虛擬仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)化研究

徐其言，冉銘澤

(安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

鋼鐵生產(chǎn)過程中環(huán)境復(fù)雜，機(jī)械設(shè)備種類繁多，具有“高危險(xiǎn)”性；鋼鐵生產(chǎn)過程中會排放大量的碳化物、硫化物以及各種有害氣體，具有“高污染”性，故不宜將教學(xué)課程安排在生產(chǎn)現(xiàn)場，這就使得學(xué)生難以深刻了解鋼鐵生產(chǎn)流程，動手操作能力欠缺[1]。在傳統(tǒng)的工廠實(shí)習(xí)中，學(xué)校出于安全性考慮，對在生產(chǎn)現(xiàn)場參與實(shí)習(xí)的學(xué)生規(guī)定了多種行為要求，減少學(xué)生動手操作的機(jī)會，限制了學(xué)生對生產(chǎn)流程以及生產(chǎn)技術(shù)的認(rèn)知。

針對以上不足, 相關(guān)科研工作者相繼提出了具有不同功能的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。曾冬銘等考慮到火法冶煉、高爐、鍋爐等系統(tǒng)普遍具有高溫、高能耗的特征，其過程具有危險(xiǎn)性，而且無法采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的方法獲得設(shè)備內(nèi)部的直觀信息等問題，采用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行火法煉銅工藝、高爐焙燒過程及熱電系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，不僅可使設(shè)備內(nèi)部的流場、溫度場可視化，而且可對過程進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)和計(jì)算，從而有效提高教學(xué)效果[2]。李義兵等根據(jù)冶金工程專業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求，建立自治區(qū)級示范性冶金工程虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對工藝流程以及專業(yè)知識的全面理解[3]。本文基于鋼鐵生產(chǎn)及控制目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，針對鋼鐵生產(chǎn)及控制物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中涉及高危環(huán)境、不可逆的操作、高成本、高消耗等問題，提出了鋼鐵冶金全流程虛擬仿真系統(tǒng)。

一、虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容

安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院基于虛擬仿真技術(shù)，建設(shè)了鋼鐵冶金全流程仿真實(shí)踐平臺。本項(xiàng)目以鋼鐵生產(chǎn)過程為對象，建立鋼鐵生產(chǎn)全流程的軟件仿真系統(tǒng)、虛擬場景系統(tǒng)和硬件操控系統(tǒng)組成的鋼鐵生產(chǎn)全流程實(shí)踐教學(xué)平臺，通過建立模型、輸入?yún)?shù)、操作控制，全方位地仿真生產(chǎn)場景與生產(chǎn)過程，并進(jìn)行設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，形成一個(gè)完整的“采礦→煉鐵→煉鋼→軋鋼”生產(chǎn)過程的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺。

(一)虛擬仿真教學(xué)平臺建設(shè)內(nèi)容

本項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容為：燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等5個(gè)工序的10類工藝的虛擬仿真軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)組成如圖1所示，同時(shí)包括配套的硬件設(shè)備成套供貨以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室改造工程。

圖1 鋼鐵冶金全流程仿真實(shí)訓(xùn)平臺軟件系統(tǒng)組成

(二)虛擬仿真教學(xué)平臺軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)

虛擬仿真平臺軟件系統(tǒng)具有真實(shí)再現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場、使用方便的特點(diǎn)。

通過虛擬仿真平臺軟件系統(tǒng)，可達(dá)到操作臺形式與現(xiàn)場操作臺基本保持一致；監(jiān)控畫面與真實(shí)生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控畫面相符；采用虛擬場景顯示現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行，設(shè)備動作與操作動作相符等目的以及界面操作簡單直觀；模塊化設(shè)計(jì)，軟件能便捷升級；留有開放窗口和相關(guān)的數(shù)據(jù)接口，便于學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐；學(xué)生操作過程通過操作記錄和歷史趨勢存儲，便于教師查閱；建立局域網(wǎng)，便于維護(hù)和管理等目的。

虛擬仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺起點(diǎn)高，軟件使用高新仿真技術(shù)，涵蓋實(shí)際現(xiàn)場的新工藝、新設(shè)備、新技術(shù)，具有先進(jìn)性；在系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用方面具有良好的可擴(kuò)展性，使之可以靈活適應(yīng)任何變化與擴(kuò)充，具有可拓展性；強(qiáng)調(diào)學(xué)生與系統(tǒng)的互動關(guān)系，強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)新意識，具有可交互性；軟件產(chǎn)品壽命長，運(yùn)行費(fèi)用低，具有經(jīng)濟(jì)性。

(三)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)及控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目

2018年安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院成功申請了安徽省轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)及控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，該教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由11人組成，其中高校人員10名，包括教授2名，副教授4名，高級實(shí)驗(yàn)師2名，工程師2名；企業(yè)人員1名，高級工程師。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目面向冶金專業(yè)、材料專業(yè)且已學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)知識、完成過相關(guān)專業(yè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)的大學(xué)二、三年級學(xué)生，每學(xué)年受益學(xué)生人次可達(dá)到150以上。

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)及控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目采用拓展互動式、研究型、團(tuán)隊(duì)式教學(xué)方法，重點(diǎn)實(shí)行基于問題、案例的互動式、研討式教學(xué)，倡導(dǎo)自主式、合作式、探究式學(xué)習(xí)，通過生生互動、師生互動、團(tuán)隊(duì)互動，綜合設(shè)計(jì)、探究未知、解決實(shí)際問題等形式來體現(xiàn)。教學(xué)過程由講解說明的進(jìn)程轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^情景創(chuàng)設(shè)、問題探究、協(xié)商學(xué)習(xí)、意義建構(gòu)等以學(xué)生為主體的過程；媒體作用也由作為教師講解的演示工具轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動學(xué)習(xí)、協(xié)作式探索、意義建構(gòu)、解決實(shí)際問題的認(rèn)知工具，學(xué)生用此來查詢資料、搜索信息、進(jìn)行協(xié)作學(xué)習(xí)和會話交流。軟件開發(fā)融合工業(yè)領(lǐng)域知名專家、教授團(tuán)隊(duì)教學(xué)成果和經(jīng)驗(yàn)，集成操控模型、工藝模型，采用人機(jī)交互的手段實(shí)現(xiàn)操作虛擬化、全流程可視化。由軟件、硬件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，具有認(rèn)知學(xué)習(xí)、實(shí)踐操作、考核鑒定、設(shè)計(jì)教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)踐以及教學(xué)資源管理功能。

2. 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程中，首先由教師示范操作步驟并講解實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。再由學(xué)生親自動手練習(xí)。在練習(xí)的過程中，學(xué)生按照“生產(chǎn)準(zhǔn)備→加廢鋼和鐵水→吹煉參數(shù)設(shè)定及連鎖檢查→吹煉操作→槍位調(diào)節(jié)和流量調(diào)節(jié)→造渣與加料→副槍測量→地車操作→出鋼→合金化→氧槍換槍操作→氮?dú)鉃R渣→渣車操作及倒渣”的流程完成仿真實(shí)訓(xùn)任務(wù)。在此期間，學(xué)生需要記錄每步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在課后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

仿真實(shí)訓(xùn)課程培訓(xùn)提高了學(xué)生對于轉(zhuǎn)爐廠區(qū)、崗位、工藝、安全、考核及轉(zhuǎn)爐設(shè)備的拆裝與動畫；生產(chǎn)工況、質(zhì)量及成本判定、異常工況及一鍵式煉鋼模擬仿真；工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型設(shè)計(jì)、物料平衡、熱平衡計(jì)算設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；供氧模型、噴濺模型、造渣模型及合金化模型的認(rèn)知程度，加深了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

圖2 轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)及控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)原理

對學(xué)生的考核評價(jià)，包括理論知識水平考核及操作技能水平鑒定。理論知識考核以電子答題方式考察學(xué)生的理論知識掌握情況；操作技能鑒定借助于仿真操作系統(tǒng)，根據(jù)學(xué)生在該系統(tǒng)上完成預(yù)定仿真生產(chǎn)任務(wù)的操作情況，評判其技術(shù)能力。

二、虛擬仿真教學(xué)效果

(一)提高學(xué)生綜合素質(zhì)

1.調(diào)動積極性。使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生選擇學(xué)生角色在系統(tǒng)中登錄，系統(tǒng)中包含理論模塊和操作模塊，以及插件、演示視頻和幫助中心等，可以滿足學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自己控制實(shí)驗(yàn)過程，自主分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和系統(tǒng)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求，學(xué)生由外部刺激的被動接受者和知識的灌輸對象轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒓庸さ闹黧w、知識意義的主動建構(gòu)者，信息所攜帶的知識不再是教師傳授的內(nèi)容，而是學(xué)生主動建構(gòu)意義的對象(客體)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新性。學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的情境、協(xié)作與會話等學(xué)習(xí)環(huán)境中充分發(fā)揮自身的主動性和積極性，對當(dāng)前所學(xué)的知識進(jìn)行意義建構(gòu)并用所學(xué)解決實(shí)際問題。

2.實(shí)習(xí)效益最大化。虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目以實(shí)驗(yàn)教學(xué)與煉鋼實(shí)踐無縫對接為切入點(diǎn)，拉近了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)踐的距離。學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的培訓(xùn)，對各種生產(chǎn)設(shè)備、流程以及原理有了全面理解，在實(shí)習(xí)過程中，結(jié)合通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)所掌握的專業(yè)知識，將工廠中所見所聞與課堂內(nèi)容串聯(lián)，達(dá)到融匯貫通的目的，使其從“走馬觀花”的瀏覽者變成親力親為的實(shí)踐者，從而實(shí)現(xiàn)效益最大化的目的[4]。

3.滿足就業(yè)需求。隨著鋼鐵行業(yè)迅速發(fā)展以及對鋼鐵工作者自身綜合素質(zhì)要求的不斷提高，鋼鐵企業(yè)負(fù)責(zé)招聘的工作者在引進(jìn)人才時(shí)更加注重學(xué)生的實(shí)踐能力。學(xué)生在操作虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)時(shí)如親臨生產(chǎn)現(xiàn)場，對于操作細(xì)節(jié)和生產(chǎn)流程都有了詳細(xì)的認(rèn)知，實(shí)踐能力大幅提升，專業(yè)素質(zhì)不斷加深，符合當(dāng)今人才引進(jìn)趨勢。相比于傳統(tǒng)冶金教學(xué)模式，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與煉鋼技術(shù)更新的著力點(diǎn)，使學(xué)生盡早接觸前沿內(nèi)容與先進(jìn)技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)并具有明顯的就業(yè)優(yōu)勢：競爭力大、就業(yè)選擇多、就業(yè)范圍廣、適應(yīng)能力強(qiáng)、更加符合企業(yè)的招聘要求。因此，虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，切實(shí)滿足了學(xué)生就業(yè)需求。

(二)優(yōu)化教師教學(xué)質(zhì)量

使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)時(shí)，教師選擇管理員角色在系統(tǒng)中登錄，教師可以及時(shí)掌握學(xué)生的實(shí)踐操作情況，及時(shí)給予評價(jià)和指導(dǎo)，并在課后給予作業(yè)布置，增加課上和課后的互動，提高學(xué)生參與和創(chuàng)新的激情，在教學(xué)中，教師由知識的傳授者、灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生主動獲取信息的幫助者、促進(jìn)者。教師通過將虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，可最大限度地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用，進(jìn)而拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，凸顯虛擬仿真的優(yōu)勢；通過拓展互動式、研究型、團(tuán)隊(duì)式的教學(xué)方法，推進(jìn)探究式教學(xué)方法的普遍運(yùn)用，拓展多途徑、多方案、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)方法，凸顯學(xué)生綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的深度和廣度，最終提高教學(xué)質(zhì)量和水平。

(三)促進(jìn)企業(yè)合作

隨著對虛擬仿真技術(shù)的普及，開發(fā)虛擬仿真教學(xué)內(nèi)涵迫在眉睫。針對虛擬仿真教學(xué)軟件內(nèi)涵少的問題，鼓勵仿真軟件制作公司與高校、鋼鐵廠進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)，將仿真軟件制作公司的動畫制作、軟件程序設(shè)定與高校教師對于生產(chǎn)原理的理解以及鋼鐵廠所掌握的具體工藝流程、操作參數(shù)結(jié)合，從而在完善虛擬仿真教學(xué)體系、深化虛擬仿真教學(xué)內(nèi)涵的同時(shí)，加強(qiáng)了企業(yè)之間的合作[3]。

三、結(jié)語

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目通過將虛擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)合，解決了傳統(tǒng)冶金教學(xué)模式高污染、高風(fēng)險(xiǎn)等問題，達(dá)到提升學(xué)生綜合素質(zhì)、優(yōu)化教學(xué)質(zhì)量的目的，進(jìn)一步推動鋼鐵行業(yè)的發(fā)展。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺具有擴(kuò)展性、兼容性、前瞻性，可實(shí)現(xiàn)高效使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，滿足多專業(yè)和多學(xué)科的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，今后3年內(nèi)陸續(xù)向省內(nèi)高校及各大鋼廠開放使用，5年內(nèi)向全社會開放使用。