《有色金属设计与计算》课程教学中的虚拟仿真技术应用意义探析

周雪娇，陈永利，夏文堂，尹建国，田应甫



《有色金属设计与计算》课程教学中的虚拟仿真技术应用意义探析

周雪娇，陈永利，夏文堂，尹建国，田应甫

摘要：从《有色金属设计与计算》课程教学目标与特点着手，分析了虚拟仿真技术嵌入本课程教学的有效性与重要性。结合我校国家级虚拟仿真实验教学平台，克服本课程传统教学工作原理不直观、工艺流程不具体、操作设备太抽象、实践教学不够强等局限性，显著激发学生学习兴趣与求知欲望，提高学生主动思考与创新能力，有效提升应用型本科人才培养质量。

关键词：虚拟仿真；有色金属设计与计算；教学改革

冶金工程是一个工程性、实践性极强的专业，培养方案明确要求学生具备从事冶金工程及相关领域工程设计和科学研究的能力。我校更是重视“应用型”人才的培养，注重学生工程实践能力和创新能力的提升，要求教学内容紧密结合生产实际［1，2］。《有色金属设计与计算》是冶金工程有色冶金方向专业限选课，其目标就是培养学生运用基础理论和研究方法去分析、解决实际生产问题的能力。但是本课程在传统授课过程中普遍存在工作原理不直观、工艺流程不具体、操作设备太抽象、实践教学不够强等缺陷，导致授课质量不高，难以有效提升学生工程设计能力和创新能力。

虚拟仿真技术通过交互式环境可实现情景复现，对抽象概念具体化［3］，实现冶金工厂3D漫游、工艺流程“无缝”对接、冶炼操作动态模拟、机械设备结构剖析等。《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》也明确提出虚拟仿真教学已成为未来高校信息化建设的主要方向［4］。我校冶金工程一直以来都非常注重虚拟仿真实验教学的建设，2014年获批国家级虚拟仿真实验教学中心，构建了钢铁、有色以及实验3大教学资源体系，着力培养学生的工程实践能力、专业设计能力和科技创新能力。在本课程教学过程中，通过虚拟冶金现场情景、仿真冶金工艺流程、再现冶炼动态操作，可以极大地调动学生的学习热情，发挥其主观能动性，将学习目标与教学主题紧密结合，让学生在虚拟仿真的冶金情景体验中积极主动地提升自我能力。

一、虚拟仿真技术嵌入《有色金属设计与计算》课程教学的优势

《有色金属设计与计算》是有色冶金方向非常重要的专业课程，融冶金工艺、机械设备、CAD制图、信息自动化、经济分析于一体。课程具备以下特点：课程内容涉及多门学科，知识点纵横交错，综合性非常强。学生基础知识若不牢，理解就困难，学习易乏味，降低学习积极主动性；课程与生产实际紧密结合，工程属性强，学生平时实践环节较短，对有色冶金生产过程及设备感性认识不足；有色金属品种繁多，典型金属生产工艺流程在课程中体现不明显，初学该课程，学生难以体会课程中各知识点之间的联系，把握知识的脉络；课程中冶金设备类型繁多，形式多样，结构复杂，难以从感官上理解各种冶炼操作及设备工作原理。因此，必须采取适当的教学手段提升学生的学习热情，激发其自主求知的欲望，才可有效提高本门课程的教学质量。

近几年，随着电化教育的逐步深化，配合冶金教学的虚拟仿真软件不断涌现，将这些虚拟仿真软件应用于《有色金属设计与计算》教学中，可较好解决上述问题。在教学中嵌入虚拟仿真技术，可使枯燥的原理、呆板的流程，封闭的设备变成屏幕上可视化、交互式的场景、动画与操作，极大地提高课程教学效果。

一是运用虚拟仿真技术，教师可以有目的地引入形象生动的典型冶炼场景，使学生“身临其境”，产生视觉、听觉、触觉等多种感知，激发学生学习热情，把认知活动和情感活动结合在一起，有助于学生理解和接受所学知识。

二是针对课程重点、难点，可利用虚拟仿真技术实现导训。引导学生认真观摩虚拟冶金场景、工艺流程、操作设备等，积极思索，关注重点与难点。采用理论讲授与企业情景结合，使学生印象深刻，易于理解并接受，形成较稳固记忆。

三是理论孕于实践。《有色金属设计与计算》讲授的内容多是理论知识，且由于冶金危险性高，学生生产实习时难于动手操作，而仿真技术可以实现课堂即时实践，可有效提高学生工程实践能力和设计能力。

因此，在《有色金属设计与计算》中采用虚拟仿真技术辅助教学，可以提供多功能、交互式的整体教学集成方案，变枯燥的理论教学为多元化、活生生的动态虚拟仿真教学，有效提高学生学习热情，激发学生探索欲望，提升对本课程的理解与接受，强化教学效果，促进专业教学改革与实践。

二、虚拟仿真技术在《有色金属设计与计算》课程教学中的应用

虚拟仿真技术可实现冶金工厂的3D漫游、冶金工艺流程动态仿真、异常工况处理、设备结构剖析及操作仿真等，给学生带来视觉上的冲击与震撼，使其感受到专业课学习的重要性，自觉掌握冶金设计的基本原则与流程。

（一）冶金工厂“搬进”课堂

本课程开设在大四上学期，大三下学期生产实习学生都去过冶金工厂，但对工厂只停留在浅层次的认识，要将工厂由思想转变为最终产物并“运行”起来还缺乏细致的了解。采用虚拟仿真技术，可将纯三维交互界面的冶金工厂“搬进”课堂，通过冶金工厂3D漫游以及仿真认知系统等可高度还原冶金厂的总平面布置、车间配置以及管道设计等。通过虚拟仿真技术，学生可以“身临其境”，置身于虚拟冶金车间之内，从而对这些车间的空间布局、整体认识和理解更形象、深刻而全面。

例如，在介绍冶金工厂车间平面布置原则后，可以让学生进入某特定情景的冶炼厂。通过冶金车间场景的再现，学生可以体会到真实的工作环境，看到冶炼车间的总平面布置、车间配置等，接着让学生找出该车间布置是怎样体现冶金车间平面布置原则的。然后，再让学生结合生产实习实际情况，讨论分析实习车间平面布置特点，找出其未遵循设计原则的弊端与危害，使学生在“找茬”中体会学习的乐趣。通过理论教学、仿真教学与案例教学的有机结合，可以有效提升学生工程意识，激发学生创新思维。

（二）工艺流程“无缝”对接

利用虚拟仿真教学资源，可以让学生在虚拟仿真教学平台上实现冶金工艺流程不同工序的“无缝”对接，将呆板无生命的冶炼流程变成鲜活可视化的生产现场，让学生切身感受到由原料到产品的神奇过程，提高学生自主学习的兴趣。

例如通过虚拟仿真技术实现铜的转炉吹炼与阳极炉精炼的完美衔接。虚拟仿真技术可以展示铜的转炉吹炼与阳极炉精炼现场，然后通过虚拟操作，转炉吹炼可产出一定品位的粗铜，铜含量一般为98.5% ～99.5%，其余为杂质。粗铜再送往阳极炉精炼车间，产出纯度更高的阳极铜。通过冶金工艺流程仿真，可实现不同工序的良好对接，学生在逼真的画面中感受和理解不同工艺流程的技术参数控制与改变对冶炼结果的影响，有助于学生充分了解到冶金工艺流程选择的影响要素，掌握冶金工艺流程设计要点。只是需要注意的是，这种后台模型往往是封闭在系统中，学生常常可以看到冶炼结果，甚至能理解为什么这么变，但对于数值的精准度却把握不够。如果能将这种后台模型“拿出来”，无疑可以加深学生对知识的理解，甚至激发学生的创新思维，这对于提高应用型本科人才培养质量是极为有帮助的。

（三）冶炼操作动态模拟

有色金属冶金专业的实践教学存在工艺复杂、设备封闭、温度高、腐蚀重、污染大等特点，再加上大多数冶金企业回避安全事故，实践周期短，实践教学质量难以保证，以致学生工程实践能力不强、创新意识不够，已成为制约应用型冶金工程本科人才培养质量的瓶颈。借助虚拟仿真教学平台，可将冶金生产现场及设备“搬进”课堂，实现冶炼操作的动态模拟。这种具有虚拟操作的互动功能是虚拟仿真技术最重要也是应用最为广泛的一种功能［5-6］。一般可由控制系统与虚拟场景两部分组成，实现实时操作，并对操作结果进行逼真反馈。

例如，通过上位机操作，可以让被控虚拟场景随着仿真操作联动起来，及时逼真反馈冶炼结果。如铝电解生产仿真实训系统，涵盖了虚拟冶金场景、上位机操作以及冶炼结果显示。通过上位机操作，可实现电解铝冶炼的正常作业，如更换阳极、升降阳极、下料、出铝等冶炼作业的场景画面，学生可以清晰地看到设备的立体框架（甚至是内部结构）、操作情况等，有助于学生对于设备选型与设计的理解与掌握。如果再有后台程序方程控制，那么便可及时显示不同操作条件下电解铝的分子比、电解液温度、铝水平、电解质水平、铝液纯度等相关技术参数，有助于学生掌握冶金衡算、冶炼操作等对冶炼结果、技术经济的影响，提升其应用理论知识解决实际问题的能力。

通过冶炼操作动态模拟，学生可以熟悉有色金属冶金常规作业、冶炼环节操作设备、工艺参数以及技术指标等，弥补学生生产实习过程中“见不到，摸不着，操作不了”的缺憾，提高学生对冶金过程衡算、设备选型与设计、技术经济分析等的理解与掌握，为提高应用型本科人才培养的质量提供有力保障。

三、虚拟仿真技术契入《有色金属设计与计算》课程教学的运用效果

《有色金属设计与计算》是一门与冶金生产现场紧密结合的理论与实践一体化课程，学习难度较大。将虚拟仿真技术嵌入本课程，实现了冶金原理直接呈现、工艺流程“无缝”对接、冶炼操作动态模拟、机械设备结构剖析等，取得了良好的教学效果。

（一）提升了学生上课积极性与参与性

与传统教学相比，植入虚拟仿真教学之后，可以将冶金工厂“搬进”课堂，实现3D设备的结构拆装、冶炼工艺动态仿真等，给学生带来了视、听、触觉等多种感知体验，学生上课积极性明显提高，课堂气氛活跃，学生乐于参与互动，有效改善了该课程往日沉闷的氛围。教师再根据教学目的与任务稍加驱动，学生便可较好掌握学习重点与难点。

（二）激发了学生求知欲望与创新能力

基于虚拟仿真操作，学生可以运用所学理论知识，自由搭建项目，设计并优化出合理的工艺流程，并借助虚拟仿真技术，自己模拟冶炼，在冶炼中分析隐患、发现问题，找出设计工艺的差异及不合理之处。通过虚拟仿真技术的引入，学生更乐于自己去寻找问题、分析问题、解决问题，使创新能力不断提高。近几年，学生参加国际网络炼钢大赛都取得了优异成绩，2015年更是斩获了第九届世界网络炼钢大赛总决赛冠军。

（三）提高了学生工程能力和设计能力

将逻辑严谨的冶金工艺模型移植于冶金仿真操控现场，实现了冶炼操作的动态模拟，强化了本课程的实践教学环节，解决了市场经济条件下学生动手操作难的问题，培养了学生工程实践能力。再结合虚拟仿真软件的设计教学功能，提高学生对设备和工艺相结合的认识，达到了对学生设计创新能力的培养。此外，通过模拟冶炼操作、处理异常工况，学生职业岗位能力得到培养，有助于增强其就业能力。

四、结语

《有色金属设计与计算》是一门综合性很强的课程，不仅要传授学生理论知识，更需要培养学生创新思维以及应用基本知识去解决工程实践问题的能力。随着计算机及电化教育的深入发展，虚拟仿真技术提供了这样一个契机，可以为《有色金属设计与计算》提供冶金工厂的3D漫游与仿真认知系统、冶金工艺流程的良好对接、冶炼操作的动态模拟等，使得一些“见不到，摸不着”的东西变得鲜活而具体，促进了传统教学观念的转变，激发了学生主动学习的兴趣与探知的欲望，有助于培养学生工程实践能力与创新能力，深化《有色金属设计与计算》的教学改革，提高高校本科应用型人才的培养质量。

参考文献：

[1]严欣平，朱光俊，施金良.冶金工程校内实践教学基地建设[J].中国冶金教育，2013（2）.

[2]朱光俊，杨治立，杜长坤.应用型本科院校教师队伍建设研究[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2013（9）.

[3]郭静，刘晓燕，朱学江，等.虚拟仿真教学平台在基础医学教学中的应用[J].南京医科大学学报（社会科学版），2014（6）.

[4]李炎锋，杜修力，纪金豹，等.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学，2014（9）.

[5]冯其红，李晓东，马建民，等.石油勘探开发工业虚拟仿真实验教学中心建设[J].实验技术与管理，2014（9）.

[6]尹立孟，朱光俊，万新，等.钢铁生产虚拟仿真实验教学的建设与思考[J].重庆科技学院学报（社会科学版）,2014（9）.

（编辑：张齐）

基金项目：重庆科技学院教育教学改革研究项目“《有色金属设计与计算》课程改革的研究与实践”（201518）。

收稿日期：2015-11-05

作者简介：周雪娇（1984-），女，硕士，重庆科技学院（重庆401331）冶金与材料工程学院讲师。

中图分类号：G434

文献标识码：A

文章编号：1673-1999（2016）03-0132-03