摘要：将极端高温热障涂层材料的最新科研成果转化为虚拟仿真实验教学资源，以培养具有创新精神和实践能力的新质人才。实验深度融合材料科学四要素，将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体，突出价值引领作用，并以提升学生自主学习能力为宗旨，进行探索性、研究性实验教学，旨在强化学生高阶思维能力的训练，培养学生的创新能力。

　　关键词：人才培养；新质人才；科研成果转化；虚拟仿真实验

　　当今世界，新一轮科技和产业革命加速推进。为顺应新技术革命发展大势，我国大力推进现代化产业体系建设，加快发展新质生产力。科技创新是发展新质生产力的核心要素，而科技创新迫切需要一大批具有创新精神和实践能力的新质人才[1]。近年来，我国持续改革高等教育，以主动适应快速提升的新技术、新产业和新经济需求。2018年，教育部发布《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》，强调要将最新科研成果及时转化为教育教学内容，以高水平科学研究支撑高质量本科人才培养[2]。

　　大量教学实践表明，将优质的科研成果转化为实验教学不仅能够丰富教学内容，而且能提高学生的实践和创新能力。然而，科研实验通常对设备的要求较高，这些设备往往价格昂贵，导致部分科研实验存在实验耗时长、实验条件不足、实验原料价格昂贵等问题，极大地限制了科研成果向实验教学的转化。教育部在2019年发布的《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》中，将虚拟仿真实验教学项目纳入一流本科课程建设。通过虚拟仿真实验对实体实验的模拟，以虚补实、以虚代实，有效破解上述难题，促使最新科研成果转化为实验教学资源，支撑高素质创新型人才培养[3-4]。

　　热障涂层是一种采用耐高温、低导热的陶瓷材料涂覆在叶片表面形成的涂层，用于降低高温环境下基体表面的温度。热障涂层的研发利用对提升航空发动机和燃气轮机高温热端部件的耐高温性能、延长其使用寿命具有重要意义。中国地质大学（武汉）材料与化学学院相关团队长期研究航空发动机热障涂层，相关成果曾获得湖北省科学技术奖励一等奖和二等奖，实验内容具有前沿性和创新性。热障涂层材料实验内容与材料类本科生实验教学重点相匹配，将其转化为实验教学有助于培养材料类学生的创新意识、实践能力和解决复杂问题能力。然而，热障涂层材料实验存在实验周期长、原料价格昂贵、难以直观呈现材料构效关系等问题，使役性能表征实验存在极端高危条件、热障涂层检验检测周期长、检测成本极高等问题，使得在本科教学中开展该实体实验教学存在较大的实际困难。本文旨在探讨将航空发动机热障涂层科研成果转化为虚拟仿真实验，服务于新质人才培养。

　　一、虚拟仿真实验的总体设计

　　极端高温热障涂层材料设计制备与使役性能表征虚拟仿真实验分为热障涂层材料实验和表征材料在极端条件下使役性能的热障涂层实验两个部分（见图1）。第一部分是热障涂层材料实验，针对热障涂层材料实验存在的实验周期长、原料价格昂贵等问题，进行材料组成设计、制备与成型、结构表征与热物性测试等虚拟仿真设计；第二部分是表征材料在极端条件下使役性能的热障涂层实验，针对热障涂层实验中大气等离子喷涂达10000℃以上高温的极端高危条件，以及需进行2000次热障涂层抗热震和火焰热冲击等性能表征问题，进行涂层制备和极端条件下使役性能表征的虚拟仿真实验，包括喷雾造粒制备喷涂粉末、大气等离子喷涂制备热障涂层，以及火焰热冲击测试和抗热震试验等涂层性能表征。

　　本虚拟仿真实验通过内容创新、方法创新、考核创新三个维度进行创新设计，将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体，突出价值引领作用，并以提升学生自主学习能力为宗旨，强调过程与结果并重评价，进行探索性、研究性实验教学，鼓励学生大胆尝试、反复试验，以牢固掌握知识、激发创新欲望作为第一目标，强化高阶思维能力的训练，培养学生的创新能力。

　　二、虚拟仿真实验的教学设计

　　（一）坚持育人导向，强化价值引领

　　本虚拟仿真实验来自中国地质大学（武汉）材料与化学学院团队关于军用战机利用航空发动机热障涂层的最新科研成果，科研过程和科研成果自带育人元素。航空发动机是飞机的心脏，其发展水平是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现，被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。近年来，我国大力推进航空发动机的研发，《扩大内需战略规划纲要（2022—2035年）》就明确提出“加快大飞机、航空发动机和机载设备等研发”。

　　战机的战力首先取决于发动机的推力，而发动机的推力则取决于涡轮叶片的耐高温能力。热障涂层技术作为先进航空发动机必不可少的关键技术，其在发动机中的应用越来越广泛，是先进航空发动机叶片的三大核心技术之一。

　　中国地质大学（武汉）材料与化学学院团队自2000年起研发航空发动机纳米结构热障涂层，在国内率先提出了“航空发动机纳米结构热障涂层”研究新途径，发明了热障涂层材料制备新方法和涂层制备新技术，攻克了热障涂层工程化难题。本虚拟仿真实验在实验简介视频和教学指导书中适当引入航空发动机的研发背景以及团队关于航空发动机热障涂层研究的历程和成果，可强化思想价值引领，激发学生的家国情怀，增强学生的服务国防意识，引导学生为国搞科研，为国家实现高水平科技自立自强、努力奋斗。

　　（二）一体化实验设计，突出能力培养

　　基于热障涂层材料研发应用的完整流程，本虚拟仿真实验遵循一体化实验设计理念，深度融合组成与结构、合成工艺、性质、使役性能等材料科学四要素，解决了传统实验设计中的知识碎片化问题。

　　在材料科学中利用计算机辅助设计非常重要，计算机能够高效筛选出潜在的高性能材料作为候选，减少实验试错成本。传统的材料类教学实验一般包括材料制备、结构表征、性能测试等部分，但不涉及材料设计部分，不利于培养学生的创新意识。该虚拟仿真实验针对高熵陶瓷材料元素选择多、难以逐一试验的问题，基于离子电负性、原子质量、离子半径等微观量与材料的热膨胀系数、热导率等宏观性质理论，开发了高熵材料组成设计模块。学生可以设置化合价、配位数、摩尔数并选择元素，从而得到一系列化合物，进而对所得化合物的原子质量差、离子半径差和离子电负性差等设置限制，以便筛选熵稳定化合物。在此过程中，学生综合运用理论知识设计高熵热障涂层材料，为后续实验验证提供理论和方法指导，使学生建立材料组成结构与性质之间的联系，培养学生从微观角度去理解材料宏观性能的思维以及自主学习能力和创新能力。

　　在材料制备与成型部分，基于八种组成的高熵稀土锆酸盐材料开展虚拟仿真实验，学生可学习物料计算、高能球磨、高温焙烧、马弗炉烧结成型、放电等离子烧结成型、样品表面处理等操作，掌握热障涂层材料的合成工艺及各种成型方法。在材料结构表征与性能测试部分，学生可对所制备的热障涂层材料进行热膨胀系数、热导率、抗烧结性等热物性测试，掌握各种成型方法与热物性测试方法的对应关系，明确每一步实验所得到的“产品”及其“用途”，使其建立合成工艺与性质之间的联系。

　　为评价热障涂层材料在航空发动机应用场景中的使役性能，本虚拟仿真实验设计了热障涂层实验部分，包括喷雾造粒制备喷涂粉末、大气等离子喷涂制备热障涂层，以及采用虚拟仿真手段进行火焰热冲击测试、抗热震试验等。学生可观察涂层的形态、结合强度及抗热震性能的变化规律，理解材料及喷涂工艺对涂层在极端条件下使役性能的决定性作用，建立工程化研发思维。

　　（三）丰富交互方式，引导自主探究

　　本虚拟仿真实验设计了丰富的交互方式，引导学生自主探究。

　　在材料组成设计模块，基于结构决定性能的理念，从离子的半径、电负性、质量等微观性质出发，以低热导率和高热膨胀系数为衡量标准，建立了高熵热障涂层材料的高通量筛选方法。学生可根据材料设计规则，设置化合价、配位数、摩尔数、元素种类，进而得到一系列化合物，通过软件预测并排列出多种可能的高熵陶瓷材料组合，最优配方可能展现理想情况下的性能指标，即低热导率和高热膨胀系数。学生可自主设计并根据理论筛选最优的高熵热障涂层材料组成。实验过程具有探究性，实验结果具有个性化特点。

　　在材料制备部分，强调加工条件对材料最终性能的直接影响，让学生理解控制制备工艺参数的重要性，学会如何通过调整参数优化材料性能。同时，本虚拟仿真实验遵循虚实结合的原则，提供了八个高熵材料组成的真实实验数据，包括X射线衍射、热膨胀系数、热导率、抗烧结性等实验结果。学生选择不同的材料组成能得到不同的材料结构和热物性数据，进而通过分析不同热障涂层材料的形貌、结构特征及其热物性，发现某些材料组合展现出的性能，而这与它们独特的微结构密切相关。通过揭示材料组成、结构与其热物性之间的直接联系，可使学生加深对材料科学基础理论的理解，体验材料设计的复杂性和挑战性。

　　学生将前期实验结果作为实验组，将新的实验结果作为对照组，对比不同实验结果之间的区别，进而分析总结材料的构效关系。学生通过对少量几组实验结果和参数影响规律的掌握，形成实验结果预测，并进行实验验证，体会理论与实践相结合的重要性。

　　在实际教学过程中，本虚拟仿真实验可通过合理设计任务将“验证型实验”拓展为“综合设计型实验”和“创新型实验”，体现实验过程的灵活性和实验结果的不确定性，激发学生的创造力和探索欲望，强化学生的主观能动性，培养学生解决复杂问题的综合能力，促使学生个性化发展。

　　综上所述，本文基于航空发动机热障涂层最新研究成果，设计虚拟仿真实验，将高水平研究成果转化为教学资源，以科研反哺教学，助力培养适应新质生产力发展需要的新质人才。实验将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体。通过坚持育人导向，强化价值引领，可激发学生的家国情怀，增强学生的服务国防意识；通过一体化实验设计，突出能力培养，可使学生深刻理解材料的构效关系，培养学生从微观角度去理解材料宏观性能的思维以及自主学习能力和创新能力；通过丰富交互方式，引导自主探究，可激发学生的创造力和探索欲望，强化学生的主观能动性，培养学生解决复杂问题的综合能力，促进学生的全面发展。

　　参考文献：

　　[1]祝智庭,戴岭,赵晓伟,等.新质人才培养:数智时代教育的新使命[J].电化教育研究,2024(1):52-60.

　　[2]教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见[J].中华人民共和国教育部公报,2018(9):18-24.

　　[3]郑超,胡蔓,陈良,等.科教融合建设优质虚拟仿真实验教学项目探索[J].实验室科学,2021(4):23-27.

　　[4]周萌,曹政才.基于虚拟仿真平台的科教融合拔尖创新人才培养方案探索:以机器人控制技术为例[J].高等工程教育研究,2020(6):62-66,72.