基于钢铁生产虚拟仿真的工程实践课程建设

吕庆功， 许文婧， 秦 子

（北京科技大学高等工程师学院，北京 100083）

0 引 言

工程实践是工程教育的重要组成部分，是培养解决复杂工程问题能力的重要教学环节［1］。钢铁生产系统作为典型的复杂工程系统［2］，是开展工程实践教学的比较适宜的对象和载体。然而，现代钢铁生产系统具有生产规模大、自动化程度高、生产节奏快等特点［3-5］，学生在企业实习实践时既不能靠近生产线深入了解生产过程和设备结构，也不能通过实际操作来学习工艺原理和生产知识，更不可能对生产控制系统进行设计、编程和调试，使得工程实践教学效果受到局限。钢铁生产全流程虚拟仿真实践教学平台基于我校优势学科资源进行建设，以现代大型钢铁企业的先进生产线为原型，具有良好的工程背景和丰富的虚拟仿真教学资源，配置有认知实践、仿真操作、控制系统设计等功能模块，为开展工程实践课程改革提供了良好条件。本文介绍基于钢铁生产虚拟仿真的工程实践课程的资源特点、课程设计方案和教学实践效果，旨在及时总结经验和提高认识，持续改进工程实践教学质量。

1 钢铁生产虚拟仿真教学资源特点

钢铁生产虚拟仿真教学资源（以下简称“资源”）以现代钢铁企业的代表性生产系统为对象和载体，将虚拟仿真技术与专业技术相结合，针对工程实践教学进行开发，具有丰富的内容和素材、逼真的场景和功能、先进的工艺和技术、便捷的选择和应用等特点。

1.1 丰富的内容和素材

资源覆盖钢铁生产全流程的采矿、烧结、高炉炼铁、转炉、电炉炼钢、炉外精炼、板坯连铸、方坯连铸、中厚板、热轧带钢、冷轧带钢、高速线材等生产系统，内容涉及采矿工程、冶金工程、材料科学与工程、能源与动力工程、机械工程、自动化、环境工程、安全工程等多个优势学科专业。另外，开发建设的自动化虚拟仿真系统更是承载了模式识别、特征检测与自适应控制、快速精确位置控制、多变量和液压伺服控制、多变量系统解耦控制等控制功能和知识点，可以进一步拓展学生在自动化、信息化和智能化方面的工程视野。

1.2 逼真的场景和功能

虚拟仿真教学环境高度模仿企业场景，操作台按工业标准制作，操控界面采用工业级组态软件进行设计，配置有西门子虚拟控制器对仿真对象进行控制，同时设有与操控同步动作的3D虚拟场景。仿真对象数学模型以实际生产系统为原型，结合专业理论、生产数据和经验知识进行开发，确保实践教学的仿真度要求。在功能设置上，学生以参观者的角色对钢铁生产车间进行3D漫游，也可以工艺工程师的角色对生产系统进行工艺计算、数据分析和质量优化，以及以生产工程师的角色进行生产准备、设备操作和产品质量控制，还可以控制工程师的角色针对典型控制环节进行控制参数整定、逻辑控制编程和人机界面设计。图1和图2为以中厚板轧制为例的控制界面和虚拟场景。

图1 虚拟仿真控制界面（中厚板轧制）

1.3 先进的工艺和技术

以现代大型钢铁企业的先进生产线为原型开发仿真系统，确保虚拟仿真资源在工艺、设备、控制和技术参数等方面的先进性。同时，虚拟仿真教学资源涉及诸多钢铁生产先进技术，包括高炉喷煤富氧强化冶炼、铁水预处理、转炉顶底复合吹炼、溅渣护炉、钢水炉外精炼、连续铸钢、连续轧制、控轧控冷、煤气干法除尘等［6-8］。在资源开发中引入最新科研成果，包燕平教授团队的“转炉炼钢教学培训仿真平台的技术集成与创新”和杨荃教授团队的“高性能板带产品在线质量测控装备和关键技术”等10多项科研成果得到应用。

1.4 便捷的选择和应用

教学资源沿着钢铁生产全流程各生产系统进行模块化开发，每个生产系统又按照工序和操作步骤进行模块化分解。在此基础上，按照“基础－综合－创新”递进关系分阶段设置认知实践、仿真操作、控制系统设计等模块，便于师生根据教学需求进行选择。在认知实践模块，电脑界面以生产流程为主线展开不同工序和步骤，而每个工序和步骤中又按照知识点进行分类展开。在仿真操作模块，学生可以自主进行操作练习，也可以选择考核模式由系统根据参数设定、操作顺序、产品指标等进行自动评分。在控制系统设计模块，学生以典型控制环节为对象，基于虚拟场景自主设计控制算法、编写控制程序、设定控制参数，深入学习控制知识、原理和技能。

2 基于钢铁生产虚拟仿真的工程实践课程设计

基于钢铁生产虚拟仿真的工程实践课程按照基础、综合、创新3个阶段进行构建，每个阶段均有相应的课程目标、教学内容和考核方法。其中，每阶段课程目标均采用知识和能力两层次设计，把“解决复杂工程问题能力”纳入高层次培养目标；课程内容按照认知实践、仿真操作、控制系统设计3模块进行设置，循序渐进；考核采用多元化方法，从不同角度测评学习效果。

2.1 “层次化”课程目标

工程实践课程的教学目标不仅要考虑工程知识和专业技能的传递，更要考虑工程实践与创新能力的培养。基于钢铁生产虚拟仿真的工程实践课程按照知识和能力两个层次进行目标设计，其中，第1层次目标主要体现为对复杂生产系统和设备的认知、体验和实践，第2层次目标则主要体现为对复杂工程问题的认知和解决能力的培养。二层次课程目标在基础、综合、创新3个不同教学阶段中具体体现有所不同，见表1。

表1 不同课程阶段的二层次课程目标

2.2 “模块化”教学内容

基于钢铁生产虚拟仿真的工程实践课程内容覆盖钢铁生产全流程，按照“基础－综合－创新”递进关系分阶段设置认知实践、仿真操作和控制系统设计3个教学模块。

（1）认知实践模块。该模块属于基础认知阶段，涵盖12个钢铁生产系统，主要面向认识实习及认知类课程。教学内容包括：①概述钢铁生产全流程，使学生对钢铁联合企业的生产工艺过程有一个总体认识；②学习各个生产系统的产品信息、工艺原理、工艺过程、主要设备结构、检测系统组成等；③基于钢铁生产虚拟仿真操作功能，初步了解和体验生产操作过程；④基于自动化虚拟仿真实践教学系统，了解控制系统的结构、控制系统与生产系统之间的关系，初步认识控制元器件；⑤基础知识型问题研讨。

该模块的教学要点是：①钢铁生产全流程概述要简明扼要，重点阐述钢铁生产全流程中各生产系统的功能及相互关系；②各生产系统工艺概述也要言简意赅，讲述时关注生产线内各工序的基本原理及前后衔接关系，使学生对生产工艺建立系统性认识；③教学过程中要充分利用虚拟仿真教学资源，引导学生以自主实践学习为主，充分发挥学生的主观能动性；④在仿真操作部分，可选择1～2个生产系统进行操作演示，重在使学生对生产操作建立感性认识；⑤注重将大国钢铁、党史国情等思政元素融入实践教学过程，激励学生宏扬工匠精神、坚定专业自信、树立正确三观。

（2）仿真操作模块。该模块属于综合实践阶段，涵盖12个钢铁生产系统，主要面向生产实习及专业实践课程。教学内容包括：①老师演示生产系统的工艺计算、生产准备、生产操作、生产过程分析、产品质量控制及操作要领；②学生自主观看操作引导视频，深化对生产操作的认知和理解；③学生在老师指导下自主练习，深入体会生产操作的逻辑和要点，达到能自主完成生产操作过程；④在仿真操作考核模式下，学生按照老师给定的钢种和工艺条件自主完成生产操作，系统根据操作过程、产品质量指标和操作时间等进行自动评分；⑤思考型问题研讨。

该模块的教学要点是：①可根据学生专业特点选择几个生产系统进行重点学习，每个生产系统的仿真操作实践时间不超过1周；②要注重结合工艺原理以及各个操作之间的逻辑关系进行指导，强调产品、工艺、质量和成本之间的关联；③学生自主实践过程中，应注重以学生为中心，多与学生交流，注意兴趣引导；④仿真操作考核时，采用布置钢铁产品生产任务的方式，充分发挥学生的主观能动性，允许多次考核取最高分作为最终考核成绩。

（3）控制系统设计模块。该模块针对钢铁生产全流程中的9个典型控制环节，基于工业级组态软件和虚拟控制器进行实践，属于创新实践阶段，主要面向生产实习、工程设计及实践创新课程。教学内容包括：①基于认知实践功能学习典型控制环节的工作原理、关键参数、控制系统组成、控制元器件结构和原理等；②对典型控制环节的控制过程进行实时仿真和操作，通过设定变量或调整控制参数等方法使系统的控制精度或性能指标达到要求；③针对控制对象进行控制算法设计，基于虚拟控制器进行逻辑控制编程；④针对控制对象进行控制模型和算法设计，基于工业组态软件进行人机界面设计；⑤研究型问题研讨。

该部分的教学要点是：①本模块教学时间按1周设置，老师根据上课学生的专业特点和修课背景重点选择2～3个控制环节进行实践；②在学生实践操作之前，老师要引导学生充分理解控制对象的工艺原理、控制目标、关键参数和动态特性；③在实践学习过程中，老师重在思路引导、目标驱动，具体实现方法则应激励学生自主探索；④鼓励采用分组合作的方式完成控制系统的设计与调试过程，培养团队合作精神。

2.3 “多元化”考核方法

钢铁生产虚拟仿真工程实践课程的考核方法包括：学习日记、理论考核、仿真操作考核、实习报告。其中，学习日记记录学生每天的学习情况，老师会根据日记情况与学生交流并给予评价反馈；理论考核是基于老师在管理后台预设的选择题和判断题进行的无纸化考核；仿真操作考核主要检验学生在操作、质量、成本、时间、精度等方面的综合能力，由系统按照预设的考核指标进行自动评分；实习报告则要求学生结合学习内容，按照规定的格式和要求进行编写，使学生在归纳、总结和分析中提高实践能力和认知水平。虚拟仿真认知阶段课程的考核成绩按照平时成绩50%（含学习日记和理论考核）和实习报告50%计，仿真操作和控制系统设计阶段课程的考核成绩按照学习日记20%、仿真操作40%和实习报告40%计。

3 教学实践效果

钢铁生产虚拟仿真实践教学平台自2014年建成以来，陆续开设了“工程实践ⅠA”“工程实践Ⅱ（虚拟仿真）”“钢铁生产虚拟仿真实践A”“钢铁生产虚拟仿真实践B”等实践课程，同时接待全校相关专业学生的虚拟仿真认识实习和生产实习，教学内容涵盖认知实践、仿真操作和控制系统设计，每年接待学生1 500余人。在教学实践中，平台开展“跨学科”课堂建设，推进“问题中心”研讨教学，倡导“任务驱动”探究学习，助力“能力导向”认证支撑，积极探索实践教学改革。

3.1 建设“跨学科”课堂

跨学科教育是后工业时代科技知识生产方式转型对人才培养提出的必然要求，是对长期以来实施的基于特定学科或专业划分的教育模式的一种变革或转型［9］。基于钢铁生产虚拟仿真的工程实践课程具有跨学科教育的5个要素［10］：①问题。具有超出单门学科范畴的现实关注复杂问题“钢铁是怎样练成的”；②学科。以既有学科为基础和依托，涉及我校多个优势学科；③目的。通过实现解决方案提升学生能力素质为目的，明确把“培养解决复杂工程问题能力”作为课程的高层次目标；④过程。基于钢铁生产虚拟仿真的实践学习是针对解决复杂工程问题能力培养的有计划、有步骤递进迭代的过程；⑤利益相关者。钢铁生产具有生产规模大、产品用途广、社会影响面宽等特点，涉及利益相关者众多，基于钢铁生产系统的学习过程必然体现对各利益相关者的关注。这5个要素与跨学科的教师、学生及环境一起构成跨学科的课堂。

3.2 完善“问题中心”研讨教学

以问题为中心的教学方式是研究型教学的方式之一，而研究型教学的本质属性也在于教学内容的“问题意识”和教学方法的“研究性”［11］。基于认知实践模块的基础阶段课程主要采用“问题为中心”的研究型教学方式，基于“钢铁是怎样练成的”这个现实关注问题，以“情景导入、发现问题、提出问题、分析问题、解决问题”为主线进行教学组织。在情景导入阶段，老师基于钢铁生产场景，以讲授、演示、提问等方式进行启发引导，让学生了解钢铁生产的背景和意义，激发学习兴趣。在发现问题和提出问题阶段，可以由老师提出问题，也可以由学生在学习过程中自主发现问题并主动提出问题。在分析问题和解决问题阶段，要鼓励同学们积极主动思考，打开脑洞，分析问题本质，寻找可行的甚至是创造性的解决方案。该教学方式得到了学生的好评，比较典型的学生反馈：“老师带给我们研究问题的学习方法可以伴随我们一生。在未来，我也会在做事的时候多思考，发现问题，提出问题，然后查阅资料解决问题，可能这就是这门课所带来的最大收获——提问的习惯。”从课堂抽查和课后学习总结的情况来看，学生学完课程后大多可以比较准确地回答“钢铁是怎样练成的？”这个问题，工程思维和系统思维意识有明显提升。

3.3 实现“任务驱动”探究学习

任务驱动探究学习是现代工程实践教学的重要方式之一［12-13］。基于仿真操作模块的综合阶段课程采用“应用为中心”的教学组织方式，学生为了完成冶炼和轧制任务，需要全面系统地了解钢铁生产系统、工艺原理和设备结构，应用专业知识进行工艺计算和参数设定，完成生产准备，并准确进行生产操作，最终生产出合格产品且成本控制在合理范围。基于控制系统设计模块的创新阶段课程则采用“设计为中心”的教学组织方式，学生针对典型控制环节，基于虚拟场景进行控制系统架构、控制模型和算法设计、逻辑控制编程、控制参数整定、人机界面组态设计等，最终完成控制系统设计任务。这些过程体现了比较明显的“任务驱动”探究学习特点，学生为了完成任务，主观能动性得到很大提升，主动查阅资料、请教老师和同学，共同探讨完成任务过程中遇到的问题，学习气氛非常活跃。比较典型的学生反馈：“一整节课下来，我一共练了5包钢。从刚开始的没有成绩，到后来及格线上下徘徊，最后终于练出了一包80分的钢，真的是在反复失败、挣扎、反思、总结中，逐步成长起来。”

3.4 提升工程实践和创新能力

我国2016年成为《华盛顿协议》正式缔约成员，按照该协议要求，通过工程教育认证的工程专业不仅要深入理解和把握复杂工程问题，更要按照国际实质等效原则培养学生具有解决复杂工程问题的能力。解决复杂工程问题能力已然成为工程专业毕业生必须具备的最本质的素质或要求［14-15］。基于钢铁生产虚拟仿真的工程实践学习是针对解决复杂工程问题能力培养的有计划、有步骤的过程。基础阶段课程采用“问题为中心”教学方式，在研讨过程中引导学生树立问题意识和工程思维；综合阶段课程采用“应用为中心”教学方式，引导学生按要求完成生产任务，锻炼综合实践能力；创新阶段课程采用“设计为中心”教学方式，使学生在设计控制系统过程中进一步深入理解钢铁生产工艺原理和自动控制机制，培养实践能力，涵养创新意识。在分层递进的学习过程中，学生对复杂工程问题的认知水平和解决能力得到螺旋式提升。基于钢铁生产虚拟仿真的工程实践课程促进了学生对复杂工程问题的理解，提升了工程实践与创新能力，在我校10多个本科专业的工程教育认证中发挥了积极作用。

4 结 语

基于钢铁生产虚拟仿真的工程实践课程，以复杂工程系统和虚拟仿真资源环境为支撑，采用“层次化”课程目标、“模块化”教学内容、“多元化”考核方法，在“跨学科”课堂建设、“问题中心”研讨教学、“任务驱动”探究学习、“能力导向”认证支撑等方面进行了有益探索，取得了良好效果。实践表明，基于钢铁生产虚拟仿真的工程实践教学可有效弥补企业实践的不足，受到师生广泛认同。总结课程建设与教学实践过程，基于工业背景的虚拟仿真工程实践课程建设符合现代工程教改方向，可有效支撑工程教育专业认证，是值得深入研究与发展的领域，还需继续努力与实践。①要认真研究工程教育专业认证标准，深刻理解解决复杂工程问题能力的内涵，夯实课程建设的理论基础；②要认真研究虚拟仿真教学资源的技术内涵，在内容设计、知识点关联和应用体验上多下功夫；③要认真研究教学方法，更新教学理念，深入开展“问题导向、任务驱动”研究型教学，切实提升教师的工程实践教学能力。