浅析冶金工程专业虚拟仿真实验教学平台的构建＊

许美贤，高志强，王晓敏

（太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

课堂学习和实践学习均是大学生学习过程中不可或缺的组成部分，两者相互补充并紧密结合，教导学生由理论过渡到实践，从而完成大学教学环节的全部课程[1-3]。由此可知，设计好课堂同实践之间的教学环节，走好课堂与实践之间的“最后一公里”，才能保证学生将理论知识灵活应用于实践中。

受传统课堂固有的空间有限和教学活动重复性较差等特征的影响，完成课堂学习之后，通常设计不同类型的实习，如认识实习、生产实习和毕业实习等[4-7]，以强化学生对课堂知识的理解和提高学生的动手能力，从而保证学生思维能够从教室顺利转移到实习场所，高质量地完成实践环节的学习课程。然而，实际的教学效果总有不同程度的欠缺。随着虚拟现实和仿真技术为基础的教学软件逐渐走进课堂，虚拟仿真实验教学不仅改变了传统的实验教学模式[8-10]，而且实现了课堂教学到实践教学完美的过渡，从而有力保障了学生走好课堂与实践之间的最后一公里。本文以冶金工程专业的实验教学为例，阐述构建虚拟仿真实验教学平台的目的、构建思路以及平台所能实现的功能，最后评价了目前教学平台中存在的问题，并提出了今后的方向。

1 虚拟仿真实验教学平台构建的目的

就冶金工程专业的教学课程特点而言，开设认识实习、生产实习和毕业实习课程的初衷是为了由浅入深、依次推进教学计划，学生能够基于冶金工程专业所学基本原理和科学方法对冶金理论基础以及复杂工程问题进行研究，如制定冶金工艺流程、金属熔炼实验、分析与解释数据，并通过信息分析得到合理有效的结论[11-12]，然而，实习课程通常开设于不同年度，时间跨度较大，并且，不同实习课程常常安排在不同场所，从事不同的操作，导致课程内容通常相互之间缺乏必然联系，最终使得学生的实践能力无法得到系统且全面的训练，冶金专业实习课程特点如表1 所示。再加上当前新冠疫情的影响，学生的实习课程内容大幅缩减，有的甚至无法开展正常的实习活动。

表1 冶金工程专业实习课程特点

虚拟仿真实验教学可以完成难以真实完成的实验。在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，提供可靠、安全和经济的实验内容[13-14]。虚拟仿真实验教学充分体现了虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，其核心是提高学生实践能力和创新能力[1]。

虚拟仿真实验教学是基于互联网络，融合信息技术、智能技术、虚拟现实技术及大数据技术的全新实验教学形式，解决了传统实验中危险性较大、费用较高、操作性不强、运行难度较大等课堂问题以及学生实习基地不足、内容针对性不强或动手机会过少等实习问题[2-3]。在实验中，构建高度仿真的实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中自我创作，反复练习，或漫游场景，同时老师授课过程中结合图形或动画，显著提高了教学质量，因此虚拟仿真实验教学的新模式不仅有助于学生掌握课程知识点，而且还能够提高学生的创新能力和实践能力。由于在虚拟仿真实验能够完成真实环境中难以完成的教学活动，因此针对冶金工程专业开展虚拟仿真实验教学，将传统的实验和实习课程与虚拟仿真实验有机结合，从而可以消除学生主观预期到客观现实形态之间的差异。根据以上分析可知，构建虚拟仿真实验教学平台，一方面可以帮助学生走好课堂与实践的“最后一公里”，另一方面较好地解决了冶金专业实习课程依赖于环境场所的难题。

2 虚拟仿真实验教学平台构建的思路、原则及其功能

2.1 构建思路

以需求和问题为导向，规划建设仿真实验教学平台，将不同类型的实验资源集中性管理，并对教学活动进行分类管理，详细记录学生的课程学习和参加课外竞赛情况，并不断完善实验平台内容，加强平台管理，使优质教学资源实现开放共享。

2.2 构建的原则

2.2.1 教学活动不受时间空间限制

平台的网络节点属于云端服务器，不仅有独立IP 地址，而且具备传送或接收数据的功能，能够简单高效、安全可靠地提供计算服务，因此在登录平台时，不论学生做实验还是教师后台管理，各个终端均不受时间和空间限制。倘若学生未按计划完成实验，系统可以保存进度，下次即使在其他终端登录，也能够在之前的基础上继续操作，提高了实验效率，保证了教学的连贯性，这一点是在传统实验无法实现的。

2.2.2 方便实验考核和管理

网络虚拟仿真实验教学平台能够自动记录并可以提供实时数据，后台管理教师根据系统提供的数据进行分析处理，制定出相应的考核标准，从而实现了教学效益和管理的最大化，这不仅大大提高教师的工作效率，也能让学生及时了解自己的学习情况，从而提高学生学习的积极性。

2.2.3 能够开设复杂实验

对于一些危险的破环性实验，在实体实验室是无法完成的，几乎只能进行理论知识讲授，而虚拟平台却能够较好地解决这类问题，这一点也能够看出构建虚拟仿真实验教学平台的重要性。学生在虚拟场景中模拟实验或观看场景，不用考虑设备、材料不足、实验经费等问题，更不用顾忌安全问题。通过虚拟仿真实验，学生可以积累丰富的实践经验，这样不论是认知水平还是动手能力，均为之后的实践学习奠定了良好的基础。

2.3 实现的功能

就“钢铁生产全流程虚拟仿真实验”而言，在软件中炼钢操作包括冶炼开始、装入废钢、装入铁水、吹氧冶炼、加料造渣、出钢、溅渣护炉、出渣和冶炼结束等。转炉系统界面包含装料系统、吹拣系统、出钢系统、除尘系统和汽化冷却系统等。该虚拟仿真测试实验教学基于逻辑严密的操控仿真模型、工艺模型和数学模型，可实现钢铁生产全流程的模拟生产操控，高度仿真生产环境，结果趋势与真实操控高度一致，并且设计有同步3D 虚拟场景，学生沉浸于冶炼场景中，可以自由设计流程和模拟操作，最后软件可以将各环节的运行状态及钢铁成分等数据详细呈现出来，供学生分析判别，从而提高了学生对知识探索的兴趣。

3 虚拟仿真实验教学的发展方向

在今后的发展中，虚拟仿真实验教学将以国家级虚拟仿真实验教学中心、国家和省级虚拟仿真实验教学项目以及教育部产学合作协同育人项目为契机，开展虚拟仿真实验教学研究，丰富虚拟仿真实验教学资源，尤其是开发地方经济急需专业的教学资源，同时，重点支持中西部地区发展具有地方特色和自身优势专业所需的教学资源，促进优质教学资源在全国范围内均衡发展；不断完善虚拟仿真实验教学考核体系，加强虚拟仿真实验教学队伍建设，强化虚拟仿真实验教学中心管理，将平台建设成为具有地方特色、能发挥区域性示范作用的虚拟仿真实验教学中心，有力推进虚拟仿真实验教学改革，做好课堂学习到实践学习的衔接，使整个教学环节浑然一体，从而促使学生理论联系实际，强化自身的创新能力和实践能力。

4 结语

构建虚拟仿真实验教学平台，在冶金工程专业开展虚拟仿真实验教学，可以为走好课堂学习和实践学习之间的“最后一公里”保驾护航；做好虚拟仿真实验课程建设，促使课堂与实践有机联系，打通高校教育中的“最后一公里”，对实现理论联系实际有重要作用。近10 年来，中国的虚拟仿真实验教学快速发展，冶金工程专业的教学资源种类齐全、内容丰富，然而，高校对专业软件的多样化需求和教学资源的发展不平衡，导致虚拟仿真实验教学改革落后于学科的发展水平。在今后的发展中，结合高校自身专业优势和学科发展需要，不断完善虚拟仿真实验教学管理制度，重视虚拟仿真管理人员培养，提高虚拟仿真实验教学质量，将虚拟仿真实验教学同传统的实验教学有机结合，这对培养学生的创新能力和实践能力有重要意义。