高能炸药的超细化虚拟仿真实验

高能炸药广泛应用于发射药装药、战斗部装药、推进剂和核武器起爆等领域，影响弹药的发射能力、战斗部终点毁伤能力以及核武器的起爆能力，是提高现代武器高效毁伤和远程打击能力的枢纽。高能炸药的粒度直接影响其作用性能，对工业化生产的大颗粒高能炸药进行超细化，使其达到微纳米级，能进一步显著提高武器弹药的能量、燃烧性能和毁伤能力。

由于高能炸药超细化过程具有易燃易爆性，在实验过程中极易引起爆炸等安全问题，大量高能炸药相关实验无法在实验室直接进行演示及操作，严重限制了“特种能源工程与技术”专业人才的工程实践能力、综合能力和创新能力的培养。

因此，依托南京理工大学“兵器科学与技术”“双一流”建设学科和国家级化学化工虚拟仿真实验教学中心，基于国家特种超细粉体工程技术研究中心的国家科技进步奖和国家技术发明奖等工程化科研成果，项目团队根据“新工科”的建设理念，凝练出教学资源，将“虚拟现实+互联网技术”融入实验教学项目，设计具有自主知识产权的高能炸药的超细化虚拟仿真实验（如图1所示），高度符合虚拟仿真项目“能实不虚、虚实结合、以虚补实”的原则，应用于特种能源技术与工程专业本科教学，同时也为含能材料相关专业本科教学服务，并可用于含能材料领域相关企业和研究院所培训服务，全方位、全覆盖培养复合型含能材料工程科技人才，实现高校人才培养与国防领域用人的无缝对接。

高能炸药的超细化技术是集安全、材料、机械、化工、控制等于一体的复杂工程技术。高能炸药的超细化虚拟仿真实验包含生产安全学习、实验部分、课程思政教育等三个方面，通过本虚拟仿真实验，达到实验目的如下：

（1）了解并熟悉含能材料研制过程中环境、设备、控制和操作等安全设计原理；

（2）了解并熟悉特种微纳米粉碎机的主要结构和工作原理；

（3）熟练掌握高能炸药的超细化工艺流程，熟练掌握高能炸药的超细化设备操作规程，熟悉超细化工艺中的安全性问题并能及时提出解决措施；

（4）掌握工艺参数对高能炸药的粒度影响规律，深入理解高能炸药的粒度和使用性能之间的关系；

（5）了解含能材料领域科学家们献身国防、坚守初心、勇于超越的精神，培养学生家国情怀、社会责任

（1）实验所属课程所占课时：64

（2）该实验项目所占课时：4

高能炸药的超细化是集安全、材料、机械、化工、控制等于一体的复杂工程技术。本项目是实现特种能源技术与工程专业教育中高能炸药从“危险材料的性能”到“安全工程化生产”过渡的重要环节，所涉及的原理包括：

（1）高能炸药的超细化原理。基于“微力高效精确施加”的原理，采用国家特种超细粉体工程技术研究中心自行研制的特种微纳米粉碎机对高能炸药进行超细化处理，通过调控工艺参数，实现高能炸药的安全有效超细化；

（2）含能材料研制及生产过程中安全设计原理。主要包括环境、设备和工艺安全三方面的安全设计原理，以预防在高能炸药的超细化操作及生产过程中发生燃烧和爆炸等安全问题，一旦发生燃爆，能有效进行控制及应对。

知识点：共 5 个

（1）含能材料在研制和生产过程安全设计原理；

（2）特种微纳米粉碎机的结构和工作原理；

（3）特种微纳米粉碎机的工艺参数对高能炸药的粒度影响规律；

（4）高能炸药的超细化工艺流程及安全操作规程；

（5）高能炸药粒度及性能测试分析标准和分析方法。

高能炸药的超细化虚拟仿真实验项目在网络使用时需要的设备包括：带有独立显卡的笔记本或台式电脑，在线操作需要互联网以及网页端授权。本项目包括安全学习、实验部分和课程思政教育等三部分，重点是以生产任务为出发点，对工艺参数进行设置及优化，并建立产品粒度与使用性能的关系。

在南京理工大学国家级化学化工虚拟仿真实验教学中心建设有3D虚拟仿真实验室（图2），可进行虚拟仿真实验教学实施。非我校用户可利用带有网络的计算机房实现与我校同样的大规模实验教学授课。

1、实验材料

CL-20高能炸药

2、预设参数

高能炸药的超细化虚拟仿真实验需预设的参数包括：产品产量、产品粒度、设备型号、研磨介质、介质规格、筛网规格、循环次数、主机转速、搅拌转速等9个参数，各个参数的预设值或预设范围如下表所示：

表1 虚拟实验预设参数

序号	参数	预设值/预设值范围
1	产品产量	200 L/h ~ 1200 L/h
2	产品粒度	100 nm ~ 10 μm
3	设备型号	HLG-5L ~ 30L
4	研磨介质	氧化锆、钢球、高铝球等
5	介质规格	0.3 mm ~ 1.2 mm
6	筛网规格	0.15 mm ~ 0.65 mm
7	循环次数	5次~ 100次
8	主机转速	1200 rpm
9	搅拌转速	8 Hz

1、教学方法及目的

（1）教学与科研相结合

国家特种超细粉体工程技术研究中心多年来从事含能材料技术研究，荣获多项国家科技进步奖和国家技术发明奖，技术受到中华人民共和国中央军事委员会副主席张又侠等的高度赞扬（如图3所示）。本项目从国家特种超细粉体工程技术研究中心的国家科技进步奖和国家技术发明奖等工程化科研成果中凝练出教学资源，拓展了工程化科研成果的应用范围。通过本项目的教学，可让学生对高能炸药的认识实现从“危险材料的性能”到“安全工程化生产”的过渡。

通过本项目的实施，有助于丰富课程教学手段，加强教学内容的深度，提升学生的感性认识，从而大幅提高教学质量。同时，优秀科研成果内容的引入到本科教学中，可以拓宽学生的知识视野，激发学生科研兴趣。学生通过本项目的学习，熟悉并掌握含能材料在研制过程中安全设计原理、特种微纳米粉碎机的结构和工作原理、高能炸药的超细化工艺流程、工艺参数对高能炸药的粒度影响规律及高能炸药的粒度和使用性能之间的关系，能有效提升学生的工程意识和解决复杂工程技术问题的能力，培养学生的高阶思维，从而实现高校教育与企业用人的无缝对接。

（2）任务驱动式虚实结合教学

虚实结合教学是以虚拟化信息资源为支撑的“虚”教学和以真实实验装置为支撑的“实”教学相互融合、相互作用的教学方法，是现代信息技术发展的必然产物，是传统实验装置的延伸与扩充。虚实结合教学中实是支撑，虚是补充；实在虚中，虚中有实。

本项目采用任务驱动式虚实结合的教学方法，运用虚拟现实仿真实验，真实再现了微纳米高能炸药的设计和制备过程，将高能炸药的超细化设备、原理和工艺流程、安全设计原理等具体化、形象化，使学生走进了三维“真实”空间。以学生为主体，采用情景模拟、沉浸式体验与任务感受的方式，让学生在虚拟的环境下，直观体验式学习掌握高能炸药的超细化原理、工艺参数的设计、超细化工艺流程及安全设计，从而增强学生的安全意识和工程意识，提高学生的知识综合运用能力、复杂工程问题的分析解决能力和实践创新能力。

本项目的开展，为培养基础理论知识与工程实践能力并重、既能解决工程实际问题、又符合工业化和信息化相融合需求的国防领域专门人才提供有力保障。

2、实施过程

本实验在南京理工大学化工学院国家级化学化工虚拟仿真实验教学中心开放式实验室进行。实验教学采用以学生为中心，学生自主学习为基础，教师采取开放式、启发式和互动式教学的实践教学模式，学生根据指导教师要求登录虚拟仿真系统网站，熟悉系统功能界面，了解实验目的及要求，课上指导教师进行集中教学管理、实验操作指导和演示，学生在规定时间完成实际操作和实验讨论与结果分析，实验结束成绩在线评定。

基于3D仿真实验系统所具备的功能和课程教学要求，以高能炸药的超细化安全生产为任务，进行在线虚拟仿真实验。

本虚拟仿真实验分为两个阶段：网上自主学习和操作阶段。

（1）网上自主学习

学生提前进入虚拟仿真开放式实验室，了解实验所用的设备和仪器。

登录高能炸药的超细化虚拟实验仿真系统，熟悉系统操作界面，学习实验目的及原理，学习过程中记录发现的问题。

（2）操作阶段

本阶段在虚拟仿真开放式实验室进行，实验学时为2 学时，由学生及教师共同完成，以学生动手操作和亲身体验为主，教师答疑、演示和指导为辅，操作结束学生结合实验过程和数据报告进行数据分析，撰写实验报告具体过程如下。

a．指导教师讲解本次实验使用的设备概况、设备功能及其使用方法，应用的系统软件概况、软件功能及其使用方法；

b．指导教师登陆高能炸药的超细化虚拟仿真实验网站，进入仿真实验，讲解本次实验的目的和原理，针对学生自主学习阶段遇到的问题进行答疑；

c．指导教师以本次实验内容为例，进行实验过程讲解和演示。

d．学生登陆高能炸药的超细化虚拟仿真实验网站，在规定时间内按照教师讲解的过程进行学习和实操训练，可进行多次学习和虚拟调试，体验虚拟生产现场，生成不同参数的高能炸药粒度数据报告，进行实验讨论和数据分析。

e．实验结束，根据学生的自主学习情况、实验操作过程、实验结果等计算机在线评定成绩，并要求学生提交结果分析。

3、实施效果

本项目的开设，避免了在实验室进行高能炸药相关实验面对的爆炸等安全风险，节约人力、物力和实际成本，大幅提升了教学效率和效果，有效提高了特种能源技术与工程专业学生的综合能力。

本项目采用虚拟技术，结合工艺参数设计及优化来实现高能炸药的超细化实验。使用者利用计算机在线即可实现实验，在虚拟的工业化生产场景中，通过各种安全设置、工艺流程及参数优化等操作，完成高能炸药的超细化安全生产任务。在此过程中，使用者可深入了解设备结构和安全规范，极大地提升使用者的安全意识、工程实践能力及创新思维，可有效增强特种能源技术与工程专业学生及其他使用者解决复杂工程问题的能力。虚拟仿真实验学习和实验效果等价于甚至优于真实环境效果。

本项目主要包括“生产安全学习”、“实验部分”、“课程思政教育”等3个部分，共118个交互性操作步骤：

本项目的实验方法、操作步骤和实验要求如下：

访问实验项目。在浏览器中输入本虚拟仿真实验项目的网址（http://gnzycxh.njust.edu.cn/project/detail?id=107302)， 可远程访问并直接在浏览器中打开本实验项目，进行所有操作。

（1）实验准备：

① 在谷歌浏览器或者火狐浏览器中输入本虚拟仿真实验项目的网址，进入“网页界面”，如图4所示，用户通过学习项目简介视频和教学引导性引导视频了解实验目的、实验原理、实验内容及操作步骤、实验要求等。在学习过程中，如有疑问，可在线查阅文献或联系在线服务教师进行咨询。实验前，需做好充分的实验准备，以保证实验效果。

② 用户使用鼠标点击页面中的“登陆”按钮，弹出账号登陆界面对话框（图5），输入登陆账号和密码，点击“登陆”按钮，进入网页登陆界面（图6），再次点击网页界面中的“开始实验”按钮，进入实验系统加载页面（图7），加载完成后，出现高能炸药的超细化虚拟仿真实验界面，如图8所示。点击界面中的“进入”按钮，准备开始实验。

（2）开始实验：

① 学生进入“高能炸药的超细化虚拟仿真实验”，浏览厂区全景（图9），了解厂房场景（图10）。

② 进入实验界面，首先，根据闪烁提示，点击、观看中控室场景中的视频，了解项目背景，如图11所示。

③ 用户根据实际需求，点击虚拟仿真实验菜单栏中的“实验介绍”按钮，在线学习实验目的、实验仪器、实验原理、知识点、实验步骤及注意事项等内容，以便用户进一步理解本虚拟仿真实验教学内容，如图12所示。

下面分别介绍“安全学习”、“实验部分”、“课程思政”部分的实验步骤。

④ 安全学习

安全学习分为：环境安全、设备安全和工艺安全，具体实验步骤如下：

a. 在菜单界面，点击安全学习弹出菜单中的“环境安全”按钮，进入环境安全知识点学习及考核，以生产工房门为例，点击环境安全知识点列表（如图13所示）中的生产工房门图标，出现生产工房门的场景及知识点，知识点学习结束，出现相关考核试题，学生进行在线考核，如图14所示。同样地，夯土防护墙、人体静电释放器、生产工房门、消防雨淋系统和室内消火栓的知识点及考题如图15-19所示。

b. 完成环境安全所有知识点学习和考核后，点击安全学习弹出菜单中的“设备安全”按钮，进入设备安全知识点学习及考核（如图20所示）。以防爆电机为例：点击设备安全知识点列表中的防爆电机图标，出现防爆电机的场景及知识点，知识点学习结束，出现相关考核试题，学生进行在线考核，如图21所示。同样，气动控制、接地去静电、快接卡箍、急停装置的知识点及考题如图22-25所示。

c. 完成设备安全所有知识点学习和考核后，点击安全学习弹出菜单中的“工艺安全”按钮，进入工艺安全知识点学习及考核（如图26所示）。以急停按钮为例：点击工艺安全知识点列表中的急停按钮图标，出现急停按钮的场景及知识点，知识点学习结束，出现相关考核试题，学生进行在线考核，如图27所示。同样，出口温度、进口压力、机封液位的知识点及考题如图28-30所示。

⑤ 实验部分

实验部分分为：工艺流程、超细化原理、工艺设计、实验操作和操作考核，具体实验步骤如下：

a. 在实验部分选择界面，点击“工艺流程”，进入工艺流程知识点学习及考核，点击界面中的工艺流程图标（如图31所示），出现工艺流程学习视频，知识点视频结束，出现相关考核试题，学生进行在线考核，如图32所示。

b. 完成工艺流程知识点学习和考核后，在实验部分选择界面，点击“超细化原理”按钮，进入超细化原理知识点学习及考核，点击界面中的超细化原理图标（如图33所示），出现超细化原理学习视频，知识点视频结束，出现相关考核试题，学生进行在线考核，如图34所示。

c. 点击菜单中实验部分的“工艺设计”按钮，学生在工艺参数设计界面合理选择产品产量和粒度的生产任务（如图35所示），学习设备型号、研磨介质、介质规格、筛网规格和循环次数等参数对生产任务的影响，并设置相应的参数（参数选择界面如图36-40所示），然后点击提交按钮，进行下一步操作。

d. 点击菜单界面实验部分的“实验操作”按钮，出现操作提示对话框（如图41所示），学生根据提示，进入工房前首先触摸人体静电释放器，接着，按步骤依次打开工房内的控制开关，如冷却循环水阀、气源阀门等（如图42所示），然后到自控室准备启动设备。

e. 点击控制台的操作面板，出现控制系统界面（图43）。根据操作提示，点击“自动加料”按钮，系统自动加料（图44）。接着，输入相应参数，如主机转速、循环次数等。然后，依次启动总开关、主机和搅拌进行实验，随后手动切换各气动阀，运行稳定后，点击“自动运行”按钮，实现系统自动稳态运行。

f. 实验系统运行结束后，自动停机，手动关闭主机、搅拌和总开关，然后根据操作提示，回工房依次关闭气源阀和冷却水阀。

g. 实验结束后，依次出现干燥设备、产品成品、粒度检测设备和实验数据（如图45-48所示），用户根据粒度数据曲线对结果进行分析，探究循环次数和介质规格等参数对高能炸药产品粒度的影响规律。

h. 经超细化后的微纳米高能炸药产品粒度数据分析结束后，点击粒度数据界面右上角叉号，依次出现产品应用、性能测试标准及数据界面（如图49-53所示）。

i. 学生进行多次实验操作学习，掌握操作流程后，在菜单界面，点击“操作考核”按钮，在无提示的情况下进行在线操作考核。

⑥ 课程思政教育

课程思政教育具体实验步骤如下：

在实验选择界面，点击“课程思政”，进入课程思政知识点考核（如图18所示），让学生了解王泽山院士、李凤生教授等含能材料领域科学家们献身国防、坚守初心、勇于超越的精神，培养学生家国情怀、社会责任。

⑦ 完成安全学习、实验部分以及课程思政等所有实验内容和考核后，在菜单界面，点击“实验报告”按钮，对实验报告进行在线分析（如图55所示）。

（1）是否记录每步实验结果：☑是

（2）实验结果与结论要求：☑ 实验报告 ☑ 心得体会 其他

（3）其他描述：无

1、考核要求

知识点要求：（1）含能材料在研制和生产过程安全设计原理；（2）特种微纳米粉碎机的结构和工作原理；（3）特种微纳米粉碎机的工艺参数对高能炸药的粒度影响规律；（4）高能炸药的超细工程化操作流程及安全规范；（5）高能炸药粒度及安全性能测试分析的相关标准及基本原理。

实验技能要求：（1）科技文献的查阅；（2）特种微纳米粉碎机的工艺参数调节及控制技术；（3）高能炸药颗粒的粒度及性能测试与分析技术；（5）数据处理与分析方法。

解决复杂工程问题能力要求：（1）能够根据实验目标，通过文献查阅、相关知识的学习制订合理的实验计划、具体的实验方法手段和操作步骤，促成实验目标的达成；（2）能够合理解释实验过程出现的各种实验现象，针对实验过程中出现的问题提出合理的解决方案。

2、考核评价依据

按照知识点考核（30%）、工艺参数设计（40%）和实验操作（30%）三方面综合评分。

表1 高能炸药的超细化仿真实验考核项目及评分表

考核目标	考核内容	分值
知识点考核 （30%）	环境、设备、工艺安全知识点	22.5
	设备原理知识点	3.0
	课程思政知识点	4.5
工艺参数设计 （40%）	工艺参数设计的正确性	40.0
实验操作 （30%）	实验操作步骤的规范性、正确性	30.0
合计		100

（1）知识点学习考核评分标准（占总成绩的30%）

环境安全知识点6题，每题1.5分，共9.0分；

设备安全知识点5题，每题1.5分，共7.5分；

工艺安全知识点4题，每题1.5分，共6.0分；

设备原理知识点2题，每题1.5分，共3.0分；

课程思政知识点3题，每题1.5分，共4.5分。

（2）工艺参数设计，评分标准（占总成绩的40%）

工艺参数设计需设计7个参数，其中产量设置和产品粒度设置不评分。

腔体容积设置由产量决定，腔体容积选择与产量不对应扣8.0分；

介质类型选错，扣8.0分；

介质规格由产品粒度决定，介质规格选择与产品粒度不对应，扣8.0分；

筛网规格由介质规格决定，筛网规格选择与介质规格不对应，扣8.0分；

循环次数由产品粒度决定，循环次数选择与产品粒度不对应，扣8.0分。

（3）操作评分标准（占总成绩的30%）

操作提示共18步,“返回自控室准备启动设备”和“冷冻干燥得到高能炸药粉体”这两步，不评分。其余16步评分。操作提示中：两次进工房触摩静电释放器，该操作2.4分。其余14步操作，每步操作1.8分。

（1）专业与年级要求

特种能源技术与工程专业，三、四年级

（2）基本知识和能力要求

具备含能材料概念及性能基础知识、化工原理、含能材料化学工艺、火工技术、含能材料安全技术等基本知识；

具备含能材料实验、分析化学实验、化工原理实验、现代仪器分析实验等实验技能；

具备查阅、分析、总结科技文献的能力；

具备相应的安全意识和环保意识。

（1）本校上线时间 ：2017-09-01

（2）已服务过的本校学生人数： 500

（3）是否纳入到教学计划： ☑是 否

(勾选“是”，请附所属课程教学大纲）

（4）是否面向社会提供服务：☑是 否

（5）社会开放时间 ： 2019-05-01，已服务人数: 100

http://gnzycxh.njust.edu.cn/project/detail?id=107302

（1）说明客户端到服务器的带宽要求（需提供测试带宽服务）建议20M以上

（2）说明能够支持的同时在线人数（需提供在线排队提示服务）200人同时在线

（1）计算机操作系统和版本要求：Windows10，专业版

（2）其他计算终端操作系统和版本要求：Windows7旗舰版

支持移动端：是 ☑否

（1）需要特定插件 是 ☑否

（勾选“是”，请填写）插件名称    插件容量    下载链接

（2）其他计算终端非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下载服务）

无

（1）计算机硬件配置要求

主频：3.2 GHz

内存：4 GB及以上

存储容量：1 TB及以上

显存：1 GB独显及以上

配有鼠标、键盘、显示器

（2）其他计算终端硬件配置要求

主频：3.2 GHz

内存：4 GB及以上

存储容量：1 TB及以上

显存：1 GB独显及以上

配有鼠标、键盘、显示器

（1）计算机特殊外置硬件要求

无

（2）其他计算终端特殊外置硬件要求

无

（1）项目系统是否完成国家信息安全等级保护 ☑是 否

（勾选“是”，请填写） 3 级

项目简介

本虚拟仿真实验项目的开放运行依托于教学管理平台的支撑。系统架设在WEB服务器上，可通过局域网、广域网、无线网络访问，保证用户能够随时随地通过浏览器访问该项目，是具有良好交互性和可扩展性的虚拟实验教学平台。

项目应用采用B/S结构模式，资源包含仿真资源、素材资源、题库资源集中设置在服务器端，确保资源的安全性。服务端通过web服务器和数据库接收学员端的学习相关数据；

项目特色与创新

1.支持高并发在线实验学习

（1）本项目基于网络的在线实验学习模式，上网学习和远程教学更灵活、方便；

（2）本项目核心打造的是以学生为中心的互动实验学习体验，可以充分发挥学生学习的主动性和创造性，促进学生自主学习能力和个性化学习方法的发展；

（3）本项目整合了包括教材、课件、教学视频、多媒体素材、作业习题、自测题库等诸多教学资源，并结合到实际的实验课题任务中，教师通过建立课题，主动的完成对学生的教学培训工作；

2.虚拟仿真实验和理论题库的组合考核模式

（1）能够实现理论考试，题型包括选择、判断、问答、计算等；

（2）能够实现应会虚拟软件的考核，科学客观的计算学生成绩；

（3）考试成绩等相关统计信息可以通过报表自动统计、导出；

3.可灵活配置的权限体系

（1）系统给后台上传资源的教师分配帐号，只有有合法帐号的教师才能进入系统后台上传实验教学资源。在用户管理模块可以添加、编辑、删除用户信息。

（2）系统后台对用户进行权限限制，不同的用户拥有不同的使用权限。

（3）服务端设置管理员、教师、学生三种角色，在不同的权限下组织、管理、应用仿真培训。

4. 特色网络资源共享

本项目结合计算机图形技术、3D虚拟仿真技术、多媒体技术、计算机网络技术、并行处理技术等先进科技，为优质实验教学信息资源的共享提供了一个威力无边的客观载体，同时为资源共享提供了更加广阔的空间和潜力。

5.虚实结合的实验教学模式

本项目通过虚实结合的实验教学模式丰富了专业人才培养中的虚拟仿真资源与现场实践教学的拟合度与互补度，解决好传统理论教学与学生工程实践能力培养的矛盾。在虚实结合的基础上，建立时间、空间、内容“三维”开放的管理运行机制，提高实验教学质量和人才培养质量。

6. 支持二维码和移动端应用整合

本项目通过把3D仿真软件中的知识点、视频、动画素材等内容串联，利用二维码和无线网络，可以支持利用手机等移动设备可以访问浏览实验教学更多可拓展资源，并支持跨平台网络化应用。

 

（1）开发技术：VR，3D，HTML5

（2）开发工具：Unity3D，3D Studio Max

（3）运行环境

    服务器：CPU四核、内存16GB、磁盘8TB以上，显存2GB、GPU型号GTX745；

    操作系统：Windows Server；

    数据库：SQL Server

（4）项目品质

    显示刷新率：24fps；

    单场景面数：50万-80万；

    贴图分辨率：512×512和1024×1024两种；

    每帧渲染次数：大于60FPS；

    动作反馈时间：小于0.05s；

    显示刷新率：75kHz；

    分辨率：1280×768。

 

（体现虚拟仿真实验教学项目建设的必要性及先进性、教学方式方法、评价体系及对传统教学的延伸与拓展等方面的特色情况介绍。）

本虚拟仿真实验项目依托南京理工大学“兵器科学与技术”“双一流”建设学科和国家级化学化工虚拟仿真实验教学中心，基于国家特种超细粉体工程技术研究中心先进的工程化科研成果，立足于国家最高科技奖得主王泽山院士所从事的火炸药研究领域，根据“新工科”的建设理念，凝练出教学资源，将教学内容与前沿技术有机结合，将“虚拟现实+互联网技术”融入传统实验教学项目中，实现“智能+教育”的新途径，设计具有自主知识产权的高能炸药的超细化虚拟仿真实验项目。项目教学内容具有高度的创新性。

本虚拟仿真实验项目主要包括生产安全学习、实验部分、课程思政教育等三个部分，除了设置与含能材料的超细化过程密切相关的安全原理知识点外，采用3D动画方式对超细化设备内部结构、作用原理进行直观展示，让学生更加清楚的理解和掌握相关的知识点。在高能炸药的超细化虚拟仿真实验中，以培养学生自主分析、决策和参数优化的能力为前提，重点对高能炸药的粒度和性能有重要影响的参数的设置及选择进行了精心的设计，并与结构、形貌及安全性、能量性能相关联，通过与国家特种超细粉体工程技术研究中心多年工程化实验所积累的数据进行对比，引导学生进行深入的分析和思考，培养学生调整和优化参数的实验技能，从而达到提高学生解决复杂工程技术问题的能力。项目教学内容具有较大的挑战性。

此外，通过本仿真项目还让学生了解高能炸药的超细化过程存在危险性，体会和感受王泽山院士、李凤生教授等含能材料领域科学家们“献身国防、坚守初心、勇于超越”的精神，培养学生“家国情怀和社会责任”。项目不仅对学生进行了知识传授和能力提高，还对学生进行了价值引领，达到课程思政的教学目的。

本虚拟仿真实验项目以“新工科”建设理念为导向，以学生为主体，结合特种能源技术与工程专业人才培养目标，采用情景模拟、沉浸式体验与任务驱动的方式，融合参与式教学、启发式教学与创设问题教学的“混合式”的教学方法，引导、激发学生的学习兴趣，调动学生自主学习的积极性。教学方法体现在如下环节：

（1）学生自主学习、收集含能材料性质及超细化的相关知识，自主学习仿真软件，预先了解参数对产物粒度及性能的影响，在学习中遇到问题可以在线与老师沟通，培养学生自主学习能力；

（2）实验的内容来源于真实的工厂生产环境和生产任务，有明确的应用背景，能充分调动学生参与项目的积极性。学生在线完成生产任务的设计、工艺流程的操作、产品性能的检测及最终评价，学习内容具有挑战度，提高学生解决复杂工程问题的能力，培养学生的高阶思维。

本虚拟仿真实验项目从理论知识点考核、工艺参数设计和实验操作三方面综合评分，综合考核学生的理论掌握程度、理论应用能力、实际问题分析能力和实验操作能力，提出了“理论—实验—应用”三位一体的综合评价体系，评价体系设计具有科学性，为特种能源技术与工程专业学生的综合能力培养制定了较好的标准。

实现在线评分，并且秉承评分有记录、评分有分析的理念，对学习、操作、考试过程均有详细客观记录，能够对教学过程的全部数据进行评估、评价。

授课教师可以统计学生在使用虚拟仿真实验系统过程中出现的问题，对出现次数多、有代表性的问题，将其带到课堂或实验现场迸行有针对性地讲解和演示，从而实现实验教学的线上线下相结合、虚拟仿真与实验教学的互相促进。

由于高能炸药具有易燃易爆特性，在研制过程中极易引起爆炸等问题，因此高能炸药的超细化实验无法在实验室进行。本虚拟仿真实验项目的建立，可打破高能炸药的超细化实验对空间、设备、条件和时间的限制，通过人机互动使学生能够在虚拟的“真实”环境中进行实验学习。学生既能生动、形象、直观的进行实景模拟、仿真实验与考核，又可避免安全问题、降低教学成本、缩短时间、减少污染，实现绿色教学、资源共享。同时，本虚拟仿真实验项目又弥补了传统实体实验教学的不足，使得教学情境以三维可视化的形式呈现出来，使学生的自主学习、自主探索、反复训练与教师的引导良好的结合起来，通过学习有利于学生的安全意识的增强、工程能力的培养和操作技能的提高，同时增强“强大国防 繁荣祖国”的使命感，极大地拓宽了传统高能炸药的超细化实验的教学深度。

本虚拟仿真实验既可向高校进行专业教学推广，又可向科研院所和军工企业进行员工培训推广，还能面向社会进行开展兵器行业相关科普教育和爱国教育，极大地拓宽了传统高能炸药的超细化实验的教学覆盖广度。

（本实验教学项目今后5年继续向高校和社会开放服务计划及预计服务人数）

（1）项目持续建设与服务计划：

将不断完善和优化本项目，并持续进行面向兵器和航天等应用领域，进行国家粉体工程中心关于含能材料超细化的教学案例开发和建设，如高能氧化剂粉碎（获国家科技进步一等奖）、硝化棉细断（获国家发明二等奖）等。

（2）面向高校的教学推广应用计划：

本虚拟仿真实验项目已在西南科技大学和沈阳理工大学的“特种能源技术与工程”专业中使用，获得较好的评价。未来五年将扩大共享范围，面向开设兵器类“特种能源技术与工程”专业的北京理工大学、中北大学、安徽理工大学、沈阳工学院等兄弟院校进行推广。

本虚拟仿真实验项目相关知识点和工艺流程还可以用于安全工程、材料学、化学工程与工艺等专业的实验、认知实习等教学，将进一步完善，陆续向东南大学、南京工业大学、中国矿业大学等高校进行持续推广。

（3）面向社会的推广应用计划：

持续加强与兵器375厂、兵器805厂、航天四院42所等军工企业的合作，获取最新生产理念，不断优化本仿真实验项目，同时对军工企业员工进行培训，以达到来源于行业、服务于行业的目的。此外，还可面向社会开展兵器行业相关科普教育和爱国教育。

软件著作权登记情况：☑已登记 未登记

软件名称：高能炸药的超细化虚拟仿真实验软件

是否与项目名称一致：☑是 否

著作权人：南京理工大学

权利范围：全部

登记号：2019SR0875815