以產(chǎn)業(yè)為導(dǎo)向的材料專業(yè)信息化人才培養(yǎng)探索

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入第四次工業(yè)革命。高校肩負(fù)著高層次人才培養(yǎng)的責(zé)任，應(yīng)結(jié)合自身先進(jìn)的理論與技術(shù)優(yōu)勢，為國家培養(yǎng)新時(shí)代的信息化人才。材料類專業(yè)應(yīng)用廣泛，是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防安全以及社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)。自“材料基因組計(jì)劃”公布以來，依托計(jì)算工具和數(shù)據(jù)信息，材料智能制造和應(yīng)用得以降耗提速。鋼鐵、建材、石化等高溫工業(yè)是國家支柱產(chǎn)業(yè)，然而上述領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)材料開發(fā)與應(yīng)用尚未充分發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢、實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型，其中一個(gè)主要原因是缺少掌握相關(guān)行業(yè)特點(diǎn)的信息化綜合性人才。本文以無機(jī)非金屬材料專業(yè)耐火材料方向?yàn)槔?，基于產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，探索現(xiàn)代信息技術(shù)在基礎(chǔ)材料領(lǐng)域人才培養(yǎng)中的可行性以及相關(guān)融合路徑。

1當(dāng)前高等工程教育面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向

高溫耐火材料作為偏專業(yè)應(yīng)用型學(xué)科，在以往的課程設(shè)置中包含工藝學(xué)、課程實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)以及實(shí)際工程問題的掌握。然而，課本中的工程知識(shí)多為圖文描述型，學(xué)生不易獲得直觀真實(shí)的具象認(rèn)知。而部分耐火材料基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)涉及高溫測試環(huán)境，實(shí)驗(yàn)周期長、過程不可視、能源環(huán)境不友好，同時(shí)因設(shè)備數(shù)量限制和學(xué)生人身安全保護(hù)，高溫高壓試驗(yàn)中學(xué)生多為觀摩，無法進(jìn)行實(shí)際操作，影響學(xué)習(xí)效果。此外，高溫工業(yè)生產(chǎn)流程漫長、材料使用環(huán)境復(fù)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(diào)整非動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，學(xué)生在工程實(shí)習(xí)階段所獲得的行業(yè)知識(shí)尚有不足。而多層次虛擬現(xiàn)實(shí)信息化技術(shù)是改變教學(xué)現(xiàn)狀、培養(yǎng)行業(yè)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(guī)狀態(tài)下的實(shí)踐認(rèn)知類課程開展，同時(shí)為本專業(yè)教育資源一體化奠定基礎(chǔ)[]。

數(shù)值模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)等已經(jīng)在科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用于材料開發(fā)、性能表征、服役監(jiān)測等領(lǐng)域，已經(jīng)形成一套較為完整的方法和理論體系。同時(shí)，先進(jìn)鋼鐵企業(yè)面對(duì)新時(shí)代的要求，通過冶金能源管理數(shù)字化、工業(yè)大數(shù)據(jù)以及窯爐3D數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建等策略，為企業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型賦能，全面提高了生產(chǎn)效率和安全性。智能制造與數(shù)字化冶金技術(shù)必會(huì)不斷推廣發(fā)展，而目前高校材料專業(yè)所培養(yǎng)的人才已經(jīng)不能完全滿足行業(yè)的需求?！吨袊逃F(xiàn)代化 2 0 3 5 ? 等文件進(jìn)一步指出，要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，豐富并創(chuàng)新課程形式，推動(dòng)教育與產(chǎn)業(yè)深度融合[3。近幾年，數(shù)值模擬技術(shù)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)等被逐步引入本科生的培養(yǎng)教育，使學(xué)生更為深入淺出地學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，了解數(shù)值模擬技術(shù)，并不受限制地廣泛參與實(shí)驗(yàn)詳細(xì)環(huán)節(jié)[4。在政策支持、科學(xué)技術(shù)成熟以及緊迫人才培養(yǎng)需求的條件下，應(yīng)盡快發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各學(xué)科教育中的優(yōu)勢作用。但同時(shí)值得注意的是，不應(yīng)該僅將現(xiàn)代化信息教育簡單理解為數(shù)值模擬和流程三維可視化重現(xiàn)，還應(yīng)將數(shù)字化教育與理念深植相關(guān)授課教師與學(xué)生的意識(shí)中，與現(xiàn)有課程體系有機(jī)結(jié)合，以產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向?yàn)槊}絡(luò)，系統(tǒng)性有層次地貫穿整個(gè)培養(yǎng)方案。

2實(shí)施思路和改革方法探究

結(jié)合“新工科”學(xué)科交叉和材料基因工程的發(fā)展需求，不同維度的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)有機(jī)融入各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，循序漸進(jìn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)和實(shí)踐課程時(shí)增加直觀認(rèn)知和參與感，加深對(duì)理論知識(shí)的理解、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和解決問題的能力，并使學(xué)生初步掌握數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用技能。如圖1所示，總體實(shí)施思路可分為四個(gè)層次。實(shí)施方案中的部分理念在某些專業(yè)課程體系中已有開展，但目前缺少系統(tǒng)化規(guī)劃，并且廣度和深度仍有欠缺。

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)走進(jìn)理論課堂

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引進(jìn)現(xiàn)有理論課堂，有助于實(shí)現(xiàn)工藝過程和理論定義的具象化和可視化，并對(duì)微觀機(jī)理進(jìn)行解釋補(bǔ)充，多角度提高學(xué)生對(duì)知識(shí)要點(diǎn)的理解和掌握，新教學(xué)模式也將極大提升學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)興趣。以冶金耐火材料專業(yè)主干課“耐火材料工藝學(xué)”為例，該課程的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生掌握耐火材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備與性能之間的關(guān)系及運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜工程問題的能力，一般通過課堂教學(xué)、線上輔助、實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練等方法開展多元化教學(xué)。課程涉及的材料制備、性能表征等都可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)的方式進(jìn)行展示介紹。

如可借助離散元顆粒流計(jì)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(yīng)等影響因素。同時(shí)，攪拌過程顆粒間摩擦系數(shù)等定量化展示，可以進(jìn)一步提高教學(xué)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(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行闡述和顯示，避免學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生畏難情緒。如Marangoni效應(yīng)對(duì)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(shù)字化技術(shù)，結(jié)合Flow一3D軟件形象展示Marangoni擾動(dòng)過程、采用多物理場仿真軟件Comsol模擬Marangoni擾動(dòng)下溫度場的變化，非常直觀地講述了Ma-rangoni效應(yīng)。在此階段，虛擬現(xiàn)實(shí)作為實(shí)現(xiàn)手段，通過數(shù)字化過程加強(qiáng)現(xiàn)有課堂教學(xué)質(zhì)量，需要授課教師結(jié)合課程特點(diǎn)準(zhǔn)備好相關(guān)素材，在講授過程中有機(jī)融合。

2.2數(shù)字建模與仿真模擬課程建設(shè)

近年來，隨著計(jì)算機(jī)輔助工程和計(jì)算能力的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究，也相對(duì)較早地進(jìn)入本科教學(xué)，學(xué)生主要通過課程學(xué)習(xí)掌握相關(guān)軟件和相應(yīng)問題的數(shù)值化解決思路。在目前的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步以產(chǎn)業(yè)為導(dǎo)向，結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)和專業(yè)特色，開展數(shù)字建模與仿真模擬課程建設(shè)。關(guān)注各課程之間的關(guān)聯(lián)性，形成服務(wù)整體培養(yǎng)方案的全鏈條數(shù)值模擬課程體系，實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到面的覆蓋。其中，廣泛數(shù)字化認(rèn)知和工具的掌握對(duì)于開展卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的學(xué)科尤為重要。課程設(shè)置還應(yīng)注重學(xué)生工程意識(shí)與綜合能力的提升，鼓勵(lì)跨專業(yè)協(xié)同學(xué)習(xí)，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研用融合發(fā)展以及先進(jìn)數(shù)字技術(shù)掌握，以適應(yīng)新工科背景下材料專業(yè)教育模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)。課程考核也可逐步由傳統(tǒng)的知識(shí)性測試向項(xiàng)目式、任務(wù)式評(píng)價(jià)過渡，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生問題解決能力、協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的全面考查。

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

2.3虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

冶金耐火材料高溫力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)具有高溫危險(xiǎn)性、實(shí)驗(yàn)周期長、過程不可視、實(shí)驗(yàn)成本高等特點(diǎn)，而采用數(shù)字建模和仿真模擬建立虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，可以有效克服實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)?！澳突鸩牧蠠嵋涣︸詈献饔孟路圻^程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程針對(duì)共性問題，開展耐火材料領(lǐng)域重要的高溫力學(xué)性能測試數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，包含荷重軟化溫度、熱膨脹、高溫蠕變和高溫耐壓測試，學(xué)生全程參與實(shí)驗(yàn)操作、過程觀察、結(jié)果分析。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)了學(xué)生的參與感，豐富了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的認(rèn)知，取得了良好的教學(xué)效果。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)與前文提到的虛擬現(xiàn)實(shí)課堂教學(xué)以及數(shù)值模擬課程相結(jié)合，將理論知識(shí)和數(shù)字方法有機(jī)應(yīng)用到虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并且三者應(yīng)具備相同的構(gòu)建思路。只有在整個(gè)教學(xué)過程中充分引入系統(tǒng)性的數(shù)字化教育模式，學(xué)生才能成為現(xiàn)代信息化綜合人才。

此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要關(guān)注虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)核，即交互式平臺(tái)應(yīng)能實(shí)時(shí)反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況并不斷累積后臺(tái)數(shù)據(jù)。多源多模態(tài)多維度數(shù)據(jù)、全要素仿真映射以及循環(huán)反饋是搭建虛擬仿真平臺(tái)的三要素。教師可通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，對(duì)此類教育大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)架構(gòu)，這對(duì)改進(jìn)課程設(shè)計(jì)、優(yōu)化評(píng)價(jià)體系、反饋學(xué)習(xí)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(yè)數(shù)字孿生融入教學(xué)

數(shù)字孿生是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展的集大成產(chǎn)物，其利用物理模型和大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體世界在信息維度上的數(shù)字化投射，并形成虛實(shí)交融的動(dòng)態(tài)交互體系，被應(yīng)用于國防科技以及先進(jìn)制造行業(yè)。隨著我國鋼鐵工業(yè)的低碳環(huán)保及智能制造轉(zhuǎn)型，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)被用于其部分工藝流程。如鞍鋼朝陽鋼鐵高爐數(shù)字孿生系統(tǒng)鐵水溫度預(yù)測模型，通過煉鐵技術(shù)數(shù)字化和智能化管控，高爐生產(chǎn)效率顯著提高。在現(xiàn)代鋼鐵冶煉過程中，冶金爐襯的使用壽命直接影響生產(chǎn)效率、成本控制及安全性。然而，其使用環(huán)境復(fù)雜，在現(xiàn)場使用過程中難以觀察到爐襯內(nèi)部損毀情況。與冶金工藝流程數(shù)字孿生研究相比，工業(yè)爐襯運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測研究嚴(yán)重滯后，難以滿足現(xiàn)代冶金全流程全節(jié)點(diǎn)的數(shù)字孿生需求。

為應(yīng)對(duì)行業(yè)新導(dǎo)向，將工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)引入教學(xué)和人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)勢在必行。而實(shí)際工業(yè)過程中冶金流程復(fù)雜、影響因素龐雜、數(shù)據(jù)量巨大，并不可直接借用。因此，高校應(yīng)與行業(yè)緊密配合，梳理流程并提取關(guān)鍵要素，建立教學(xué)版本工業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化投射?；诩商摂M現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等高效的交互協(xié)作技術(shù)，以及高性能并行計(jì)算的強(qiáng)大支持，元宇宙系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用可向更高的精度和實(shí)時(shí)性發(fā)展。學(xué)生通過教學(xué)中的工業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)行業(yè)的了解，彌補(bǔ)生產(chǎn)實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)的不足，同時(shí)培養(yǎng)熟悉現(xiàn)代先進(jìn)數(shù)字化體系的人才，為行業(yè)發(fā)展提供儲(chǔ)備力量。工業(yè)數(shù)字孿生融入教學(xué)是一個(gè)系統(tǒng)性的工作，初期建設(shè)成本較高、數(shù)據(jù)需求量大，結(jié)合目前正在打造的教育資源共享平臺(tái)，依托多方力量以及學(xué)生作為參與者的大數(shù)據(jù)反饋，可以有效實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。綜上所述，結(jié)合物理層面和教育方法層面的數(shù)字孿生技術(shù)，信息化教育效果必將事半功倍。

3教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

基于數(shù)字化技術(shù)的教學(xué)模式是一個(gè)系統(tǒng)性改革工程，實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)主要包括課程體系、信息化工具、虛擬課堂以及數(shù)據(jù)架構(gòu)等。

3.1課程體系

結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，梳理現(xiàn)有課程體系，通過補(bǔ)充理論課堂虛擬現(xiàn)實(shí)知識(shí)點(diǎn)、擴(kuò)充數(shù)值模擬課程、增設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室并引入工業(yè)數(shù)字孿生，在整個(gè)培養(yǎng)體系理論與實(shí)踐部分均融入數(shù)字化思維，同時(shí)增強(qiáng)本科教育、科學(xué)研究以及行業(yè)發(fā)展間的關(guān)聯(lián)性。

3.2信息化工具

數(shù)學(xué)建模、數(shù)值模擬、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)的必備工具，高性能計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等則是硬件保障。上述軟件以及硬件應(yīng)用在課程準(zhǔn)備、教學(xué)實(shí)施、學(xué)習(xí)效果分析等階段會(huì)有較大的人力與經(jīng)費(fèi)投入，但因課程教學(xué)不受物理空間的限制，輻射面廣，教學(xué)效果有保障。

3.3虛擬課堂

虛擬課堂是學(xué)生進(jìn)行信息化課程與實(shí)踐的數(shù)字投射，也是教學(xué)實(shí)施、動(dòng)態(tài)交互、信息采集的物理基礎(chǔ)。在虛擬課堂中，通過智能課堂管理，使傳統(tǒng)的教學(xué)模式逐漸轉(zhuǎn)化為多對(duì)多交互學(xué)習(xí)形式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)劃的能力。

3.4數(shù)據(jù)架構(gòu)

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)內(nèi)容以數(shù)據(jù)的形式儲(chǔ)存。同時(shí)，進(jìn)入虛擬課堂的教師與學(xué)生是數(shù)據(jù)的使用者，也是數(shù)據(jù)的創(chuàng)造者。構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)實(shí)施數(shù)據(jù)庫，并實(shí)現(xiàn)多端口架構(gòu)。依托互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)孿生等技術(shù)，各個(gè)教學(xué)階段的數(shù)據(jù)可通過存儲(chǔ)、計(jì)算、分析和展示形成交互反饋，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)開放共享、可持續(xù)發(fā)展的數(shù)字化教育平臺(tái)。

4結(jié)語

在第四次工業(yè)革命背景下，以“新工科\"和專業(yè)特色為依據(jù)，在冶金耐火材料專業(yè)理論課中引入虛擬現(xiàn)實(shí)要點(diǎn)、設(shè)置融合性仿真模擬課程、增加虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以及工業(yè)數(shù)字孿生實(shí)訓(xùn)課程，提高學(xué)生在教學(xué)過程中的參與感、加深其對(duì)理論基礎(chǔ)知識(shí)與行業(yè)現(xiàn)狀的認(rèn)知，學(xué)習(xí)掌握有關(guān)軟件和技術(shù)，提高應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)解決復(fù)雜工程問題的能力。根據(jù)目前教學(xué)模式的發(fā)展趨勢和人類社會(huì)發(fā)展方向，教育智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型是可行的，也是刻不容緩的。

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

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