虚拟仿真在实验教学中的优化研究

徐其言，冉铭泽

(安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山 243002)

钢铁生产过程中环境复杂，机械设备种类繁多，具有“高危险”性；钢铁生产过程中会排放大量的碳化物、硫化物以及各种有害气体，具有“高污染”性，故不宜将教学课程安排在生产现场，这就使得学生难以深刻了解钢铁生产流程，动手操作能力欠缺[1]。在传统的工厂实习中，学校出于安全性考虑，对在生产现场参与实习的学生规定了多种行为要求，减少学生动手操作的机会，限制了学生对生产流程以及生产技术的认知。

针对以上不足, 相关科研工作者相继提出了具有不同功能的虚拟仿真实验项目。曾冬铭等考虑到火法冶炼、高炉、锅炉等系统普遍具有高温、高能耗的特征，其过程具有危险性，而且无法采用实验室实验的方法获得设备内部的直观信息等问题，采用虚拟仿真技术进行火法炼铜工艺、高炉焙烧过程及热电系统进行仿真实验，不仅可使设备内部的流场、温度场可视化，而且可对过程进行节能设计和计算，从而有效提高教学效果[2]。李义兵等根据冶金工程专业培养应用型人才的要求，建立自治区级示范性冶金工程虚拟仿真教学实验中心，实现学生对工艺流程以及专业知识的全面理解[3]。本文基于钢铁生产及控制目前的实验教学体系，针对钢铁生产及控制物理模拟实验教学过程中涉及高危环境、不可逆的操作、高成本、高消耗等问题，提出了钢铁冶金全流程虚拟仿真系统。

一、虚拟仿真教学内容

安徽工业大学冶金工程学院基于虚拟仿真技术，建设了钢铁冶金全流程仿真实践平台。本项目以钢铁生产过程为对象，建立钢铁生产全流程的软件仿真系统、虚拟场景系统和硬件操控系统组成的钢铁生产全流程实践教学平台，通过建立模型、输入参数、操作控制，全方位地仿真生产场景与生产过程，并进行设计性、综合性实验，形成一个完整的“采矿→炼铁→炼钢→轧钢”生产过程的虚拟仿真实践教学平台。

(一)虚拟仿真教学平台建设内容

本项目建设内容为：烧结、炼铁、炼钢、连铸、轧钢等5个工序的10类工艺的虚拟仿真软件系统，软件系统组成如图1所示，同时包括配套的硬件设备成套供货以及相应的实验室改造工程。

图1 钢铁冶金全流程仿真实训平台软件系统组成

(二)虚拟仿真教学平台软件系统的特点

虚拟仿真平台软件系统具有真实再现生产现场、使用方便的特点。

通过虚拟仿真平台软件系统，可达到操作台形式与现场操作台基本保持一致；监控画面与真实生产现场监控画面相符；采用虚拟场景显示现场设备的运行，设备动作与操作动作相符等目的以及界面操作简单直观；模块化设计，软件能便捷升级；留有开放窗口和相关的数据接口，便于学生创新实践；学生操作过程通过操作记录和历史趋势存储，便于教师查阅；建立局域网，便于维护和管理等目的。

虚拟仿真设计系统平台起点高，软件使用高新仿真技术，涵盖实际现场的新工艺、新设备、新技术，具有先进性；在系统、网络和应用方面具有良好的可扩展性，使之可以灵活适应任何变化与扩充，具有可拓展性；强调学生与系统的互动关系，强化训练学生的主观能动性和创新意识，具有可交互性；软件产品寿命长，运行费用低，具有经济性。

(三)转炉炼钢生产及控制虚拟仿真实验教学项目

2018年安徽工业大学冶金工程学院成功申请了安徽省转炉炼钢生产及控制虚拟仿真实验教学项目，该教学实验项目团队由11人组成，其中高校人员10名，包括教授2名，副教授4名，高级实验师2名，工程师2名；企业人员1名，高级工程师。该教学实验项目面向冶金专业、材料专业且已学习专业基础知识、完成过相关专业课程设计任务的大学二、三年级学生，每学年受益学生人次可达到150以上。

1.实验教学方法。转炉炼钢生产及控制虚拟仿真实验教学项目采用拓展互动式、研究型、团队式教学方法，重点实行基于问题、案例的互动式、研讨式教学，倡导自主式、合作式、探究式学习，通过生生互动、师生互动、团队互动，综合设计、探究未知、解决实际问题等形式来体现。教学过程由讲解说明的进程转变为通过情景创设、问题探究、协商学习、意义建构等以学生为主体的过程；媒体作用也由作为教师讲解的演示工具转变为学生主动学习、协作式探索、意义建构、解决实际问题的认知工具，学生用此来查询资料、搜索信息、进行协作学习和会话交流。软件开发融合工业领域知名专家、教授团队教学成果和经验，集成操控模型、工艺模型，采用人机交互的手段实现操作虚拟化、全流程可视化。由软件、硬件和网络系统组成的虚拟仿真实践教学环境，具有认知学习、实践操作、考核鉴定、设计教学、创新实践以及教学资源管理功能。

2. 实验教学内容。在整个实验流程中，首先由教师示范操作步骤并讲解实验原理，实验原理如图2所示。再由学生亲自动手练习。在练习的过程中，学生按照“生产准备→加废钢和铁水→吹炼参数设定及连锁检查→吹炼操作→枪位调节和流量调节→造渣与加料→副枪测量→地车操作→出钢→合金化→氧枪换枪操作→氮气溅渣→渣车操作及倒渣”的流程完成仿真实训任务。在此期间，学生需要记录每步实验结果，在课后完成实验报告。

仿真实训课程培训提高了学生对于转炉厂区、岗位、工艺、安全、考核及转炉设备的拆装与动画；生产工况、质量及成本判定、异常工况及一键式炼钢模拟仿真；工艺流程设计、设备选型设计、物料平衡、热平衡计算设计及工艺参数优化设计；供氧模型、喷溅模型、造渣模型及合金化模型的认知程度，加深了学生的专业素养，利于应用型人才的培养。

图2 转炉炼钢生产及控制虚拟仿真实验原理

对学生的考核评价，包括理论知识水平考核及操作技能水平鉴定。理论知识考核以电子答题方式考察学生的理论知识掌握情况；操作技能鉴定借助于仿真操作系统，根据学生在该系统上完成预定仿真生产任务的操作情况，评判其技术能力。

二、虚拟仿真教学效果

(一)提高学生综合素质

1.调动积极性。使用虚拟仿真实验操作系统时，学生选择学生角色在系统中登录，系统中包含理论模块和操作模块，以及插件、演示视频和帮助中心等，可以满足学生自己设计实验方案，自己控制实验过程，自主分析实验结果和系统撰写实验报告的要求，学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者，信息所携带的知识不再是教师传授的内容，而是学生主动建构意义的对象(客体)，激发学生学习的主动性和创新性。学生在教师创设的情境、协作与会话等学习环境中充分发挥自身的主动性和积极性，对当前所学的知识进行意义建构并用所学解决实际问题。

2.实习效益最大化。虚拟仿真教学项目以实验教学与炼钢实践无缝对接为切入点，拉近了实验教学与工程实践的距离。学生通过虚拟仿真实验的培训，对各种生产设备、流程以及原理有了全面理解，在实习过程中，结合通过虚拟仿真实验教学所掌握的专业知识，将工厂中所见所闻与课堂内容串联，达到融汇贯通的目的，使其从“走马观花”的浏览者变成亲力亲为的实践者，从而实现效益最大化的目的[4]。

3.满足就业需求。随着钢铁行业迅速发展以及对钢铁工作者自身综合素质要求的不断提高，钢铁企业负责招聘的工作者在引进人才时更加注重学生的实践能力。学生在操作虚拟仿真教学系统时如亲临生产现场，对于操作细节和生产流程都有了详细的认知，实践能力大幅提升，专业素质不断加深，符合当今人才引进趋势。相比于传统冶金教学模式，虚拟仿真实验教学以实验教学内容与炼钢技术更新的着力点，使学生尽早接触前沿内容与先进技术成为现实并具有明显的就业优势：竞争力大、就业选择多、就业范围广、适应能力强、更加符合企业的招聘要求。因此，虚拟仿真技术在教学领域的推广应用，切实满足了学生就业需求。

(二)优化教师教学质量

使用虚拟仿真实验操作系统时，教师选择管理员角色在系统中登录，教师可以及时掌握学生的实践操作情况，及时给予评价和指导，并在课后给予作业布置，增加课上和课后的互动，提高学生参与和创新的激情，在教学中，教师由知识的传授者、灌输者转变为学生主动获取信息的帮助者、促进者。教师通过将虚拟实验和真实实验有机结合，发挥各自优势，可最大限度地发挥实验教学的作用，进而拓展实验教学的深度和广度，凸显虚拟仿真的优势；通过拓展互动式、研究型、团队式的教学方法，推进探究式教学方法的普遍运用，拓展多途径、多方案、设计性的实验方法，凸显学生综合设计与创新思维能力培养的深度和广度，最终提高教学质量和水平。

(三)促进企业合作

随着对虚拟仿真技术的普及，开发虚拟仿真教学内涵迫在眉睫。针对虚拟仿真教学软件内涵少的问题，鼓励仿真软件制作公司与高校、钢铁厂进行联合开发，将仿真软件制作公司的动画制作、软件程序设定与高校教师对于生产原理的理解以及钢铁厂所掌握的具体工艺流程、操作参数结合，从而在完善虚拟仿真教学体系、深化虚拟仿真教学内涵的同时，加强了企业之间的合作[3]。

三、结语

虚拟仿真实验教学项目通过将虚拟实验与现实实验结合，解决了传统冶金教学模式高污染、高风险等问题，达到提升学生综合素质、优化教学质量的目的，进一步推动钢铁行业的发展。

虚拟仿真实验教学平台具有扩展性、兼容性、前瞻性，可实现高效使用实验教学资源，实现校内及更广范围内的实验教学资源共享，满足多专业和多学科的虚拟仿真实验教学的需求，今后3年内陆续向省内高校及各大钢厂开放使用，5年内向全社会开放使用。