水泥生產(chǎn)熱工系統(tǒng)物質(zhì)流/能量流測試虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王亞麗 崔素萍 龔先政 李小青

摘要 文章針對自動化、智能化的水泥生產(chǎn)流程限制現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀，通過模擬水泥工廠的真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境，輔以動畫、虛擬場景、高清視頻等多種表現(xiàn)形式，使學(xué)生在虛擬生產(chǎn)環(huán)境下對水泥生產(chǎn)溫度、壓力、表面散熱、煙氣成分、粉塵含量進(jìn)行模擬、計(jì)算，深入了解水泥生產(chǎn)過程的物質(zhì)流/能量流轉(zhuǎn)換，熟知水泥生產(chǎn)流程中熱工參數(shù)的測試分析手段和節(jié)能措施及效果評價等知識原理，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對材料流程專業(yè)知識的認(rèn)知度，增強(qiáng)科學(xué)研究問題的能力。

關(guān)鍵詞 水泥生產(chǎn)；物質(zhì)流/能量流；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.019

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化工程的主要教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生進(jìn)行探索式的獨(dú)立實(shí)踐、協(xié)作式學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性實(shí)踐活動提供先進(jìn)的技術(shù)手段[1-3]。教育部下發(fā)了《教育部辦公廳關(guān)于2017―2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4號）和《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》（教高函〔2018〕5號）。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是采用虛擬仿真、人機(jī)交互、數(shù)字化、智能化技術(shù)等手段，根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求設(shè)計(jì)出用于輔助教學(xué)的虛擬場景、虛擬環(huán)境、虛擬儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)線路或回路、實(shí)驗(yàn)器件及構(gòu)件庫、演示和判別理論、實(shí)驗(yàn)過程及標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)符合教學(xué)目標(biāo)的情境問題，調(diào)動學(xué)生積極性參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主動總結(jié)和驗(yàn)證結(jié)果[4-5]。

材料綠色制造業(yè)高速發(fā)展，自動化、智能化的生產(chǎn)流程限制了現(xiàn)場教學(xué)，學(xué)生即使到生產(chǎn)一線也只能走馬觀花，或者在全自動中控室面對跳動的數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行材料生產(chǎn)過程關(guān)鍵工藝參數(shù)的采集與分析，實(shí)訓(xùn)效果受到影響。同時水泥生產(chǎn)現(xiàn)場高溫、高塵、高風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境，學(xué)生安全無法保障，現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)也易引起實(shí)際生產(chǎn)的工藝參數(shù)波動，但是實(shí)驗(yàn)室的純理論教授無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，因此有必要將實(shí)踐教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)高度融合，從而提高學(xué)生對材料流程專業(yè)知識的認(rèn)知度。

1虛擬仿真教學(xué)的必要性及實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

水泥工業(yè)流程的各作業(yè)工序間相互獨(dú)立又互成反饋，是一個系統(tǒng)工程，不具備現(xiàn)場教學(xué)條件，并且涉及高?；驑O端環(huán)境，無法與實(shí)際工程結(jié)合，學(xué)生不能上手操作，不能理解工藝參數(shù)變化對產(chǎn)品的影響，而純理論教學(xué)往往效果不理想[1]。實(shí)驗(yàn)的必要性如下：

第一，專業(yè)人才需求與實(shí)踐教學(xué)平臺無法滿足工程訓(xùn)練的矛盾?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)對于材料專業(yè)的工程實(shí)踐教學(xué)體系提出了更高的要求，現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)平臺無法與實(shí)際工程結(jié)合，實(shí)踐課程無法滿足學(xué)生進(jìn)行貼近工程實(shí)際的訓(xùn)練，特別是水泥生產(chǎn)過程中物質(zhì)與熱能轉(zhuǎn)換、測試手段和節(jié)能措施等知識的實(shí)踐更是無法實(shí)現(xiàn)。

第二，水泥流程工業(yè)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行無法滿足學(xué)生對不同復(fù)雜工程場景的體驗(yàn)，無法進(jìn)行材料生產(chǎn)過程關(guān)鍵工藝參數(shù)的采集與分析，實(shí)訓(xùn)效果受到影響，同時現(xiàn)場實(shí)踐教學(xué)易引起實(shí)際生產(chǎn)的工藝參數(shù)波動，實(shí)驗(yàn)室的純理論教授無法滿足學(xué)生親身實(shí)踐的需求，學(xué)習(xí)激情不高。

水泥生產(chǎn)熱工系統(tǒng)物質(zhì)流/能量流測試虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目以水泥企業(yè)生產(chǎn)線的水泥窯高溫?zé)岱磻?yīng)系統(tǒng)為對象，進(jìn)行熱工性能參數(shù)測試與計(jì)算分析的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)。設(shè)立溫度、壓力、表面散熱、煙氣成分、煙塵采樣收集、熱工參數(shù)計(jì)算與環(huán)境影響分析等水泥制造過程熱工物質(zhì)流、能量流等熱工性能參數(shù)性能測試與平衡計(jì)算的虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在虛擬的生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行水泥生產(chǎn)熱工系統(tǒng)物質(zhì)流/能量流測試與計(jì)算實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、提出、解決問題的綜合能力與素質(zhì)。虛擬仿真教學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)如下：①模擬水泥工廠的真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境，進(jìn)行水泥生產(chǎn)流程、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)仿真和工藝控制仿真，輔以動畫、虛擬場景、高清視頻等多種表現(xiàn)形式，提高學(xué)生對材料流程專業(yè)知識的認(rèn)知度。②通過虛擬環(huán)境下的水泥生產(chǎn)線關(guān)鍵熱工參數(shù)的溫度、壓力、表面散熱、煙氣成分、粉塵含量的測試、數(shù)據(jù)獲取、計(jì)算等過程，掌握水泥生產(chǎn)熱工性能測試，增強(qiáng)理論課的實(shí)踐效果。③培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合材料生產(chǎn)實(shí)際場景計(jì)算分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，針對水泥制備過程中復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)與熱能量轉(zhuǎn)化工程實(shí)踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成提升了學(xué)生運(yùn)用深厚的材料學(xué)科基礎(chǔ)知識解決具體工程問題的能力，有助于學(xué)生畢業(yè)后在材料科技型企業(yè)（研究、設(shè)計(jì)院）、生產(chǎn)型企業(yè)、咨詢服務(wù)型企業(yè)等從事新產(chǎn)品研究、技術(shù)開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、技術(shù)改造、工程應(yīng)用等方面的工作奠定相應(yīng)的基礎(chǔ)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)打造跨學(xué)科、高水平具有資源節(jié)約和環(huán)境友好特色的實(shí)踐教學(xué)體系，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、科研創(chuàng)新能力，培養(yǎng)具有較高實(shí)踐能力、工程基礎(chǔ)、較強(qiáng)專業(yè)知識背景的創(chuàng)新人才。

2虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)思路

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M自動化、智能化水泥工廠的真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境，創(chuàng)建了虛擬環(huán)境下的水泥生產(chǎn)工藝認(rèn)知、溫度、壓力、氣體成分、煙塵采樣、表面散熱、熱工計(jì)算及性能分析7個實(shí)驗(yàn)?zāi)K。學(xué)生在虛擬場景中操作，如同親臨實(shí)境，感受互動。關(guān)鍵熱工參數(shù)測量完成后，分析水泥制備過程中復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)與熱能量轉(zhuǎn)化工程實(shí)踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響[2]。

模塊一水泥生產(chǎn)工藝認(rèn)知，按生產(chǎn)流程順序，虛擬仿真從原料進(jìn)廠至成品出廠的全部生產(chǎn)過程、主要設(shè)備和物料、氣體流向，讓學(xué)生多次重復(fù)親歷實(shí)際水泥生產(chǎn)工藝流程，分析水泥生產(chǎn)設(shè)備、物料流、能量流及工藝的相互關(guān)系，用相關(guān)科學(xué)原理識別和判斷材料制備各類工藝參數(shù)相互影響的復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

模塊二至模塊六的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生針對材料生產(chǎn)實(shí)踐中組成―工藝―性能―環(huán)境影響之間相互矛盾與沖突問題，完成水泥生產(chǎn)線關(guān)鍵熱工參數(shù)測試的方案設(shè)計(jì)，能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)臏y試手段對不同參數(shù)的測試設(shè)備選擇、環(huán)境影響評估等問題進(jìn)行分析和計(jì)算。仿真實(shí)驗(yàn)中所用的儀器設(shè)備均按1∶1的比例模擬真實(shí)環(huán)境中的熱工參數(shù)測試設(shè)備。無論是選擇電腦單機(jī)運(yùn)行還是多個終端并行訪問該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，均可自由操控仿真儀器，突破了實(shí)體實(shí)驗(yàn)時設(shè)備不足、不能滿足每位學(xué)生逐一親身實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)周期長的教學(xué)瓶頸。

通過模塊七熱工計(jì)算及性能分析的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系、產(chǎn)業(yè)政策，合理評價復(fù)雜工程問題的專業(yè)實(shí)踐對環(huán)境和社會可持續(xù)發(fā)展的影響，學(xué)生熟悉材料熱工測試過程中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、安全、衛(wèi)生、環(huán)境等法律法規(guī)。

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

水泥生產(chǎn)熱工系統(tǒng)物質(zhì)流/能量流測試與計(jì)算虛擬仿真形成了線上線下相結(jié)合的全過程多場景教學(xué)模式，包含設(shè)備選擇、測試部位點(diǎn)選、測試方法比較、測試過程、數(shù)據(jù)采集級計(jì)算分析的全過程，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生知識體系的完整性。在仿真平臺上，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一共設(shè)置了“認(rèn)知學(xué)習(xí)”“操作練習(xí)”“實(shí)驗(yàn)考核”三個模塊系統(tǒng)。各系統(tǒng)的功能如下：

認(rèn)知學(xué)習(xí)系統(tǒng)：點(diǎn)擊“背景知識”，了解實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)前要求學(xué)生在課前先進(jìn)行預(yù)習(xí)，學(xué)生考核合格后方可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)擊“測量設(shè)備”，了解常用測試設(shè)備原理及應(yīng)用，可依次點(diǎn)擊設(shè)備進(jìn)行切換查看。點(diǎn)擊“生產(chǎn)線認(rèn)知”，了解水泥生產(chǎn)線物質(zhì)和能量流動路徑及測量點(diǎn)位情況[3]。

操作練習(xí)系統(tǒng)：進(jìn)入“操作練習(xí)”模塊，點(diǎn)擊“任務(wù)列表”，選擇“溫度測量”“壓力測量”“氣體成分測量”“煙塵采樣分析”“表面散熱測量”“熱工分析”進(jìn)行水泥生產(chǎn)熱工系統(tǒng)關(guān)鍵工藝參數(shù)測量，記錄測量數(shù)據(jù)。練習(xí)系統(tǒng)設(shè)置提示幫助模塊，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。

操作考核系統(tǒng)：進(jìn)入“操作考核”模塊，操作考核模塊無操作提示，學(xué)生獨(dú)立完成水泥生產(chǎn)熱工性能測試與計(jì)算虛擬仿真的全流程仿真實(shí)驗(yàn)，提交全過程的測量數(shù)據(jù)。考核模式下在關(guān)鍵知識點(diǎn)處設(shè)置考核題，點(diǎn)擊“提交”后，評判出分?jǐn)?shù)并記錄考核題得分。實(shí)驗(yàn)完成在線提交虛擬仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、結(jié)果分析和結(jié)論，提交教師評閱。

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置3個課時的教學(xué)內(nèi)容。

第一課時：教師布置水泥生產(chǎn)線物質(zhì)和能量流動路徑基礎(chǔ)知識的預(yù)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提前認(rèn)知熱工系統(tǒng)測量設(shè)備，結(jié)合理論課內(nèi)容初步掌握熱工系統(tǒng)測量實(shí)驗(yàn)方法。學(xué)生在規(guī)定時間登錄仿真平臺預(yù)習(xí)，教師評閱學(xué)生預(yù)習(xí)情況，合格后解鎖進(jìn)入后面的環(huán)節(jié)，不合格的給予反饋，要求再次復(fù)習(xí)直至合格。

第二課時：學(xué)生學(xué)習(xí)仿真實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行關(guān)鍵熱工參數(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)，分別完成溫度、壓力、表面散熱、煙氣成分、粉塵含量的操作測試過程。

第三課時：關(guān)鍵熱工參數(shù)測量完成后，根據(jù)采集的熱工參數(shù)，計(jì)算水泥制備過程中復(fù)雜的物質(zhì)流、能量流變化，分析生產(chǎn)過程對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。所有環(huán)節(jié)完成之后，學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并在線提交給任課教師，由教師進(jìn)行考核評估，系統(tǒng)給出總評成績。

實(shí)驗(yàn)具備完善的評價標(biāo)準(zhǔn)，能實(shí)現(xiàn)客觀、公正的評價。考核模式包含操作考核、參數(shù)選擇考核、考核題等部分，考核得分由這三部分得分綜合判定。操作考核模塊無操作提示，學(xué)生自主完成整個實(shí)驗(yàn)操作過程。參數(shù)選擇考核，考核模式下，學(xué)生需要根據(jù)已知參數(shù)計(jì)算出需要設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)最終計(jì)算出的熱工數(shù)據(jù)進(jìn)行評分?？己四Ｊ较绿摂M實(shí)驗(yàn)過程中，在關(guān)鍵知識點(diǎn)處設(shè)置考核題，點(diǎn)擊“提交”后，評判出分?jǐn)?shù)并記錄在考核題得分。

該教學(xué)方式創(chuàng)建了創(chuàng)新融合數(shù)字技術(shù)的全流程多場景水泥熱工測試系統(tǒng)實(shí)踐平臺，推動大數(shù)據(jù)、虛擬仿真技術(shù)在核心課程學(xué)習(xí)過程中的應(yīng)用。

4仿真實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果

本仿真實(shí)驗(yàn)已面向北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)、資源循環(huán)科學(xué)與工程專業(yè)三年級學(xué)生的制造類、環(huán)境評價類課程和工作實(shí)習(xí)開放，累計(jì)服務(wù)的學(xué)生已將近500人次，同時面向社會進(jìn)行培訓(xùn)服務(wù)，服務(wù)社會300余人，為北京市建設(shè)和社會發(fā)展做出貢獻(xiàn)。從長遠(yuǎn)來看，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目借助網(wǎng)絡(luò)平臺下的虛擬仿真技術(shù)，為傳統(tǒng)專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐提供了一個契機(jī)，極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[4]。虛擬場景下的全流程、多工位動態(tài)仿真，扭轉(zhuǎn)了學(xué)生對材料制造工藝的傳統(tǒng)認(rèn)知，開發(fā)了數(shù)字化技術(shù)融合的材料制造實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用數(shù)字技術(shù)解決工業(yè)流程問題的能力[5]。

實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)際情況，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容廣度和深度、延伸了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時間和空間，從而能夠滿足多階段學(xué)習(xí)、多方式實(shí)踐，使學(xué)生在信息獲取、社會責(zé)任感、創(chuàng)新精神、綜合實(shí)踐、團(tuán)隊(duì)合作能力等多方面都得到提高。

課程還培養(yǎng)了學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)掌握材料生產(chǎn)流程，與能源、資源、環(huán)境了相關(guān)參數(shù)的獲取與數(shù)據(jù)分析技能，樹立綠色發(fā)展信念、擔(dān)當(dāng)綠色發(fā)展責(zé)任。結(jié)合課程講述水泥綠色制造與循環(huán)利用對于緩解資源耗竭、保護(hù)環(huán)境的重要性，闡述我國政府在生態(tài)文明建設(shè)、循環(huán)型社會構(gòu)建方面的頂層政策設(shè)計(jì)及其在材料產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時深入了解國家大政方針，樹立大國意識和文化自信，實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興。

基金項(xiàng)目：教育部新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目（ECL20201901）；北京高等教育本科教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目（201910005002）；北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)課題（ER2022SJB01）。

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