稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的應(yīng)用*

黃金堤，李 靜，李明周，劉付朋

(江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西 贛州 341000)

稀土鐵合金是稀土金屬冶煉的主要產(chǎn)品之一，主要采用高溫熔鹽電解法制備。稀土金屬冶煉屬高溫高強(qiáng)度作業(yè)，長(zhǎng)期面臨著崗位人工稀缺，高水平現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)人員培養(yǎng)困難等問(wèn)題。對(duì)于稀土鐵合金冶煉過(guò)程(1100 ℃高溫環(huán)境)，其存在工藝流程長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)操作難度大、風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。在教學(xué)過(guò)程中，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)操作均為小型高溫熔鹽實(shí)驗(yàn)，安全性較低，存在高溫燙傷、有害氣體吸入等風(fēng)險(xiǎn)，且與真實(shí)生產(chǎn)過(guò)程存在較大差異，因此實(shí)踐操作環(huán)節(jié)較為薄弱，限制了學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐能力不足，難以滿足企業(yè)對(duì)高素質(zhì)技術(shù)人才需求[1]。

虛擬仿真技術(shù)作為我國(guó)信息化戰(zhàn)略在教育領(lǐng)域的重要實(shí)踐內(nèi)容，目前已被應(yīng)用于各大高校的不同專業(yè)的課程教學(xué)中，可對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有效補(bǔ)充[2-4]。為此，本文依托《計(jì)算機(jī)在冶金中應(yīng)用》課程，基于物料守恒、能量守恒、電化學(xué)守恒原理及傳熱學(xué)理論，通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)手段及程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言構(gòu)建稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)可使學(xué)生系統(tǒng)的學(xué)習(xí)稀土鐵合金制備知識(shí)，快速了解稀土鐵合金生產(chǎn)流程；同時(shí)本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠根據(jù)給定的電流、電壓及投料量等工藝參數(shù)通過(guò)機(jī)理模型實(shí)時(shí)變更電解溫度、電解效率及金屬產(chǎn)量等信息，可開(kāi)展稀土鐵合金冶煉虛擬實(shí)訓(xùn)，不僅便于學(xué)生掌握稀土鐵合金冶煉的實(shí)踐操作技能，而且未來(lái)可進(jìn)一步拓展應(yīng)用于冶煉工人的崗前培訓(xùn)，滿足新工科背景下對(duì)冶金領(lǐng)域新型復(fù)合人才培養(yǎng)的需求。

1 稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)背景

“新工科”背景下，實(shí)踐教學(xué)作為提升學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段，一直是新工科人才培養(yǎng)的薄弱環(huán)節(jié)[5]。長(zhǎng)期以來(lái)，冶金領(lǐng)域?qū)儆谝约妓嚍橹鞯男袠I(yè)，對(duì)于本行業(yè)人才的知識(shí)儲(chǔ)備的夯實(shí)程度、知識(shí)體系的全面性、實(shí)踐操作及創(chuàng)新能力均具有較高的要求。尤其是目前“工業(yè)4.0、中國(guó)制造2025”時(shí)代背景下，智能化成為冶金行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要指標(biāo)，迫切需要大量具有較高綜合能力和創(chuàng)新能力的新型復(fù)合人才。實(shí)現(xiàn)冶金工藝智能化控制，需要具有冶金原理、冶金工藝學(xué)、大數(shù)據(jù)與人工智能實(shí)踐及計(jì)算機(jī)程序開(kāi)發(fā)技術(shù)等多學(xué)科背景的專業(yè)人員進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)[6-7]。然而，目前稀土冶金工業(yè)領(lǐng)域智能制造從業(yè)人員供需嚴(yán)重不足。為此，國(guó)內(nèi)各大高校在本科階段開(kāi)展了不同模式的復(fù)合型人才培養(yǎng)，如江西理工大學(xué)2009年開(kāi)辦了軟件工程(冶金工程方向)、上海大學(xué)2020年開(kāi)辦了“冶金工程-信息管理與信息系統(tǒng)”雙學(xué)士學(xué)位項(xiàng)目。這些項(xiàng)目旨在滿足國(guó)家戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)冶金領(lǐng)域復(fù)合型人才的迫切需求。

此外，2020年突如其來(lái)的新冠肺炎席卷全球各地，各大高校往年固有的實(shí)習(xí)安排受到限制，云端實(shí)習(xí)新模式(云實(shí)習(xí))應(yīng)運(yùn)而生。各大高校響應(yīng)教育部充分發(fā)揮“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的作用的要求，啟動(dòng)各類課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)項(xiàng)目，保證學(xué)生的各類教學(xué)實(shí)踐類和實(shí)驗(yàn)類課程在疫情期間“不停學(xué)”[8-9]。

基于上述背景，本文將VR信息技術(shù)與稀土冶煉過(guò)程深度融合構(gòu)建了稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，積極開(kāi)展智慧教育模式的探索與實(shí)踐，切實(shí)推動(dòng)教學(xué)理念與模式、教學(xué)內(nèi)容和方法等的變革創(chuàng)新，充分發(fā)揮教育信息化在高等教育現(xiàn)代化中的支撐引領(lǐng)作用。

2 稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

以學(xué)生需求為中心，與企業(yè)深度融合，融合數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)等技術(shù)手段，依托江西理工大學(xué)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)與硬件基礎(chǔ)設(shè)施，運(yùn)用三維建模軟件和Unity 3D游戲引擎、C#程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。主要內(nèi)容場(chǎng)景以稀土熔鹽電解車間為核心，以blender、CAD等三維軟件完成系統(tǒng)內(nèi)圖像拼合、像素貼圖與視頻貼圖等資源整合，借助Unity 3D游戲引擎中實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，優(yōu)化后輸出實(shí)現(xiàn)稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖1和圖2分別給出了稀土鐵合金虛擬仿真平臺(tái)的登錄界面及工作界面。稀土鐵合金虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括三大模塊：稀土鐵合金冶煉理論知識(shí)庫(kù)模塊、稀土鐵合金熔鹽電解虛擬仿真操作模塊、稀土鐵合金生產(chǎn)質(zhì)量管理評(píng)價(jià)模塊。其中稀土鐵合金冶煉理論知識(shí)庫(kù)模塊包括稀土合金相關(guān)理論、熔鹽電解法制取稀土金屬相關(guān)理論知識(shí)；稀土鐵合金冶煉虛擬仿真操作模塊包括熔鹽電解過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)和合金質(zhì)量檢測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握稀土鐵合金的生產(chǎn)全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)從理論走向?qū)嵺`的過(guò)渡；幾個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，層層遞進(jìn)，從而使學(xué)生全面了解并掌握稀土金屬合金制備過(guò)程。

3 稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)實(shí)踐

3.1 教學(xué)目的

根據(jù)新工科教育的發(fā)展需求和冶金工程特色專業(yè)建設(shè)的要求，結(jié)合江西理工大學(xué)在稀土、鎢等領(lǐng)域的學(xué)科優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化《計(jì)算機(jī)在冶金中應(yīng)用》課程實(shí)踐教學(xué)體系，完善實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。以冶金行業(yè)不斷發(fā)展對(duì)技術(shù)人才在實(shí)踐操作的需求作為課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)置依據(jù)，取代原有走馬觀花的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置，按冶金職業(yè)技能需求來(lái)優(yōu)化和豐富實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容，在進(jìn)一步強(qiáng)化鎢、稀土等優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，拓展稀土鐵合金熔鹽電解過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，從而促進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)開(kāi)發(fā)高技能人才培養(yǎng)。

稀土鐵合金虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的主要包括以下三部分：

(1)基本技能。使學(xué)生掌握稀土熔鹽電解原理、基本概念(電極電位、槽電壓、電化學(xué)當(dāng)量、電流效率)和技術(shù)指標(biāo)；熟悉稀土電解槽結(jié)構(gòu)及部件，了解電解槽的設(shè)計(jì)和應(yīng)用；重點(diǎn)掌握稀土氟化物-氧化物熔鹽體系制備稀土合金原理、電極過(guò)程、工業(yè)實(shí)踐和操作方法。

圖1 稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)登錄界面Fig.1 The login interface of the virtual simulation experiment platform for rare earth ferroalloy smelting

圖2 稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)訓(xùn)界面Fig.2 Training interface of virtual simulation experiment platform for rare earth ferroalloy smelting

(2)能力培養(yǎng)。①借助虛擬仿真技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建逼真的稀土冶煉廠三維布局、設(shè)備連接，工藝流程等生產(chǎn)要素，為學(xué)生提供一個(gè)高仿真度、高交互操作、全程參與式、實(shí)時(shí)反饋、虛擬的典型稀土合金生產(chǎn)過(guò)程，幫助學(xué)生打造生動(dòng)、逼真的稀土鐵合金冶煉虛擬場(chǎng)景，使學(xué)生獲得“親身”體驗(yàn)的感受，讓學(xué)生更直觀了解稀土冶煉過(guò)程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。②借助虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)，提供良好的人機(jī)交互，學(xué)生可以在虛擬仿真平臺(tái)下完成在生產(chǎn)實(shí)際中十分危險(xiǎn)或由于時(shí)空間隔完全不可能的實(shí)驗(yàn)，自行了解錯(cuò)誤的根由及后果，發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的方法，進(jìn)而通過(guò)分析、綜合、比較、歸納、推理等高級(jí)思維技能圍繞假設(shè)進(jìn)行論證，形成發(fā)現(xiàn)式的學(xué)習(xí)風(fēng)格和策略，培養(yǎng)高層次的思維技能，使其具備一定的創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，提高學(xué)生就業(yè)上崗和職業(yè)變化的適應(yīng)能力。

(3)拓展應(yīng)用?？蓪⒃撎摂M仿真平臺(tái)進(jìn)一步拓展應(yīng)用于行冶煉工人的崗前培訓(xùn)，同時(shí)也可以作為一線研發(fā)人員工藝改革的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為生產(chǎn)實(shí)踐提供了有效的開(kāi)放平臺(tái)。

3.2 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

稀土鐵合金虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)屬于《計(jì)算機(jī)在冶金中應(yīng)用》中的實(shí)驗(yàn)課程，由教師在課堂上對(duì)稀土鐵合金冶煉相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)講解后，學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室完成該次實(shí)驗(yàn)課?？己朔绞接衫碚摐y(cè)驗(yàn)考核(30分)、虛擬實(shí)驗(yàn)考核(40分)和實(shí)訓(xùn)報(bào)告考核(30分)三部分組成，成績(jī)采用百分制形式，其中理論測(cè)驗(yàn)、軟件操作評(píng)分由系統(tǒng)自動(dòng)評(píng)價(jià)，實(shí)訓(xùn)報(bào)告由老師進(jìn)行評(píng)價(jià)。虛擬實(shí)驗(yàn)考核中，各場(chǎng)景模塊中設(shè)置了安全教育環(huán)節(jié)、冶煉設(shè)備安裝拼接環(huán)節(jié)、熔化及電解過(guò)程相關(guān)知識(shí)問(wèn)答環(huán)節(jié)。其中安全教育環(huán)節(jié)，若學(xué)生回答錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)將無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，務(wù)必保證學(xué)生樹(shù)立牢固的安全意識(shí)?？己诉^(guò)程中學(xué)生答題或操作錯(cuò)誤，系統(tǒng)將自動(dòng)扣分，并給出學(xué)生該次虛擬實(shí)驗(yàn)的得分。最后結(jié)合實(shí)訓(xùn)報(bào)告成績(jī)，給出最終的成績(jī)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，檢驗(yàn)教學(xué)效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用VR信息技術(shù)手段，融合稀土冶煉過(guò)程涉及到的多學(xué)科知識(shí)，構(gòu)建了稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)對(duì)冶金工程專業(yè)的基礎(chǔ)課程和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)提高了重要支撐，有效地解決了本專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)高成本、設(shè)備種類繁雜、危險(xiǎn)操作不可逆、校內(nèi)外實(shí)訓(xùn)基地受時(shí)間及空間限制無(wú)法完全滿足本科生生產(chǎn)實(shí)習(xí)和大型工程訓(xùn)練等問(wèn)題，從而拓展了實(shí)踐教學(xué)的廣度和深度，培養(yǎng)了學(xué)生工程意識(shí)、實(shí)際操作能力、分析解決問(wèn)題能力、研究設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力，全面提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。