司函[2013]94號(hào).

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