虚拟仿真技术在热处理实验中的应用探索

随着国家综合实力的不断增强，我国正在从制造大国向制造强国逐步转变，为制造行业培养人才的工科高等学校在实验教学模式上也需要与时俱进。工科院校传统的实验教学模式以成本高、污染大、危险高、耗时长为主要特点，这种教学模式不符合现代制造业的发展方向。因此，实验教学模式也应该向低成本、绿色高效和信息化的模式转变，这样才能培养出制造强国需要的人才[1-5]。

为了实现信息化实验教学资源的建设，教育部从2013年开始在全国范围内开展国家级虚拟仿真实验教学中心的建设。虚拟实验教学手段的应用，显著提升了高等学校的实验教学质量和教学水平[6-8]。

1 传统热处理实验教学中存在的问题

热处理实验是金属材料专业学生必做的实验项目，然而由于学生人数较多，受实验场地和时间、设备数量、节能环保、危险因素等条件的限制，传统热处理实验教学中的问题已经显现，主要表现在以下几个方面。

1.1 传统实验教学手段单一

传统实验教学方法以教师为中心，一般都是采用教师先讲解实验相关内容，并将实验操作方法示范给学生看，然后学生再动手按照步骤进行实验。这种教学方法使学生出现“被动”学习的状态，学生不能按照自己的想法和创意开展实验，因此学生上课积极性不高，教学效果受到影响。

1.2 实验成本和安全隐患高

众所周知，热处理实验的设备电能消耗大，运行成本比较高，因此实验过程中并不能满足每名学生亲自操作热处理设备的需求，一般实验是分组进行，每组选出固定人员负责设备的操作。另外，热处理实验过程中涉及高压用电、高温、油烟等条件，存在安全隐患。学生虽然在实验之前已经接受安全教育，但仅仅限于理论知识，并没有实际操作经验。操作过程中稍有不慎就会造成人员受伤或设备损坏，因此实验过程中的危险环节大多由教师协助或代替完成，大多数学生仅进行观摩，教学效果并不理想。

1.3 实验耗时长 设备数量不足

热处理实验耗时长，少则几十分钟，多则几天。另外，热处理实验设备一般只有几台，而参与实验的学生人数众多，并且学时有限，因此学生在实验过程中实际操作的机会并不多。学生在观摩教师进行示范操作时，尤其是需要靠近观察瞬时细节操作时，由于受场地限制和观察角度的局限，许多后排的学生很难通过一次观察掌握全部的操作规范和要领，这就造成学生在实验过程中无法获取充分的知识要点，学生参与实验的兴趣降低，积极性不高。

1.4 实验时间和空间的局限性

传统的热处理实验教学受到教学时间和教学地点的限制，虽然有的实验室有开放政策，允许学生课外到实验室做实验，但是一些设备涉及安全管理的问题，一般需要由受过培训的专人进行操作，因此学生能够接触到实验设备和仪器的机会大多在课堂上。离开实验室后，学生对于热处理实验中不明白的知识点只能通过理论进行学习，抽象的理论使学生接受起来比较困难，这样就限制了学生自主学习的积极性。

2 热处理虚拟仿真实验的内容

热处理虚拟仿真实验是关于结构钢的成分、热处理工艺、热处理后组织结构和性能之间关系的实验，实验内容主要包括介绍实验目的和实验原理、介绍仪器设备、完成实验流程、讨论实验思考题和建立实验数据库五个部分，内容设计过程中需要充分体现“虚实结合、相互补充、能实不虚”的指导原则[8]。

2.1 介绍实验目的和实验原理

实验目的即课程教学大纲中要求学生所要掌握的知识。实验原理介绍主要包括相关的基础理论，如Fe-C相图、冷却曲线、淬透性、淬硬性、淬火稳定性等，同时介绍碳元素含量以及工艺参数的变化对结构钢微观组织和性能的影响。

2.2 介绍实验仪器设备

主要对实验中用到的箱式电阻炉、硬度计和金相显微镜进行三维展示，包括设备的原理、功能、结构、使用方法等，让学生熟悉这些设备，同时为学生后续的真实设备操作打下良好的基础。教师可以根据教学需要进行内容调整。

2.3 完成实验流程

实验流程中的场景根据真实实验步骤选择，实验流程是实验的主体，每名学生都可以通过电脑独立操作完成，主要包括试样选择、尺寸测量、热处理工艺参数选择、热处理、冷却工艺参数及冷却介质选择、打磨、抛光、侵蚀、微观组织观察、硬度测试、强度测试、实验结束等。整个过程配有语音和文字讲述，对于每个实验环节中的设备和操作规范都会按照真实实验设计，并对实验细节配有局部放大图。

文章来源：《热处理技术与装备》 网址: http://www.rcljsyzb.cn/qikandaodu/2021/0305/403.html