虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺在冶金機(jī)械專業(yè)教學(xué)中的探索與實(shí)踐

楊霞 馬立峰 朱艷春 劉光明 姬亞鋒 李華英

［摘 要］高等學(xué)校開展虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)活動是高等教育網(wǎng)絡(luò)化、信息化、虛擬化、共享化發(fā)展的重要內(nèi)容。針對冶金機(jī)械專業(yè)課程涉及面廣、實(shí)踐性強(qiáng)并與鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)關(guān)系密切等特點(diǎn)，太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院建設(shè)了冶金機(jī)械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺。該平臺作為冶金機(jī)械專業(yè)課堂教學(xué)和實(shí)習(xí)實(shí)踐等教學(xué)環(huán)節(jié)的有效補(bǔ)充，極大地培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，已成為解決冶金機(jī)械專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境不足等問題的有效途徑。

［關(guān)鍵詞］虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)；冶金機(jī)械；教學(xué)研討

［中圖分類號］G642［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）08-0049-04

當(dāng)前，在工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科建設(shè)背景下，為了加速工程科技人才的培養(yǎng)，工科專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)顯得尤為重要[1-3]。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)是應(yīng)運(yùn)而生的一種新興實(shí)踐教學(xué)模式，它借助計算機(jī)仿真、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)和人機(jī)交互等先進(jìn)技術(shù)手段，能夠使學(xué)生通過高度仿真的實(shí)訓(xùn)對象和實(shí)訓(xùn)環(huán)境在線完成實(shí)踐項(xiàng)目[4]。結(jié)合教育部出臺的《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》，堅持以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向，緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對高校人才培養(yǎng)的需求來開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，是學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效途徑[5]。

太原科技大學(xué)（以下簡稱我校）冶金機(jī)械專業(yè)以軋鋼機(jī)械主機(jī)設(shè)計為特色，以培養(yǎng)面向復(fù)雜工程問題的新型工程科技人才為目標(biāo)，專業(yè)課程涉及面廣、實(shí)踐性強(qiáng)，知識體系與鋼鐵企業(yè)密切相關(guān)。由于鋼鐵生產(chǎn)工業(yè)的特殊性，目前鋼鐵企業(yè)的現(xiàn)場實(shí)踐環(huán)節(jié)和學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境均無法完全滿足冶金機(jī)械專業(yè)學(xué)生綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)的需求[6-7]。為使學(xué)生對軋鋼生產(chǎn)全流程具備清晰的認(rèn)知，并將所學(xué)的專業(yè)理論知識與生產(chǎn)實(shí)際融會貫通以形成系統(tǒng)的理解，必須借助虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺中的各類多媒體素材，生動再現(xiàn)軋鋼生產(chǎn)的工藝流程、設(shè)備構(gòu)成及工作原理，并輔以大量翔實(shí)的課件資源把相關(guān)知識點(diǎn)串聯(lián)，進(jìn)行可視化呈現(xiàn)、形象化講解，以此調(diào)動學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐活動的積極性和主動性。此外，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺還可以作為課堂教學(xué)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)的有效補(bǔ)充，使學(xué)生對軋鋼生產(chǎn)過程進(jìn)行深入理解。因此，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)已成為解決高等學(xué)校實(shí)踐教學(xué)中工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境不足問題的有效途徑[8]。我校機(jī)械工程學(xué)院委托北京金恒博遠(yuǎn)科技股份有限公司開發(fā)了冶金機(jī)械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺，采用計算機(jī)仿真﹑多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)通信、人機(jī)交互和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，集軋鋼生產(chǎn)工藝過程的先進(jìn)技術(shù)與理論成果、軋制過程控制技術(shù)于一體，構(gòu)建了高度虛擬的仿真實(shí)訓(xùn)對象和實(shí)訓(xùn)環(huán)境。該平臺在教學(xué)中的使用，降低了冶金機(jī)械專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的安全風(fēng)險和成本，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)過程的實(shí)時化、虛擬化、智能化，以及人才培養(yǎng)、模擬競賽、科學(xué)研究和社會服務(wù)四方面的實(shí)踐教學(xué)功能。

一、傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)存在的弊端和不足

（一）教學(xué)設(shè)備單一落后

我校冶金機(jī)械專業(yè)依托山西省冶金設(shè)備設(shè)計理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了專業(yè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，但受實(shí)驗(yàn)室場地和條件的限制，四輥軋機(jī)、加熱爐、剪切機(jī)、十五輥矯直機(jī)等實(shí)驗(yàn)設(shè)備在本科教學(xué)過程中只能實(shí)現(xiàn)單一設(shè)備的運(yùn)行演示和結(jié)構(gòu)講解。并且，不能展示板帶熱連軋、冷連軋等重要生產(chǎn)工藝的實(shí)驗(yàn)過程，既無法加深學(xué)生對連軋生產(chǎn)工藝流程、工藝參數(shù)等重要知識點(diǎn)的理解和掌握，也難以實(shí)現(xiàn)學(xué)生對生產(chǎn)全流程工藝進(jìn)行全面的了解。

（二）教學(xué)環(huán)境存在安全隱患

傳統(tǒng)的冶金機(jī)械專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備大、載荷重、工作條件復(fù)雜、操作規(guī)程煩瑣、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境惡劣。尤其是在熱軋鋼板、軋機(jī)拆裝時，現(xiàn)場可能會出現(xiàn)高溫燙傷、重物墜落等安全隱患。在企業(yè)實(shí)習(xí)的過程中，現(xiàn)場設(shè)備龐大復(fù)雜，各個工藝環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合緊湊，為了保障學(xué)生的人身安全，只能讓學(xué)生在企業(yè)安全通道上進(jìn)行走馬觀花式的參觀實(shí)習(xí)。

（三）學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)不足

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式單一、步驟一致，且多以理論驗(yàn)證和生產(chǎn)演示為目的，導(dǎo)致學(xué)生興趣不足、動手積極性不高。受實(shí)驗(yàn)室條件的限制，無法開設(shè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)習(xí)過程也不能很好地與課程內(nèi)容、企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行融合，學(xué)生對知識的理解和掌握、對工程實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足。

二、虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺

（一）教學(xué)理念

我校冶金機(jī)械專業(yè)在專業(yè)課授課的過程中堅持“創(chuàng)設(shè)情境—激發(fā)導(dǎo)入—自主探索—交流構(gòu)建—課堂互動—深化提高—課程總結(jié)—知識升華—工程拓展—能力進(jìn)階”的遞進(jìn)式教學(xué)模式。在相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，遵從“虛實(shí)結(jié)合﹑能實(shí)不虛﹑流程主線﹑交叉擴(kuò)展、層層遞進(jìn)”的教學(xué)理念，努力培養(yǎng)冶金機(jī)械專業(yè)學(xué)生的分析設(shè)計能力、工程實(shí)踐能力和科技創(chuàng)新能力。

（二）教學(xué)模塊

根據(jù)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)理念，將冶金機(jī)械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺劃分為三個主要模塊，包括生產(chǎn)認(rèn)知模塊、仿真操作模塊和實(shí)踐創(chuàng)新模塊，其模塊設(shè)置如圖1所示。

1.生產(chǎn)認(rèn)知模塊

為了使學(xué)生對軋鋼生產(chǎn)設(shè)備形成初步的認(rèn)知，針對熱連軋生產(chǎn)工藝流程和設(shè)備（如圖2所示），冶金機(jī)械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺設(shè)置了生產(chǎn)認(rèn)知模塊。

該模塊采用3D高仿真度技術(shù)，完全模擬軋鋼廠區(qū)原貌，并針對整個軋制生產(chǎn)線中的各個工藝環(huán)節(jié)涉及的設(shè)備（包括步進(jìn)式加熱爐、高壓水除鱗箱、粗軋機(jī)組、飛剪機(jī)組、精軋機(jī)組、層流冷卻機(jī)組、卷取機(jī)組等）配以三維動畫、現(xiàn)場照片和視頻，以全視角展示現(xiàn)場設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)和工藝生產(chǎn)，使學(xué)生更為直觀地認(rèn)識和了解軋鋼設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及熱連軋的生產(chǎn)工藝流程。

2.仿真操作模塊

為了幫助學(xué)生對軋鋼生產(chǎn)全流程建立系統(tǒng)的認(rèn)識，冶金機(jī)械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺的仿真操作模塊以軋鋼生產(chǎn)中的板帶熱連軋生產(chǎn)工藝過程為對象，以某鋼廠1580 mm生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，建立由工藝過程的數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)、設(shè)備仿真操控系統(tǒng)和虛擬場景監(jiān)控系統(tǒng)組成的仿真實(shí)踐工廠。將軋鋼生產(chǎn)工藝流程﹑工藝裝備、設(shè)備操作控制以及自動化控制界面均以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真呈現(xiàn)，通過網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作與虛擬場景的完全互動，真實(shí)地再現(xiàn)了軋鋼生產(chǎn)全過程。學(xué)生可以通過實(shí)際操作，對熱連軋的生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行全流程仿真，從工藝、設(shè)備和控制的角度綜合理解整個熱連軋生產(chǎn)工藝過程，加深對專業(yè)知識的掌握，并通過對模擬仿真過程出現(xiàn)的問題進(jìn)行回顧和反思，以達(dá)到對軋制原理、軋鋼工藝學(xué)、軋鋼機(jī)械設(shè)計等課程知識的深入理解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用、實(shí)踐創(chuàng)新和與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際同步對接的目的，強(qiáng)化學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

3.實(shí)踐創(chuàng)新模塊

為了學(xué)生進(jìn)一步深化對所學(xué)理論知識的掌握，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，冶金機(jī)械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺還設(shè)置了實(shí)踐創(chuàng)新模塊。該模塊包括CVC輥形設(shè)計分析、步進(jìn)式加熱爐工藝模型設(shè)計以及熱連軋軋制規(guī)程設(shè)計三個部分。通過實(shí)踐創(chuàng)新模塊的訓(xùn)練，學(xué)生能夠根據(jù)空載輥縫的凸度調(diào)節(jié)域進(jìn)行曲線調(diào)節(jié)、CVC輥形曲線設(shè)計和輥形曲線分析；根據(jù)不同鋼種、不同尺寸和加熱目標(biāo)對加熱爐各段爐溫進(jìn)行設(shè)計；針對不同鋼種進(jìn)行熱連軋工藝規(guī)程設(shè)計。該模塊還可以為教師和學(xué)生（包括研究生）進(jìn)行科學(xué)研究提供設(shè)計計算數(shù)據(jù)。

三、虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺應(yīng)用效果

（一）虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

在軋鋼機(jī)械設(shè)計和軋鋼工藝學(xué)課程的教學(xué)中，我校將課堂理論教學(xué)過程與虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺結(jié)合，構(gòu)筑了可視化教學(xué)演示平臺，使學(xué)生能夠通過簡單的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，為教學(xué)提供了便利。

在軋鋼機(jī)械設(shè)計課程的課堂教學(xué)過程中，針對相應(yīng)的授課內(nèi)容，結(jié)合認(rèn)知模塊中對應(yīng)的軋鋼機(jī)械設(shè)備如加熱爐、四輥軋機(jī)、飛剪機(jī)、卷取機(jī)等進(jìn)行三維動畫、現(xiàn)場照片和視頻的播放，使學(xué)生對設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理有一個直觀的認(rèn)識。在軋鋼工藝學(xué)課程的課堂教學(xué)過程中，不僅可以結(jié)合仿真操作模塊，使學(xué)生對軋制工藝過程有形象的了解，還可以結(jié)合實(shí)踐創(chuàng)新模塊中熱連軋軋制規(guī)程工藝模型設(shè)計環(huán)節(jié)，使學(xué)生對軋制壓下規(guī)程計算有更為直觀的認(rèn)識和更為精準(zhǔn)的計算。

（二）虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，我校利用虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺開展了課內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、補(bǔ)充生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)、輔助課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計。

1.開展課內(nèi)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

由于我校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境無法全部滿足軋鋼機(jī)械設(shè)計和軋鋼工藝學(xué)課程課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的開設(shè)要求，根據(jù)課程教學(xué)大綱，利用冶金機(jī)械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺的認(rèn)知模塊開設(shè)了熱連軋生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)和四輥軋機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)課程，利用仿真操作模塊和實(shí)踐創(chuàng)新模塊開設(shè)了粗軋機(jī)組仿真操作實(shí)驗(yàn)、加熱爐工藝制度設(shè)計實(shí)驗(yàn)和熱連軋軋制規(guī)程設(shè)計實(shí)驗(yàn)，解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境不足的問題。

2.補(bǔ)充生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)

我校冶金機(jī)械專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)主要與太原鋼鐵集團(tuán)有限公司、中國寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司等鋼鐵企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行，但出于技術(shù)保密和安全因素的考慮，學(xué)生在實(shí)習(xí)過程中不能靠近軋鋼設(shè)備，也無法清楚地看到軋制生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺的仿真操作模塊不但能夠清楚地展現(xiàn)熱連軋生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)，而且虛擬仿真畫面形象逼真、設(shè)備動作準(zhǔn)確，學(xué)生通過實(shí)際仿真操作，能夠增強(qiáng)其對軋鋼生產(chǎn)的感性認(rèn)識和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，從而有效地彌補(bǔ)生產(chǎn)實(shí)習(xí)現(xiàn)場直觀的感受和實(shí)際操作的缺失。

3.輔助課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺能夠輔助學(xué)生更輕松地完成課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計。軋鋼工藝學(xué)的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計都涉及軋制規(guī)程的設(shè)計和計算。學(xué)生可以利用仿真操作模塊中的工藝設(shè)定環(huán)節(jié)、實(shí)踐創(chuàng)新模塊中的熱連軋軋制規(guī)程設(shè)計來對自己的設(shè)計任務(wù)進(jìn)行驗(yàn)算，保證工藝計算的正確性和精確性。此外，認(rèn)知模塊中各個重要軋鋼設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能介紹，為學(xué)生軋鋼機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中軋鋼設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和圖紙的繪制提供了有效資源，增加了學(xué)生對課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計的信心，保證了本專業(yè)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量。

（三）虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺在學(xué)科競賽中的應(yīng)用

為了響應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求，推動復(fù)合型人才培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代工具解決復(fù)雜工程問題的能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，提高學(xué)生對專業(yè)知識學(xué)習(xí)的積極性，我校連續(xù)舉辦了兩屆太原科技大學(xué)“IM”杯模擬煉鋼—軋鋼大賽，冶金機(jī)械、軋制工程和冶金工程三個專業(yè)80%以上的學(xué)生都參加了該項(xiàng)比賽。比賽內(nèi)容包括熱連軋?zhí)摂M仿真操作和知識競答兩部分，兩人一組。學(xué)生通過刻苦訓(xùn)練和認(rèn)真比賽，取得了優(yōu)異成績。校賽成績優(yōu)異的學(xué)生又代表我校參加了中國金屬學(xué)會主辦的全國模擬煉鐵—煉鋼—軋鋼大賽，多次獲得高校組軋鋼單項(xiàng)獎項(xiàng)和優(yōu)秀團(tuán)體獎。

通過參加校級和國家級的模擬軋鋼大賽，不僅培養(yǎng)了冶金機(jī)械專業(yè)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和應(yīng)用現(xiàn)代工具解決復(fù)雜工程問題的能力，還提高了學(xué)生的使命感以及其對本專業(yè)的熱愛度。

四、結(jié)語

冶金機(jī)械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺在冶金機(jī)械專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，不僅有利于在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、降低課程的學(xué)習(xí)難度、促進(jìn)學(xué)生對理論知識的理解、提升學(xué)習(xí)效果，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和應(yīng)用現(xiàn)代工具解決復(fù)雜工程問題的能力，已成為解決冶金機(jī)械專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境不足等問題的有效途徑。同時，隨著5G和AI等科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模擬水平必將逐步接近現(xiàn)實(shí)情況，這為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的復(fù)合型工程科技人才提供助力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我國走上新型工業(yè)化道路、建立創(chuàng)新型國家、提高國家競爭力的目標(biāo)。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1］ 鄭波，何麗華，周超，等.工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下實(shí)踐教學(xué)改革與實(shí)踐：以南華大學(xué)核工程與核技術(shù)專業(yè)為例[J].高教學(xué)刊，2022（20）：88-91.

[2］ 張俊溪，盧娜，梁姣，等.新工科背景下構(gòu)建應(yīng)用型本科高質(zhì)量人才培養(yǎng)體系[J].高教學(xué)刊，2022（21）：21-24.

[3］ 陳良，高瑜.基于新工科和工程教育認(rèn)證理念的智能制造工程新專業(yè)建設(shè)研究[J].教育現(xiàn)代化，2020（21）：59-61.

[4］ 李磊.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性、存在問題及其可持續(xù)發(fā)展機(jī)制[J].湖北開放職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2019，32（7）：151-153.

[5］ 龔海軍，舒吉平，宋鵬，等.虛擬仿真在壓鑄工藝及模具設(shè)計課程中的開發(fā)建設(shè)[J].大學(xué)教育，2022（9）：74-75.

[6］ 張立強(qiáng)，包燕平，王敏，等.仿真實(shí)踐教學(xué)在冶金專業(yè)的應(yīng)用[J].中國冶金教育，2013（6）：45-47.

[7］ 劉光明，任志峰，何奕波，等.冶金類工科專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)探析[J].教育現(xiàn)代化，2020（19）：112-115.

[8］ 高德，陸俊杰，陳根浪，等.基于虛擬仿真的包裝機(jī)械實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)與實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2021（3）：49-52.

［責(zé)任編輯：雷 艷］