虛擬仿真技術(shù)在“熱工基礎(chǔ)及設(shè)備”課程教學(xué)中的應(yīng)用

高增麗

(山東理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

虛擬仿真技術(shù)是信息化發(fā)展的產(chǎn)物，它集聲音、實(shí)驗(yàn)、圖畫一體，打破時(shí)間和空間的限制，是借助計(jì)算機(jī)生成虛擬系統(tǒng)來模仿另一個(gè)真實(shí)物理系統(tǒng)的技術(shù)，該技術(shù)具有沉浸性、直觀性、虛幻性等基本特性[1]。根據(jù)所依賴的硬件條件，虛擬仿真技術(shù)又可分為 PC 端虛擬仿真技術(shù)和具有可穿戴設(shè)備的虛擬現(xiàn)實(shí)( VR)[2-3]技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)通過對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化和多維表達(dá)、智能化分析模型、真實(shí)模擬環(huán)境特性、提供多種交互，手段已日臻完善，并在不同領(lǐng)域得到了不同程度的應(yīng)用，同時(shí)其作為現(xiàn)代信息化教育手段，在教學(xué)中起到了非常重要的作用。

1 “熱工基礎(chǔ)及設(shè)備”建立虛擬仿真平臺(tái)的必要性

1.1 虛擬仿真平臺(tái)對(duì)于課程教學(xué)的必要性

“熱工基礎(chǔ)及設(shè)備”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，教學(xué)內(nèi)容體系包括經(jīng)典基礎(chǔ)理論以及基礎(chǔ)理論的應(yīng)用熱工設(shè)備兩大知識(shí)板塊，所選教材沒有直觀的的熱工設(shè)備相關(guān)內(nèi)容，因此，“熱工基礎(chǔ)及設(shè)備”的課程教學(xué)一直是側(cè)重基礎(chǔ)理論的教學(xué)，而關(guān)于熱工設(shè)備因?yàn)榻滩闹袥]有相關(guān)內(nèi)容，一直處于被忽略的境地，但是對(duì)于知識(shí)的學(xué)習(xí)最終是為了“學(xué)以致用”，教材中熱工設(shè)備內(nèi)容的缺失，使得學(xué)生無法利用所學(xué)的理論知識(shí)解決實(shí)際問題，僅僅是為了應(yīng)對(duì)考試，這與培養(yǎng)應(yīng)用型的人才的初衷是違背的。鑒于高效教育經(jīng)費(fèi)的緊張，高校沒有經(jīng)費(fèi)購置相應(yīng)的設(shè)備用于學(xué)生教學(xué)，而針對(duì)山東理工大學(xué)的材料學(xué)院的材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程-“熱工基礎(chǔ)及設(shè)備”，更不可能購置課程中涉及的熱工設(shè)備，因?yàn)樵撜n程的熱工設(shè)備大多是大型的工業(yè)爐窯，諸如煉鐵高爐、煉鋼轉(zhuǎn)爐、水泥回轉(zhuǎn)窯、陶瓷耐火材料隧道窯、浮法玻璃窯等，基礎(chǔ)理論在這些燒成設(shè)備的應(yīng)用對(duì)于走上工作崗位的學(xué)生經(jīng)常面對(duì)的問題，必須采用必要的信息化教學(xué)手段克服實(shí)際教學(xué)中存在的困難，讓學(xué)生掌握熱工設(shè)備的相關(guān)知識(shí)，虛擬仿真是一種直觀有效的教學(xué)手段。

1.2 虛擬仿真平臺(tái)對(duì)于學(xué)生認(rèn)知、生產(chǎn)實(shí)習(xí)的必要性

在山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的本科生培養(yǎng)方案中，本科生的認(rèn)知、生產(chǎn)實(shí)習(xí)是必要環(huán)節(jié)，而學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知、生產(chǎn)實(shí)習(xí)中在現(xiàn)場見到的也多數(shù)是熱工窯爐。由于參加實(shí)習(xí)的人數(shù)眾多，加長生產(chǎn)的噪音，學(xué)生幾乎聽不到技術(shù)人員的講解，再者由于現(xiàn)場存在高溫設(shè)備，危險(xiǎn)性高，在現(xiàn)場實(shí)習(xí)的時(shí)間短，對(duì)于多數(shù)學(xué)生來說，實(shí)習(xí)成了一種“走過場”，想學(xué)卻學(xué)不到東西。在現(xiàn)場走一圈，所見到的也只是熱工設(shè)備的外部大體框架，至于內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)、空氣是如何流入、燃料如何與空氣混合燃燒、煙氣如何流動(dòng)、大量煙氣余熱如何回收利用等重要的知識(shí)學(xué)生無法從現(xiàn)場的實(shí)習(xí)中獲得。因此，利用虛擬仿真手段，剖開熱工設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用直觀動(dòng)畫形式生動(dòng)再現(xiàn)工業(yè)爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)、氣體流動(dòng)、余熱回收過程，是一種直觀有效的手段。通過虛擬仿真平臺(tái)，學(xué)生在實(shí)習(xí)前可以了解各種工藝過程，然后在實(shí)習(xí)過程中將實(shí)物與虛擬仿真平臺(tái)的內(nèi)容對(duì)應(yīng)起來，從而可以深刻了解各種熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理。

2 熱工基礎(chǔ)及設(shè)備課程教學(xué)虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容

“熱工基礎(chǔ)及設(shè)備”課程中所設(shè)涉及的材料學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)的熱工窯爐，主要包括金屬方向的煉鐵高爐、煉鋼轉(zhuǎn)爐以及非金屬方向的現(xiàn)代水泥回轉(zhuǎn)窯、陶瓷耐火材料燒成隧道窯、浮法玻璃窯。

利用現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)，將煉鐵高爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖開，以動(dòng)畫的形式模擬煉鐵過程中煉鐵原料從頂部進(jìn)入高爐，煤粉與高溫空氣進(jìn)入高爐并開始燃燒放熱提供煉鐵過程煉鐵過程所學(xué)的熱量，煉鐵過程中的高爐煤氣流出高爐，進(jìn)行余熱回收后進(jìn)行下一步處理利用，生動(dòng)向?qū)W生講解高爐煉鐵工藝。煉鋼的工藝同煉鐵不同，煉鋼的是去雜質(zhì)、除碳的過程，熱工設(shè)備采用的是轉(zhuǎn)爐。除了采用虛擬仿真的形式講解煉鐵、煉鋼工藝外，金屬的鑄造成型也是金屬方向課程的重要內(nèi)容，具體的澆注過程采用動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)出來。

對(duì)于材料學(xué)院無機(jī)非金屬方向的學(xué)生，硅酸鹽工業(yè)產(chǎn)品的燒成工藝是重要的內(nèi)容，現(xiàn)代水泥生產(chǎn)的完整工藝設(shè)備包括與分解窯、回轉(zhuǎn)窯、懸浮預(yù)熱器、篦式冷卻機(jī)，通過虛擬仿真手段向?qū)W生講解回轉(zhuǎn)窯輸運(yùn)、燒成原理、懸浮預(yù)熱器的熱回收與除塵原理。陶瓷與耐火材料的燒成設(shè)備都采用隧道窯，窯內(nèi)物料的碼放原理，氣體在窯內(nèi)的流動(dòng)加熱，煙氣對(duì)物料的余熱都可以通過虛擬仿真的形式呈現(xiàn)出來。浮法玻璃生產(chǎn)工藝是硅酸鹽窯爐中自動(dòng)化程度較高的熱工設(shè)備，其獨(dú)特的高溫?zé)煔獾臒犸L(fēng)爐余熱回收過程可以通過虛擬仿真再現(xiàn)出來。

3 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用在熱工基礎(chǔ)及設(shè)備的課程教學(xué)中，解決了本門課由于教材中熱工設(shè)備內(nèi)容的缺失所帶來的對(duì)熱工設(shè)備內(nèi)容講解長期忽略的問題，采用虛擬仿真的形式呈現(xiàn)熱工設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，余熱回收的原理與過程，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能增強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)的理解運(yùn)用能力。