熱能與動力工程專業(yè)本科生實(shí)踐仿真教學(xué)軟件開發(fā)與應(yīng)用

潘妮　陳元元　許學(xué)成

摘 要 研發(fā)了一款適合于熱能與動力工程專業(yè)本科生的實(shí)習(xí)軟件。該軟件對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行的爐窯進(jìn)行虛擬仿真，將爐窯結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵設(shè)備再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了爐窯操作工藝及操作步驟模擬、操作考核等功能。熱能與動力工程專業(yè)本科生在完成認(rèn)識實(shí)習(xí)及“工業(yè)爐窯熱工及構(gòu)造”課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行本軟件的學(xué)習(xí)，理論與實(shí)踐相結(jié)合，既有助于學(xué)生理論知識的鞏固，又體現(xiàn)了本專業(yè)的特色。

關(guān)鍵詞 熱能與動力工程 本科生 實(shí)踐仿真 教學(xué)軟件

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.02.027

0 引言

對于理工科專業(yè)大學(xué)本科生，實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)對其實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，也是高等教育的必要環(huán)節(jié)之一。學(xué)生在校所學(xué)知識以理論為主，比較抽象，通過實(shí)習(xí)能夠使教育回歸實(shí)踐，讓學(xué)生在實(shí)習(xí)中掌握理論知識的運(yùn)用，使知識變活。教育部《全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》也特別強(qiáng)調(diào)要強(qiáng)化實(shí)踐育人環(huán)節(jié)，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和人才培養(yǎng)要求，分類制訂實(shí)踐教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，增加實(shí)踐教學(xué)比重，確保各類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)必要的學(xué)分（學(xué)時）。

校外實(shí)習(xí)基地?fù)碛姓嬲纳a(chǎn)環(huán)境和施工現(xiàn)場，本應(yīng)是學(xué)生規(guī)范專業(yè)技能和素養(yǎng)的理想訓(xùn)練場。然而，“聯(lián)系實(shí)習(xí)單位難”卻成為高校面臨的普遍困境，其主要有兩個原因：第一，高校規(guī)模擴(kuò)大，學(xué)生數(shù)量增加，對實(shí)習(xí)場地和實(shí)習(xí)資源的需求增加，導(dǎo)致大多數(shù)實(shí)習(xí)單位無力接待；第二，企業(yè)擔(dān)心大學(xué)生實(shí)習(xí)影響企業(yè)生產(chǎn)及其利益獲得。企業(yè)經(jīng)營的根本目的是實(shí)現(xiàn)利益最大化，接收學(xué)生實(shí)習(xí)所付出的代價要大于收益，在沒有政策鼓勵和支持的條件下，很少有企業(yè)愿意將資金和精力投入到學(xué)生實(shí)習(xí)工作上。當(dāng)前，高校聯(lián)系實(shí)習(xí)企業(yè)往往憑借教師與企業(yè)的私人關(guān)系，還有一些學(xué)校因企業(yè)經(jīng)營狀況不佳而失去了原來所建的實(shí)習(xí)基地。這表明，當(dāng)前環(huán)境下企業(yè)接收實(shí)習(xí)生的積極性不高和校企關(guān)系松散的現(xiàn)狀，嚴(yán)重影響了高校大學(xué)生實(shí)習(xí)工作的順利開展，且大多達(dá)不到應(yīng)有的實(shí)習(xí)效果。

鑒于以上原因，大學(xué)生實(shí)習(xí)質(zhì)量不能保障，使得中國理工科教育普遍存在的突出問題是工程實(shí)踐能力不足，動手能力較弱，很難適應(yīng)迅速發(fā)展的市場要求和日益激烈的科技競爭需要。以上種種問題要求進(jìn)一步推進(jìn)教學(xué)改革，尤其是加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)和訓(xùn)練，以滿足行業(yè)人才的需要。在此指導(dǎo)思想下，我校熱能與動力工程專業(yè)教師開發(fā)了“本科生實(shí)踐仿真教學(xué)軟件”，以期能夠提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1 軟件的設(shè)計(jì)目的

目前，本專業(yè)的實(shí)習(xí)基地僅有一兩家國有大中型企業(yè)，而且都是以參觀為主，極少動手實(shí)踐，這樣不僅達(dá)不到預(yù)想的效果，還消耗企業(yè)資源。

鑒于以上原因，決定開發(fā)虛擬仿真實(shí)習(xí)場景，通過將本專業(yè)典型爐型和設(shè)備用三維軟件建立實(shí)體模型，結(jié)合3D漫游、動畫演示、模擬控制等方式實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的虛擬再現(xiàn)。該實(shí)習(xí)軟件可以增強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)爐型的認(rèn)識、模擬生產(chǎn)操作、理論考試、操作測試等功能。旨在通過學(xué)生對本仿真軟件系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，在一定程度上與校外參觀實(shí)習(xí)互相彌補(bǔ)，使學(xué)生對專業(yè)技能掌握得更加牢靠。

另外，該實(shí)習(xí)軟件將燃料燃燒、爐內(nèi)氣體流動、爐內(nèi)傳熱傳質(zhì)、工業(yè)爐控制系統(tǒng)等過程有機(jī)地結(jié)合起來，有利于師生針對爐型進(jìn)行爐內(nèi)各動力學(xué)參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)以及控制過程的模擬研究，為爐型結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制優(yōu)化及操作優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 軟件的主要功能

仿真軟件系統(tǒng)主要包括三部分：認(rèn)識實(shí)習(xí)部分、模擬操作部分及考核部分。

軟件主要仿真內(nèi)容包括：（1）以冶金和高溫陶瓷行業(yè)工業(yè)爐窯為主，建立典型爐型的三維模型。以實(shí)際生產(chǎn)過程為指導(dǎo)，編制各爐型操作系統(tǒng)。主要包括：二級網(wǎng)絡(luò)任務(wù)下達(dá)系統(tǒng)、來料工藝設(shè)定系統(tǒng)、上料系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、卸料系統(tǒng)、爐體操作系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、質(zhì)量追蹤系統(tǒng)、爐內(nèi)熱過程模型系統(tǒng)，最終達(dá)到各系統(tǒng)協(xié)同操作、安全連鎖，實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的真實(shí)再現(xiàn)；（2）冶金行業(yè)工業(yè)爐窯系統(tǒng)復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)各類故障。通過收集實(shí)際生產(chǎn)過程中工業(yè)爐窯運(yùn)行系統(tǒng)相關(guān)故障及對應(yīng)的處理方案，形成專用數(shù)據(jù)庫，編制模擬生產(chǎn)過程隨機(jī)故障系統(tǒng)；（3）編制考核系統(tǒng)。定期組織學(xué)生學(xué)習(xí)軟件，聽取學(xué)生意見及建議，并做出相應(yīng)調(diào)整，以獲得最好的實(shí)習(xí)效果。考核系統(tǒng)分為三部分：爐型系統(tǒng)認(rèn)識部分考核、“工業(yè)爐窯熱工及構(gòu)造”課程部分內(nèi)容理論考核、工業(yè)爐窯典型爐型模擬操作考核；（4）編制仿真軟件模塊擴(kuò)展接口。以便于教師日后對新爐型添加或新功能的開發(fā)。

學(xué)校在組織學(xué)生到企業(yè)參觀實(shí)習(xí)時，企業(yè)不會因?yàn)閷W(xué)生實(shí)習(xí)而調(diào)整生產(chǎn)，因此，學(xué)生參觀過程中很有可能看不到工業(yè)爐設(shè)備的動作過程，再加上生產(chǎn)現(xiàn)場噪音較大，即便是有老師講解，也聽不太清。在本仿真軟件的認(rèn)識實(shí)習(xí)部分，首先以工業(yè)爐各系統(tǒng)、各關(guān)鍵設(shè)備實(shí)體照片展現(xiàn)給學(xué)生，并配有文字介紹，可以通過教師講解或自學(xué)的方式了解各系統(tǒng)、各設(shè)備的主要功能及操作要求。其次，以3D模型方式將工業(yè)爐窯全系統(tǒng)展現(xiàn)給學(xué)生，對于關(guān)鍵設(shè)備，軟件中做了關(guān)鍵剖視圖設(shè)計(jì)，教師可結(jié)合爐體及設(shè)備三維實(shí)體模型向?qū)W生講解各部分的組成及功能，彌補(bǔ)實(shí)體照片不能觀察系統(tǒng)及設(shè)備內(nèi)部詳細(xì)構(gòu)造的缺陷。除此之外，軟件中也包含了一些典型爐型實(shí)際生產(chǎn)過程的視頻，同樣，對于現(xiàn)場拍攝不便于直接觀察的爐內(nèi)情形，采用3D模型及動畫方式進(jìn)行展示，學(xué)生可將模擬現(xiàn)場與實(shí)際現(xiàn)場進(jìn)行對比，加強(qiáng)對工業(yè)爐窯系統(tǒng)的認(rèn)識。

學(xué)生在企業(yè)參觀實(shí)習(xí)是絕對不允許動手操作的。首先是因?yàn)閷W(xué)生不了解生產(chǎn)工藝過程，很有可能發(fā)生誤操作，影響企業(yè)正常生產(chǎn)；另外，學(xué)生大都不了解各設(shè)備的操作規(guī)程，出于安全考慮，不允許學(xué)生對設(shè)備動手操作。在認(rèn)識實(shí)習(xí)基礎(chǔ)上，生產(chǎn)模擬部分實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)操作的實(shí)訓(xùn)，人機(jī)交互界面由仿真控制界面和虛擬被控場景兩部分組成。仿真控制界面中的圖形界面、操作手柄圖案、操作按鈕等的邏輯關(guān)系與生產(chǎn)現(xiàn)場保持一致，既有生產(chǎn)總覽界面，又有各子系統(tǒng)分界面，便于學(xué)生分步驟練習(xí)。生產(chǎn)模擬部分主要操作內(nèi)容包括：開爐前各系統(tǒng)（各氣體系統(tǒng)、循環(huán)水、冷卻水系統(tǒng)等）準(zhǔn)備、各安全設(shè)施檢查、上料系統(tǒng)上料過程、物料在爐內(nèi)的運(yùn)動和加熱過程、爐內(nèi)各部分溫度控制、壓力控制、卸料系統(tǒng)卸料過程以及生產(chǎn)過程中各系統(tǒng)間的安全連鎖、相互配合等。教師結(jié)合講解在軟件上進(jìn)行生產(chǎn)過程模擬操作，向?qū)W生介紹各系統(tǒng)及設(shè)備性能、各系統(tǒng)間相互關(guān)系、操作過程注意事項(xiàng)等，并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模擬生產(chǎn)操作。實(shí)際生產(chǎn)過程中，可能由于氣體壓力不足或電壓波動等突發(fā)情況影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，在本仿真軟件中，也將隨機(jī)產(chǎn)生常見的生產(chǎn)故障，鍛煉學(xué)生分析問題解決實(shí)際問題的能力。通過進(jìn)行這一系列的模擬生產(chǎn)現(xiàn)場操作，使學(xué)生非常直觀地學(xué)習(xí)工業(yè)爐的系統(tǒng)組成及生產(chǎn)操作過程。

在仿真軟件的考核部分，設(shè)計(jì)了三種類型的考核內(nèi)容，包括：認(rèn)識學(xué)習(xí)考核、理論考核和操作考核三部分。該軟件可對學(xué)生的操作即時給出評判結(jié)果，計(jì)算機(jī)詳細(xì)記錄學(xué)生在實(shí)訓(xùn)平臺上的所有操作，后臺實(shí)時計(jì)算。操作完成后，系統(tǒng)在基礎(chǔ)知識、操作步驟、資源消耗、產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量等多方面進(jìn)行考核，將操作記錄和操作結(jié)果分類統(tǒng)計(jì)，根據(jù)指標(biāo)評價體系，給出量化考核成績。

3 軟件的應(yīng)用效果

目前，仿真實(shí)習(xí)技術(shù)已成為國際公認(rèn)的高效現(xiàn)代化教學(xué)手段。結(jié)合我校熱能與動力工程專業(yè)特色及學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，我校開發(fā)的“熱能與動力工程專業(yè)本科生實(shí)踐仿真教學(xué)軟件”很好地解決了學(xué)生下廠實(shí)習(xí)難、效果差等問題。為加強(qiáng)仿真軟件實(shí)習(xí)的教學(xué)效果，采用先仿真訓(xùn)練，再下廠實(shí)習(xí)的模式。實(shí)踐表明，對于從未見過現(xiàn)場工業(yè)爐窯生產(chǎn)的學(xué)生而言，到工廠參觀實(shí)習(xí)前進(jìn)行仿真集訓(xùn)是非常有必要的。通過仿真軟件實(shí)習(xí)，學(xué)生已基本了解工業(yè)爐系統(tǒng)之間的聯(lián)動過程以及生產(chǎn)過程中常見的生產(chǎn)故障問題，因此，再到工廠參觀實(shí)習(xí)時，便能更加準(zhǔn)確地了解各設(shè)備功能，也有助于學(xué)生參加工作后更加靈活運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識。

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