李衛(wèi)平 羅子璐 蘇婧銥 陳海寧 劉慧叢

［摘 要］項目組借助虛擬仿真技術(shù)以“體驗—學(xué)習(xí)—發(fā)現(xiàn)—探索”為思路構(gòu)建層層遞進的科研課堂“微課題”小班化教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生針對航天領(lǐng)域大型構(gòu)件電鍍仿真模型進行陽極優(yōu)化設(shè)計，明確設(shè)計理念。實踐結(jié)果表明：虛實結(jié)合的小班化教學(xué)方法有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力、分析和解決問題的能力、設(shè)計和優(yōu)化方案的能力，還有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可為多元化、創(chuàng)新型卓越人才的培養(yǎng)提供經(jīng)驗。

［關(guān)鍵詞］虛實結(jié)合；實驗教學(xué)；小班化教學(xué)；電鍍工藝仿真；“微課題”

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）18-0060-06

為貫徹落實習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想和全國教育大會精神，結(jié)合教育部《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育 全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革 全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》等要求，北京航空航天大學(xué)進一步推進科教融通，提出了依托科技創(chuàng)新平臺打造“科研導(dǎo)師、實驗室開放日、微課題”三位一體的科研課堂“TOP”計劃，探索全面實現(xiàn)科研優(yōu)勢向人才培養(yǎng)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化的北航育人模式[1]。

科研課堂是以“點亮”學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新思維、掌握基本科學(xué)研究方法、具備科學(xué)探索能力和團隊協(xié)作能力為目標定位，面向二、三年級本科生開設(shè)的，共32學(xué)時的實踐課程。依托科研實驗室和科研導(dǎo)師資源，以“微課題”形式開展小班化教學(xué)，使學(xué)生在課題研究過程中初步掌握科研技巧、樹立科學(xué)精神、培養(yǎng)科研思維、提升創(chuàng)新能力。

為此，項目組依托“空天先進材料與服役教育部重點實驗室”，以國家重點研發(fā)計劃課題“無鉻綠色碳化硅類涂層材料與復(fù)合電沉積工藝”為支撐，設(shè)計了火箭發(fā)動機尾噴管收擴段電鍍工藝仿真“微課題”（以下簡稱“微課題”），以“體驗—學(xué)習(xí)—發(fā)現(xiàn)—探索”為主線進行小班化教學(xué)方法探索。借助虛擬仿真實驗平臺，進行“以虛補實，虛實結(jié)合”的教學(xué)設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生體驗真實的實驗過程、學(xué)習(xí)電鍍基礎(chǔ)知識及電鍍工藝流程、發(fā)現(xiàn)大型部件收擴段的電鍍工藝優(yōu)化難題及解決方法、探索改善鍍層厚度分布均勻性的陽極優(yōu)化設(shè)計方案。

一、航空航天典型零部件電鍍技術(shù)“微課題” 選題依據(jù)

電鍍在大型構(gòu)件表面處理、微小部件加工、導(dǎo)電化處理等方面具有不可替代的優(yōu)勢，在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域具有重要地位[2]。然而，在電鍍技術(shù)的實驗教學(xué)過程中，面臨著大型構(gòu)件電鍍過程難以實施、電沉積過程難以展示、電鍍周期長、劇毒化學(xué)品實驗難以開展、水污染問題難以處置等困難[3-4]，因此開展電鍍技術(shù)的虛擬仿真實驗教學(xué)研究具有重要意義[5]。

“微課題”以“火箭發(fā)動機尾噴管收擴段”為研究對象，進行電鍍過程COMSOL仿真模型建立和電沉積工藝的優(yōu)化設(shè)計?；鸺l(fā)動機尾噴管收擴段是液體火箭發(fā)動機推力室的核心部件。在常用的液氧/煤油高壓補燃發(fā)動機推力室冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，燃燒室和收擴段內(nèi)壁采用了鉻青銅材料，該材料具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率、良好的高溫強度和耐蝕性能以及優(yōu)良的工藝性能，但是收擴段內(nèi)表面要承受高溫、高速燃氣的沖刷，因此在收擴段內(nèi)表面必須采取必要的防護措施來滿足特殊使用環(huán)境的要求，制備鉻鍍層可提供有效的耐高溫防氧化防沖刷性能[6-7]?；谟邢拊治鲕浖㈦姵练e模型，不僅避免了六價鉻電鍍的環(huán)境污染問題，解決了大型構(gòu)件電鍍實驗的開設(shè)難題，如圖1所示，而且從優(yōu)化電沉積工藝參數(shù)的角度實現(xiàn)了對仿真過程的推演。

二、電鍍工藝虛實結(jié)合的教學(xué)過程設(shè)計

在“微課題”實施過程中，項目組通過虛實結(jié)合的方式從“體驗—學(xué)習(xí)—發(fā)現(xiàn)—探索”四個層次開展教學(xué)。“體驗”環(huán)節(jié)包括電沉積實驗過程觀摩和虛擬仿真實驗實際操作；“學(xué)習(xí)”環(huán)節(jié)包括對電沉積理論知識的學(xué)習(xí)和電鍍工藝流程的認知；“發(fā)現(xiàn)”環(huán)節(jié)通過虛擬仿真實驗平臺的操作引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律和問題；“探索”環(huán)節(jié)重點引導(dǎo)學(xué)生帶著問題、借助COMSOL系統(tǒng)進行個性化設(shè)計和求解。

在“體驗”環(huán)節(jié)，教師首先介紹電鍍相關(guān)背景知識和虛擬仿真的應(yīng)用背景，幫助學(xué)生認識學(xué)科特點、了解學(xué)科發(fā)展情況，隨后帶領(lǐng)學(xué)生進入實驗室現(xiàn)場觀摩電沉積實驗裝置和體會實驗的具體過程，增進學(xué)生對電鍍實驗的感性認知。只有觀摩體驗是不夠的，學(xué)生要親身參與實際操作才能有所收獲。但真實的實驗操作要點多、容易出錯，如果讓每個學(xué)生都動手操作，耗時長、操作煩瑣，并且真實實驗涉及有毒化學(xué)品，如操作不當(dāng)，可能出現(xiàn)環(huán)境污染和健康危害的問題，因此項目組采取“以虛補實、虛實結(jié)合”的教學(xué)設(shè)計，借助虛擬仿真實驗平臺達到幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)的目的。結(jié)合虛擬仿真實驗與線下實驗，構(gòu)建虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補的實驗教學(xué)模式是新工科背景下培養(yǎng)多元化創(chuàng)新型人才的要求[8-9]。

項目組依托虛擬仿真實驗平臺，結(jié)合多年科研實驗結(jié)果和COMSOL軟件仿真形成的數(shù)據(jù)庫，以學(xué)生體驗式學(xué)習(xí)為主線，按照學(xué)習(xí)與實踐兩個階段，實現(xiàn)航空航天典型零部件電鍍?nèi)^程的虛擬仿真還原，設(shè)計思路如圖2所示。

基于虛擬仿真實驗平臺完善“體驗”環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在虛擬仿真實驗平臺的指導(dǎo)下體驗電鍍操作。與此同時進入“學(xué)習(xí)”階段，借助虛擬仿真實驗平臺，學(xué)生可以學(xué)習(xí)電沉積理論知識，了解電鍍的基本原理和操作步驟，通過施鍍參數(shù)的設(shè)置和鍍層性能表征結(jié)果反饋，初步理解鍍層性能與電沉積工藝的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，自主完成航空航天典型零部件電鍍的全過程操作。學(xué)生可反復(fù)觀看虛擬仿真實驗，直至掌握相關(guān)原理和概念，熟悉實驗流程，形成對電鍍工藝的認知，為之后的電沉積工藝探索奠定基礎(chǔ)。

三、基于虛擬仿真實驗的陽極工藝優(yōu)化設(shè)計

對于電沉積而言，鍍層厚度及其分布是一個關(guān)鍵問題，尤其對于幾何形狀復(fù)雜的工件，調(diào)控電解液在基體表面電沉積的沉積速率和厚度分布至關(guān)重要。通常影響鍍層厚度分布的因素有：電鍍槽幾何結(jié)構(gòu)、電解質(zhì)成分、工作電位以及平均電流密度、溫度、電沉積時間[10]。通過改變電沉積工藝參數(shù)可以調(diào)控沉積速率和厚度分布。實驗是探索最佳電沉積參數(shù)的直接方法，但是對于航空航天領(lǐng)域大型部件的電鍍實驗，部件尺寸大、成本高、電鍍過程難以實施，因此無法在實驗室環(huán)境正常開展。在“體驗”和“學(xué)習(xí)”的基礎(chǔ)上進入“發(fā)現(xiàn)”環(huán)節(jié)，項目組向?qū)W生提出一個問題——對于大型構(gòu)件，如何進行電沉積工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計？

“微課題”利用有限元軟件建立火箭發(fā)動機收擴段電沉積模型，設(shè)計幾種不同形狀的陽極，計算得到鍍層厚度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入虛擬仿真實驗平臺中，借助虛擬仿真實驗幫助學(xué)生掌握基本的設(shè)計方法，構(gòu)建“陽極設(shè)計”的思想，研究陽極形狀對鍍層厚度分布均勻性的影響。利用虛擬仿真實驗平臺不僅可以解決大型部件電鍍實驗難以開展的問題，而且可以讓學(xué)生看到電沉積的過程和抽象物理量的可視化結(jié)果。學(xué)生可結(jié)合及時的結(jié)果反饋，在實驗過程中優(yōu)化電沉積條件[11]。

在虛擬仿真實驗的實踐階段，學(xué)生將對大型部件火箭發(fā)動機尾噴管收擴段進行電鍍操作。學(xué)生可以選擇三種不同形狀的陽極——圓柱體陽極、象形陽極和圓錐體陽極，選擇不同陽極進行電鍍會得到不同的鍍層厚度分布結(jié)果，如圖3（d）至（f）所示。圖中不同的灰度代表不同的鍍層厚度數(shù)值，象形陽極模型電沉積所得的鍍層厚度均勻性最好。為了更精確地判斷鍍層厚度分布的均勻性，項目組選取了沿收擴段內(nèi)壁豎直方向上的線段作為截線，如圖3（c）所示，探究鍍層厚度在此條線上的分布。結(jié)果表明，象形陽極得到的鍍層厚度均勻性明顯優(yōu)于圓柱體陽極和圓錐體陽極。

在“發(fā)現(xiàn)”環(huán)節(jié)，學(xué)生通過虛擬仿真平臺的收擴段電沉積模型陽極設(shè)計實驗發(fā)現(xiàn)問題和規(guī)律，從宏觀上理解了“陽極設(shè)計”的思想，掌握了基本設(shè)計方法，明白了如何對大型構(gòu)件進行電沉積工藝優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生將在有限元軟件中進行拓展訓(xùn)練，針對形狀更加復(fù)雜的活塞部件逐步進行陽極優(yōu)化設(shè)計。

四、基于COMSOL仿真的拓展訓(xùn)練

在“探索”階段，學(xué)生按照給定的建模步驟和參數(shù)建立活塞鐵基鍍鎳初始模型，然后通過陽極設(shè)計逐步對金屬鍍層厚度分布進行優(yōu)化。基于項目組提出的“陽極形狀”這一參數(shù)，學(xué)生自主思考提出陽極設(shè)計方案，在軟件中繪制不同幾何形狀的陽極，計算得到陰極鍍層厚度分布的可視化結(jié)果，再根據(jù)結(jié)果對方案做出修改，逐步探索鍍層特性優(yōu)化方案。通過設(shè)定參數(shù)引導(dǎo)學(xué)生進行方案優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)對學(xué)生解決問題能力、實踐探索能力、發(fā)散性思維和設(shè)計理念的培養(yǎng)。

活塞鐵基鍍鎳初始模型如圖4所示，其中，圖4（a）為幾何模型，中間是活塞部件，4片矩形陽極均勻分布在四周。選取距離長方形陽極板最近的活塞線段作為截線，如圖4（c）所示，探究此條線上的鍍層厚度分布，如圖4（d）所示，可知隨著時間的增加，鍍層厚度不斷增加，活塞的上下頂端厚度較大，而活塞中部凹槽處厚度較小，且厚度的最大值和最小值的差距越來越大。這是由于活塞幾何不規(guī)整，凹槽處與陽極板間的距離較遠所致。此外，由于邊緣效應(yīng)，電流密度會在物體尖角、邊緣等曲率大的位置上集中，導(dǎo)致邊角處的鍍層厚度明顯大于平均厚度，并且出現(xiàn)尖銳轉(zhuǎn)折。如何設(shè)計陽極形狀使得鍍層厚度分布更加均勻、鍍層厚度在邊角處的過渡更加平滑，這是項目組向?qū)W生提出的重點思考問題。

學(xué)生結(jié)合“象形陽極”的理念，基于鍍層均勻性陽極設(shè)計需求，提出了不同的設(shè)計方案，如圖5所示。

1.修改陽極形狀。理論上陽極形狀越接近陰極，電鍍效果越好。為了解決活塞凹槽處與陽極板間距離較遠的問題，有的學(xué)生對陽極形狀做出相應(yīng)修改。圖5（a）是帶凹槽陽極模型的鍍層厚度分布圖，圖5（b）是對應(yīng)的幾何剖面圖。在陽極中間部位增加與活塞凹槽處對應(yīng)的半圓凹槽，可以起到縮短陽極至活塞凹槽處距離的作用。從圖5（c）可以看出，相比于矩形陽極，帶凹槽陽極模型的折線過渡更加平滑，鍍層厚度分布均勻性明顯提高，但活塞上下頂端與凹槽處的鍍層厚度依然存在著較大的極差。

2.增加輔助電極。除了繪制與陰極零件形狀相匹配的象形陽極，學(xué)生還提出設(shè)計輔助陽極，并以此為基礎(chǔ)來進行電場線分布的方案，從而使鍍層厚度分布更均勻?？稍谫N近陰極凹槽處添加細金屬環(huán)作為輔助陽極，以解決凹槽處金屬沉積不足的問題，如圖5（d）左所示。結(jié)果顯示陰極凹槽處的鍍層厚度和兩側(cè)基本相同，但是凹槽邊緣處會出現(xiàn)兩個較尖銳的厚度峰值，如圖5（e）所示。

基于結(jié)果反饋，學(xué)生進一步優(yōu)化模型，在凹槽邊緣附近再增加兩個細小金屬環(huán)作為輔助陰極，從而避免凹槽邊緣處電流密度過于集中，如圖5（d）右所示。模擬得到的效果良好，如圖5（f）所示，截線上的鍍層厚度分布基本均勻，厚度極差較小。

3.對陰極鍍件作圓角處理。有的學(xué)生對陰極鍍件模型做適當(dāng)修改，在凹槽邊緣處進行圓角處理，這樣與實際工件的幾何形狀也更加吻合。處理前后的對比圖如圖5（g）所示，結(jié)果表明凹槽附近的厚度變化曲線平滑度提高，鍍層厚度在邊角處的過渡不再呈現(xiàn)出尖銳轉(zhuǎn)折。

4.鍍層厚度的橫向分布研究。除了鍍層厚度沿縱向截線的分布，采取同樣的方法還可以研究鍍層厚度在如圖5（h）所示的橫向截線上的分布，初始模型得到的線圖如圖5（j）所示。鍍層厚度在橫向上的分布較為均勻，但隨著電沉積時間的增加，變化曲線逐漸呈現(xiàn)為波浪形，說明厚度分布不均勻度變大。為了使鍍層厚度在橫向上的分布更為均勻，可以增加陽極板的數(shù)量，將4片陽極板改為8片，甚至可以修改成連續(xù)的環(huán)狀陽極，如圖5（i）所示。由圖5（k）可知，鍍層厚度在橫向上的分布均勻，且?guī)缀醪浑S沉積時間變化。

針對同一個問題，每個學(xué)生提出了不同的陽極設(shè)計方案，體現(xiàn)了分析解決問題角度的多樣化。在初步方案的基礎(chǔ)上，項目組引導(dǎo)學(xué)生交流討論、了解和學(xué)習(xí)他人的設(shè)計思想、分析討論不同方案的優(yōu)缺點，達到相互啟發(fā)的目的。在討論中，有些學(xué)生認為采用輔助電極的設(shè)計方案可以得到最優(yōu)的鍍層厚度分布結(jié)果，但是該方案較為理想化，在實際生產(chǎn)中很難實現(xiàn)。綜合考慮鍍層厚度在橫向和縱向上的分布均勻性，可以采取“環(huán)狀+象形”陽極的方案。在環(huán)狀陽極中間增加半圓凹槽，如圖5（l）所示，能得到較好的鍍層厚度分布效果。

陽極形狀的設(shè)計是迭代優(yōu)化的過程，每名學(xué)生從不同角度確定初步方案，進行建模和數(shù)據(jù)分析，再一起討論不同方案的優(yōu)缺點，根據(jù)結(jié)果反饋確定進一步思路，如此迭代，進行多次調(diào)整、嘗試和探索，逐步形成更優(yōu)方案。相比于傳統(tǒng)實驗，虛擬仿真實驗的優(yōu)點是方便、快捷，減少對材料和能源的消耗。通過虛擬仿真實驗可以在短時間內(nèi)得到設(shè)計方案的結(jié)果反饋，用于優(yōu)化設(shè)計思路。在“探索”環(huán)節(jié)，借助虛擬仿真實驗引導(dǎo)學(xué)生明確設(shè)計理念，促進學(xué)生間的交流與合作，達到相互啟發(fā)的效果，有利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維和探索解決復(fù)雜問題的能力。

五、全過程量化評價

“微課題”采取全過程量化評價的方法，全過程評價就是將課程考核貫穿教學(xué)的全過程，課程的最終成績等于全過程各項考核成績之和[12]。全過程評價是小班化教學(xué)的優(yōu)勢，在課堂中教師可以實時檢查每個學(xué)生的實驗情況并提供必要的指導(dǎo)，同時評價結(jié)果可作為課程評價的客觀依據(jù)。量化評價就是按照各項量化評價指標賦予分值，量化評價能夠為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供科學(xué)的依據(jù)[13]。以體驗（10%）—學(xué)習(xí)（20%）—發(fā)現(xiàn)（30%）—探索（40%）的分配比例進行分階段評價，結(jié)合完成度、完成難度給出成績。評價點包括文獻調(diào)研的充分性、電鍍工藝方案選擇的合理性、實驗操作過程的規(guī)范性等方面（見表1），從這些方面開展考核，能夠客觀評價學(xué)生運用專業(yè)知識和邏輯推演解決實際問題的能力。

表1 考核與評價標準

單位：分

[序號 評分項目 分數(shù) 1 文獻調(diào)研的充分性 15 2 電鍍工藝方案選擇的合理性 10 3 實驗操作的規(guī)范性 30 4 數(shù)據(jù)分析整理的條理性 20 5 團隊協(xié)作和表達能力 10 6 勤奮程度及科學(xué)作風(fēng) 15 總分（注：60分以上為通過） 100 ]

六、結(jié)語

本文介紹了實驗教學(xué)課程的科研課堂“微課題”的設(shè)計與實踐，選取“火箭發(fā)動機尾噴管收擴段”為“微課題”的研究對象，進行電鍍過程的仿真模型建立和電沉積工藝的優(yōu)化設(shè)計。項目組在課程中采取“以虛補實、虛實結(jié)合”的實驗設(shè)計，按照“體驗—學(xué)習(xí)—發(fā)現(xiàn)—探索”的思路開展小班化教學(xué)，在“體驗”“認知”“學(xué)習(xí)”的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)航空航天領(lǐng)域大型構(gòu)件的電鍍工藝優(yōu)化難題，基于虛擬仿真實驗平臺進行收擴段的電鍍仿真實驗，使學(xué)生掌握基本的設(shè)計思想，再借助COMSOL電鍍仿真模型引導(dǎo)學(xué)生針對陽極設(shè)計問題進行拓展訓(xùn)練，探索陰極鍍層厚度分布特性與陽極形狀的關(guān)系，通過設(shè)定參數(shù)引導(dǎo)學(xué)生進行陽極優(yōu)化設(shè)計，明確設(shè)計理念?！拔⒄n題”實驗教學(xué)實踐實現(xiàn)了對學(xué)生實踐動手能力、設(shè)計方案能力、探索創(chuàng)新能力與發(fā)散性思維的培養(yǎng)，調(diào)動了學(xué)生參與的積極性，取得了較好的教學(xué)效果，可為工科院校實驗教學(xué)的改革和發(fā)展提供經(jīng)驗。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 陳彬. 北航創(chuàng)新本科科研人才培養(yǎng)方式：讓學(xué)生觸摸到“真正的科研”[N]. 中國科學(xué)報，2022-01-18（4）.

[2] 郭琳.電鍍基礎(chǔ)與實驗[M].北京：中國紡織出版社有限公司，2020.

[3] 李康.電鍍廢水處理技術(shù)的研究進展[J].環(huán)境與發(fā)展，2018，30（1）：80.

[4] 朱立群.表面處理技術(shù)與航空航天[C]//環(huán)渤海表面精飾聯(lián)席會.環(huán)渤海表面精飾發(fā)展論壇論文集.[出版地不詳：出版者不詳]，2010：133-142.

[5] 李衛(wèi)平，劉慧叢，陳海寧，等.基于COMSOL軟件的腐蝕仿真實驗教學(xué)方法[J].實驗室研究與探索，2021，40（10）：82-85.

[6] 郭景錄，李鋒，黃道瓊.收擴段成型過程仿真[J].火箭推進，2000（4）：23-31.

[7] 王學(xué)成.推力室內(nèi)壁隔熱、防沖刷鍍覆層工藝研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

[8] 謝愛娟，劉文杰，孔泳，等.新工科視域下虛實結(jié)合的物理化學(xué)實驗教學(xué)改革探索[J].化工高等教育，2022，39（4）：68-73.

[9] 許雨喬，宋為娟.虛實結(jié)合的新型教學(xué)模式在微生物檢驗實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生， 2022，38（18）：3202-3204.

[10] GIACCHERINI A， CAPORALI? S， BERRETTI? E，et al. Finite elements analysis of an electrochemical coating process of an irregularly shaped cathode with COMSOL multiphysics[J]. ECS transactions， 2015，64（35）：1-8.

[11] 張萌，孔令航，陳俐蔓，等.離子液體中復(fù)雜鎂基體電鍍鋁裝置設(shè)計及模擬[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2020，41（5）：764-770.

[12] 楊瓊. 財經(jīng)英語全過程量化考核研究[J].湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2018，17（1）：91-93.

[13] 陳可佳，楊庚.采用積分制的自主學(xué)習(xí)過程量化和評價方法[J].現(xiàn)代計算機，2019（29）：56-59.

［責(zé)任編輯：蘇祎穎］