中心概况

发展历程与建设概况

       建设定位      

       西北工业大学材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心(以下简称“中心”)依托于西北工业大学材料学院和国家级材料实验教学示范中心建设。材料实验教学中心自2012年获批国家级材料实验教学示范中心后,一直将材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心的建设作为后续可持续发展的重点任务。中心结合材料学院的学科发展及人才培养新要求,针对金属材料、无机非金属材料、复合材料、纳米材料、凝固、塑性成形、焊接及3D打印等专业方向, 坚持以创新能力培养为核心,整合优化课程资源,理论实践互补,虚拟现实并重,构建完整的教学体系,力争建设国内一流的材料科学与工程虚拟仿真实验教学平台。中心运用虚拟仿真技术手段,实现了对常规实验中难以观测、设备投资巨大、环境要求高的、耗时长能耗高的、涉及易燃易爆高危实验的和无法真实拆解分析实验原理特征的等实验内容的有效建设,形成了具有强的应用和示范作用的宇航材料虚拟仿真实验教学平台。并且通过虚拟实验教学尝试,提供了学生在信息化、大数据时代和国际化办学的大背景下熟练掌握及全面运用计算机虚拟仿真技术进行设计优化和创新应用的专业基础和综合能力,取得了较为显著的实验教学效果。

       建设历程      

       西北工业大学是工信部直属的全国重点大学,是“985工程”和“211工程”重点建设的大学之一,“材料科学与工程”一级学科在2012年的学科评估中排名全国第三。材料学院是源于1938年7月成立的国立西北工学院机械工程学系/矿冶工程系,1956年设立第四机械系成为材料学院的主体,经过半个多世纪的发展,由金属热处理、锻造、铸造、焊接和非金属材料5个专业方向,形成了以材料系、材料成型与控制系、复合材料系和纳米能源材料人才特区“三系一特区”为支撑的人才培养、科学研究与工程应用的教育教学和学科发展体系。当前,材料学院拥有6个国家级科研与人才培养平台和14个省部级科研与人才培养平台,学院现有教职员工200余人,其中院士5人,计划教授2人,长江学者4人,杰青6人,全国模范教师2人,陕西省教学名师1人。
       中心自2004年开始,基于国家精品课程《材材料科学基础》及《材料力学性能》,开发出晶体结构仿真实验、三元相图仿真实验、典型的力学性能仿真实验等。之后,大部分本科生课程结合教学需要,也都相继开设了有针对性的仿真实验,例如《塑性成形工艺》开发了塑性成形过程的ANSYS软件分析、《焊接原理》课程开发了电阻点焊熔核偏移的形成与调整工艺虚拟仿真实验及焊接设备气动加压系统虚拟仿真实验、《材料的物理性能》开发了光学性质仿真实验等,用于本科教学、大学生创新实验及本科毕业设计等。2015年7月,结合新教学大纲及实验课程改革项目的建设,材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心对原有的仿真实验重新整合,结合丰富的本科实验教学经验及当前学院内部雄厚的教学科研实力逐步循序渐进地形成了系统的、信息化的材料科学与工程虚拟仿真实验教学体系。

       建设基础      

       实验教学中心自2012年获批国家级材料实验教学示范中心之后,结合材料学院自身的特色,利用凝固技术国家重点实验室、超高温结构复合材料重点实验室等多个国家级科研平台进行了建设。其中,国家级材料实验教学示范中心学科专业齐备,拥有材料科学基础教学实验线、金相制备观察教学实验线、材料物理性能教学实验线、材料的力学性能教学实验线、材料热处理教学实验线、材料成形工艺和原理教学实验线和材料的现代试验测试方法教学实验线等学科专业的实验教学和内容,并在传统实验教学建设成效基础上,新建了纳米能源材料教学实验线、文物保护应用材料教学实验线和3D激光快速成型教学实验线等材料实验教学类的创新项目,这些新型的专业实验教学内容带动了新兴技术和科研对教学的反哺,也促进了中心实验教学的内容更新。
       本中心不仅承担材料学院、航空学院、航天学院、航海学院、机电学院及动力能源学院6个学院,包括材料科学与工程、材料成型及控制工程、复合材料与工程、飞行器设计工程、飞行器动力工程、飞行器制造工程和热能动力工程等10大类专业的本科生38门专业基础课及专业课的实验教学任务,而且还承担了本科生创新实验项目和本科毕业设计实验内容,目前承担的实验教学任务超过12000人时数的实验教学任务。现有实验室5000m2,设备约1600余台套,总价值过1亿余元,能够完备地支撑课程实验的开展和进行创新性实验课题研究。一直以来,中心都非常重视开展本科生的创新性实验教学,并已经在教学研究和本科生取得的创新成果上得到了体现,近年来建设了《材料科学基础》和《材料力学性能》2门国家精品课、国家级精品资源共享课《材料科学基础》、国家级精品视频公开课《材料科学与工程导论》、国家级MOOC课程《材料科学基础》、陕西省精品资源共享课《现代分析测试技术》、陕西省MOOC课程《迷人的材料世界》。出版高等教育教学教材6部,李贺军、介万奇获得“全国模范教师”称号,王永欣获得“陕西省高等学校教学名师”称号,近3年获得了陕西省教学成果奖特等奖1项,二等奖1项,获得西工大校级教学成果奖1项。中心教师和实验技术人员积极鼓励并指导学生参加全国大学生竞赛,取得了国家级学生竞赛奖项14项,近三年参与申报和指导大学生创新项目研究75项,相关本科生发表学术论文9篇,其中SCI收录5篇。

       建设概况      

       材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心是西北工业大学国家优势学科专业与信息技术深度融合的产物。长期以来,中心的建设坚持“科学规划、共享资源、虚实结合、提高效益、服务社会”的指导思想,以提高高等学校学生创新精神和实践能力为宗旨,以共享优质实验教学资源为核心,以建设信息化实验教学资源为重点,将持续推进高等学校实验教学信息化建设和实验教学内容的改革研究与发展。中心以国家“十一五”科技基础条件平台建设项目——材料科学数据共享网为牵引,结合学科优势并协同国防特色院校和企业,集成网络虚拟教学的优势,实现理论教学与工程实践的有机结合,促进学科前沿成果与实验教学的实时融合,全面、全时、全社会展示材料学科前沿、实验教学一线和实际生产现场的最新成果,提供虚拟实验服务。
       (1)拥有一流的材料虚拟仿真教学团队
       中心在学校、学院的双重支撑下,先后得到国防特色学科建设专项经费、“985工程”、“211工程”和修购专项等平台建设经费的支持。经过多年的积累和建设,中心已经形成了一支以院士和长江学者为带头人,由教学名师和教授博导指导,由专兼职副教授和工程技术人员组成的虚拟仿真实验教学技术研究的核心队伍,总人数达到了64人,其中博士学位获得者占89%以上。中心成员中张立同院士担任指导委员会主任,负责技术指导,李金山担任中心建设委员会主任,陕西省教学名师王永欣和卢艳丽教授负责具体教学指导,一流的虚拟仿真教学团队保证了中心教学理论的先进性。
       (2)以一流的科研实验平台作为支撑
       材料学院拥有一流的教学科研平台,包括凝固技术国家重点实验室、超高温结构复合材料国家级重点实验室、陶瓷基复合材料制造技术国家工程研究中心、国家钛材产品质量监督检测中心、国家级材料实验教学示范中心、国家先进材料及其成形技术“111”工程学科创新引智基地6个国家级科研与人才培养平台和14个省部级科研与人才培养平台。上述平台拥有ANSYS、DEFORM、FLUENT等先进的仿真模拟软件,为虚拟仿真教学平台的建设及本科生教学提供了良好的支撑。
中心现拥有专门的虚拟仿真实验室、金相模拟仿真互动教室,配备了专门的、种类齐全的辅助设计软件和各种有限元商用软件。从材料内部的微观量子、分子模型仿真到宏观的组织演变虚拟仿真,模拟仿真的跨度覆盖了微观和宏观两个层面;从内部拆解实验原理、模拟组织演变到外部仿真模拟真实环境和设备手段,模拟仿真的跨度覆盖了材料内部和外部;从材料的原料制备模拟仿真到器件成形智能制造的仿真模拟,仿真模拟的跨度覆盖了材料的全流程制备及成形智能制造;从模拟瞬间短时的仿真实验以增强认识发展到模拟仿真耗时长、难以在课内完成的实验项目,模拟仿真覆盖了瞬态时效和长时效的时间跨度。经过多年的积累,在以上几个方面实现了模拟仿真的软硬件发展,已经具备了齐全的虚拟仿真实验教学软件、硬件平台。
       (3)建立多层次全方位的共享联合平台
       材料科学与工程虚拟仿真实验教学中心积极基于学科优势,建立各种学科共享平台。与西安现代控制技术研究所、西安全路通号器材研究所、西安飞机工业有限集团公司、沈阳飞机工业有限集团公司、西工大超晶科技发展有限责任公司、陕西迪泰克新材料有限公司、西安铂力特激光成形技术有限公司、西安鑫垚陶瓷复合材料有限公司等企业和研究院所进行了实验室联建与融合,帮助实现解决了厂矿企业遇到的生产难题和其他实际需求。与陕西纵横高新技术发展有限公司、西安华尚软件科技有限公司联合开发软件、协助建立门户、开发后台等。作为西安经济开发区新材料实验测试公共服务平台成员单位,陕西省大型科学仪器网成员单位,2008年与世界500强企业美国艾默生电气公司联合成立了材料性能检测中心。基于自身学科优势建立的各种共享平台可以使得学生在参与项目合作的同时,在学校就接触到了工厂的实际问题,锻炼了解决问题的能力,从中心的这些合作项目中也为高校的教学提供了实际案例,使得相关学生更好的掌握理论知识,对相关教学有很大的促进作用,使得学生毕业后更加容易融入社会、投入工作岗位。
       (4构建系统的虚拟实验教学课程体系
       在虚拟实验教学体系建设中,以学生为本,以学习为核心,强调理论学习、实际操作实验教学、虚拟仿真教学之间的相互呼应,构建材料基础虚拟实验、专业虚拟实验、创新虚拟实验三层次虚拟实验体系,引导学生学知识、用知识、创造知识。虚拟实验不仅仅是学习实验操作,而是以知识学习、探究本源为目的,将虚拟实验作为课程学习的先导通过讨论题、思考题等引导学生发现问题,带着问题进课堂,培养学习主动性。在虚拟实验项目建设方面,注重专业教学学科交叉,促进学科融合;在教学模式方面,注重人才创新能力的培养,促进人才素质教育,提升创新能力培养。
       (5)打造提供“虚实结合”的创新人才培养环境
       中心坚持利用自身学科优势和科研特色,为创新人才的培养提供土壤和环境,在新形势实验教学形势下,提供了“虚实结合”的创新人才培养环境。坚持“创新为魂、立足自身、虚实结合、报效国防”的教学和育人理念。为本科生开设了专门的虚拟仿真基础理论课,首先从基础理论上引导学生,然后在大三专业选修课程当中提供给学生众多的虚拟仿真实验教学选择,对应实验课程开设了虚拟仿真实验,并根据学生自身的专业属性进行特制培养,培养出的本科生取得了良好的成绩。例如2014年11月,由曾庆丰老师指导的本科生获得首届国际大学生3D打印机设计邀请赛的二等奖2项;另外,中心致力营造创新人才培养的学术环境,如黄卫东团队邀请西班牙加泰罗尼亚理工大学工程数值计算方法国际中心Michele Chiumenti教授于2015年6月5日-2015年8月27日来华开展合作研究工作,针对激光立体成形技术特点建立了以Gid软件为基础的激光立体成形数值模型,并对其进行实验验证,取得了良好的示范效果;基于西北工业大学材料基因组国际合作研究中心,我校与美国石溪大学、法国普瓦捷大学、埃夫里大学、美国特拉华大学、莫斯科物理技术学院等国际著名大学开展了多层次学术交流与科研合作,先后派出十余名本科生和研究生进行访问学习,联合培养硕士博士研究生,在材料基因组的新材料发现、性能模拟、软件设计等领域发表了十余篇高水平学术论文。