VR虚拟现实技术在冶金工程专业教学中的应用研究

摘要：探讨了虚拟现实（VR）技术在冶金工程专业教学中的应用，旨在响应国家绿色发展和“双碳”目标，推动冶金工程专业教学模式的创新。分析了传统冶金工程专业教学的特点及其局限性，阐述了VR技术在教育领域的应用优势，尤其是在冶金工程这一实践性极强的专业中，VR技术能够提供安全的实践环境，突破时间和空间限制，丰富学习体验。最后总结了VR技术在冶金工程专业教学中的创新应用，为工程教育的改革和发展提供了新的思路和方向。

关键词：VR虚拟现实技术；冶金；专业实践教学；教学模式

一、前言

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术，以先进的计算机技术为核心，融合多领域科学技术，在视觉、听觉和触觉等多个感官层面创建出与现实世界极为相似的数字环境。用户通过特定的交互设备，能够与这个虚拟环境中的元素进行互动，体验到仿佛置身于真实场景的沉浸感[1-2]。 VR技术具备三个核心特征：想象性（Imagination）、交互性（Interaction）和沉浸性（Immersion），常被称为3I特性。作为一种创新的教育技术手段，VR技术在教育领域的应用前景日益广阔。近年来，众多研究开始着眼于VR技术在教学领域的具体应用方式及其带来的教学效果，涵盖了从医学、工程、地理等学科专业领域，到特殊教育、虚拟仿真校园、远程教育等跨学科应用场景[3-4] 。这些研究深入探讨了VR技术如何影响学生的学习体验和教学成果，证实了VR技术在提升教育质量和效率方面的潜力。

钢铁工业作为支撑国民经济发展的重要基础产业，面临着能源消耗高、碳排放量大、资源利用效率低等问题。高炉炼铁工序的污染物排放占到了钢铁工业的70%。随着全球气候变化和资源紧张问题日益严重，传统钢铁行业正面临着巨大的挑战，需要进行优化升级，绿色低碳智慧冶金成为行业发展的新趋势。在“碳达峰、碳中和”背景下，教育体系需要改革以适应未来低碳绿色冶金技术的人才培养需求。为了适应绿色低碳、智慧制造的新趋势，高校冶金工程专业紧跟时代步伐，探索新的卓越人才培养模式，为冶金行业的转型升级提供有力的人才支撑。北京科技大学于2023年依托国家卓越工程师学院开设了低碳智慧冶金工程专业方向。低碳智慧冶金专业建设是响应国家绿色发展、实现“双碳”目标的重要举措，对于推动产业升级、技术创新、人才培养和产教融合具有重要意义。同时，“新工科”建设的目标是培养具有创新能力、实践能力和国际视野的工程技术人才，要求在日常教学中不仅要注重理论知识的传授，还要加强实践教学，鼓励学生参与科研项目，以及与企业的合作，以提高学生的实际操作能力和解决实际问题的能力。基于此，高校在专业教学中应该如何应对国家政策、行业转型和人才培养等需求，是本文研究的重点及意义所在。

二、传统冶金工程专业教学的特点及局限性

当前高校冶金工程专业的课程设置侧重于传统冶金技术和理论知识的传授。传统工程实践教学内容显得过时且缺乏更新，实践教学环节相对薄弱，实践训练强度不足，缺乏与企业合作的机会和实践基地建设不足，与生产实际存在较大脱节[5]。由于冶金行业的高风险特性，企业在接纳学生实习时，往往将安全放在首位，限制了学生的参与度，导致学生无法深入体验实际生产过程。企业出于技术保密的考虑，可能会限制学生接触核心技术或工艺流程，影响了学生对专业知识的全面理解。实习时间通常较短，学生可能无法在有限的时间内获得充分的实践经验。学生人数较多时，每位学生得到的实际指导和实践机会减少。学生在企业工厂实习中往往只能被动参观，缺乏动手操作的机会，这种“走马观花”式的实习方式难以激发学生的学习兴趣和主动性。校内实验室空间和设备有限，难以模拟真实的生产环境，导致学生难以获得全面的工艺流程经验。校内实习可能过于侧重理论或小规模实验，与实际生产中的大规模工艺流程存在差异，难以培养学生的全局意识。

冶金工程作为一个实践性很强的专业，需要学生能够直观地理解和掌握生产过程中的各个环节。然而，由于安全和环保的限制，学生很难有机会直接参与到实际的高温、高压、高风险的生产过程中。

三、VR技术应用于冶金工程专业教学的优势

冶金工程专业是一门工艺性和实践性并重的学科，它要求学生不仅要掌握扎实的理论知识，更要通过实践教学环节掌握具体的生产环节。学生可以通过参与生产实习，直观地观察和体验冶金生产的具体环节，从而加深对冶金工艺流程的认识，理解冶金设备的工作原理和操作技巧。这种亲身体验有助于学生将抽象的理论知识转化为具体的实践技能，增强解决实际问题的能力。这种教学模式能够促进学生将基础理论学习与实际生产实践相结合，实现理论与实践的有机融合。

随着科技的发展，VR技术为教育领域带来了革命性的变化。VR技术可以创造一个完全由计算机生成的、用户沉浸其中的三维虚拟环境。用户通过特定的硬件设备，如头戴显示器（HMD）和动作捕捉设备，与虚拟环境进行互动，获得视觉、听觉甚至触觉的全方位体验。在冶金工程这一实践性极强的专业教学中，VR技术的应用不仅能够提供安全的实践环境，还能够突破时间和空间的限制，为学生提供丰富的学习体验。

通过VR技术，可以创建高度仿真的冶金生产环境，让学生在安全的条件下，进行虚拟的实际操作和观察。学生可以在没有实际危险的环境中学习和实践，大大降低了安全风险。VR环境中的模拟可以无限次重复，有助于学生加深理解和熟练掌握操作技能。可以根据教学需要，调整模拟环境的各种参数，如温度、压力等，以适应不同的教学场景。可以通过VR设备与虚拟环境互动，提高学习的参与度和兴趣。相比于实际的生产设备和材料，VR模拟的成本更低，且易于更新和维护。

此外，VR技术还可以与数据分析、人工智能等技术结合，提供更加智能化的教学辅助。例如，通过收集学生在VR环境中的操作数据，可以分析学生的学习进度和操作习惯，从而提供个性化的教学建议。

四、VR虚拟现实技术应用于冶金工程专业教学的案例研究

本研究旨在探讨如何有效地将教师的科研项目成果转化为VR教学环境中的实践活动，以此激发学生的创新思维和实践能力。通过实证研究和案例分析，揭示VR技术如何助力传统工科教育模式向“新工科”教育模式转变，即从单一的技术、科学和工程教育范式，向一个更加注重跨学科整合、学科交叉融合以及创新能力培养的新型教育模式转变。期望通过此研究，为高校工科教育的改革与发展提供新的思路和实践方案，培养能够适应未来社会和产业发展需求的高素质、创新型工程技术人才。

（一）构建授课知识点与生产工艺场景相融合的VR教学资源库

VR技术的应用，为冶金工程专业的教学提供了一种全新的仿真化教学环境。这种环境不仅能够模拟真实的工作场景和生产环节，而且通过其出色的可视化展示能力，极大地增强了教学内容的直观性和互动性。学生和教师仿佛被带入了一个真实的企业现场，能够亲身体验到每一个生产细节，从而获得如同身临其境的学习体验，解决了教学内容和知识的可视化，增强教学的沉浸感。

高炉炼铁工艺流程是一个典型的开放系统，它由多个功能不同的单元组成，具有高度的复杂性和不可逆性。这一工艺流程远离热力学平衡状态，表现出多层次的动态运行特性，对生产过程的控制和优化提出了更高的要求。高炉炼铁生产工艺是冶金工程专业教学中的一个重要知识点和实践教学环节，本文以此为切入点，研究VR虚拟现实技术的具体应用。为了更好地理解和掌握这一复杂的生产过程，采用VR技术、多媒体技术、人机交互技术和网络通信技术，构建一个高度仿真的高炉炼铁虚拟实验环境。学生可以直观地观察和操作高炉炼铁的各个环节，深入理解工艺流程的工作原理和控制策略。通过虚拟仿真教学资源的建设，将学科专业知识与信息技术深度融合，为学生提供了一个安全、灵活、高效的学习平台。在这个平台上，学生可以进行各种实验操作，探索不同的工艺参数对生产过程的影响，培养学生的实践能力和创新思维。

《高炉炼铁生产工艺》VR教学资源库开发的流程如下：

1.收集开发所需的专业资料

包括参考资料、图纸案例以及设备布局图。高炉炼铁流程材料参考如图1所示。此外，参考资料还包括高炉炉顶布料效果参考、高炉内部反应效果参考。

2.按资料制作3D模型资源

设备布局图，在3D Max制作高炉模型，模型材质效果制作，高炉模型制作完成，3D Max制作烧结设备模型。

3.将3D Max制作好的资源导入虚拟现实开发工具Unity

制作高炉布料效果及特效制作。制作高炉内部特效，高炉内部整体反应效果，制作管道气体特效，高炉内部整体运行效果预览。

4.程序脚本编写

在Unity调整各个模块以及细节。制作交互界面以区分各个知识点，将知识点材料以及音频导入资源方便调用，编写“材料介绍”模块相应代码，打包各知识介绍、完成模块测试。

（二）形成“课堂教学—VR体验—生产实习”三位一体的新工科专业课程教学模式

高炉本体是一个高温、高压且密闭的环境，其内部进行着一系列极其复杂的化学反应。开发的《高炉炼铁生产工艺》VR教学资源，很好地解决了实际教学中的难题和生产实习难题。在VR环境中，可以构建一个高度仿真的高炉模型，将这些复杂的反应过程以三维立体的形式展现出来。通过VR头盔和交互设备，学生可以“进入”高炉内部，直观地观察和分析每一个细节，包括炉料的分布、气流的运动、温度和压力的变化等。这套VR教学资源，可以将炉顶布料、疏松焦炭区、压实焦炭区、风口焦炭回旋区、热风炉的送风系统等全部直观、具象地呈现给学生。这种逼真的立体呈现方式，使学生能够更加清晰和深入地理解高炉炼铁的原理和工艺。他们可以在虚拟环境中自由地观察和探索，从不同的角度和层面了解高炉的工作原理和操作要点。VR技术还可以模拟不同的操作条件和工艺参数，让学生在安全的虚拟环境中进行实验和探索，从而加深对高炉炼铁过程的理解和掌握。学生可以通过调整炉温、风量等参数，观察各参数对反应过程的影响，培养自身的实验设计和问题分析能力。

利用VR技术，学生以一种全新的方式学习工程科学知识。VR技术通过创建三维的、动态的生产环境，使学生能够直观地观察和分析生产过程中的各种现象和问题，增强了学习的直观性和互动性。学生不再是被动的知识接受者，而是变成了积极的探索者和建构者。他们可以主动地操作虚拟环境中的设备和参数，进行实验和模拟，从而深入理解工程原理和生产技术。“三位一体”新型教学模式将会以激发学生的学习热情为基础，大幅提高学生的实践能力和创新能力，达到“理论—实践—理论”闭合循环学习论证的教学目的，有力地改善了教学效果，直接和间接地提高了学生的综合竞争能力。

利用可视化的VR教学资源，教师在课堂上可以轻松地将抽象复杂的问题讲清楚、讲明白。学生可以头戴VR设备，进行交互式学习。学生在虚拟环境中观察复杂的工程设备和工艺流程，进行各种操作和实验，增强了学习的沉浸感，从而加深对工程原理和实践技能的理解。据统计，VR教学资源应用后，学生的专业课成绩和实习成绩均有显著提升。

这种教学方式不仅解决了传统教学中难以直观展示复杂工艺和设备操作问题，还通过重复操作的可行性，为学生提供了不断练习和深入理解的机会。VR环境中的模拟操作不会受到时间和空间的限制，学生可以在任何时候复习和巩固学到的知识，同时也能够在安全的环境中尝试不同的操作和决策，从而更好地掌握专业技能。此外，VR教学环境的沉浸感和互动性，能够有效地激发学生的学习兴趣和探索欲望，促进他们主动学习和深入思考。教师也可以根据教学需要，灵活地调整教学内容和难度，实现个性化教学。

五、结语

通过引入VR技术，能够为冶金工程专业的教学带来一种全新的实践体验，创新情景教学模式。在VR课程资源的支持下，教师可以将科研课题转化为教学内容，使得原本抽象的理论知识通过形象生动的三维场景展现出来，让学生在虚拟现实环境中进行实际操作，从而深入理解冶金原理、生产设备和工艺流程等关键环节。在这种沉浸式的教学环境中，学生可以进行冶金工程专业的模拟操作，直观地学习和掌握工业实践工作的内容、流程和操作技巧。这种教学方式不仅能够提高学生的学习兴趣和参与度，还能够帮助他们更好地将理论知识与实践技能相结合。

在当前绿色发展和可持续发展的大背景下，冶金行业面临着转型升级的挑战。通过VR虚拟现实技术，学生可以学习到先进的绿色冶金技术和理念，培养自身的环保意识和创新思维，为未来的职业生涯打下坚实的基础。引入VR技术进行冶金工程专业的教学，不仅能够提高教学质量，还能够培养具有创新精神和实践能力的复合型人才，为冶金行业的发展注入新的活力。

参考文献

[1]李亮，朱津津，祝凌宇.虚拟现实与移动增强现实复合性教学环境设计[J].中国电化教育，2019（05）：98-105.

[2]王雪，徐文文，高泽红，等.虚拟现实技术的教学应用能提升学习效果吗？——基于教学设计视角的38项实验和准实验的元分析[J].远程教育杂志，2019（06）：61-71.

[3]陈娟娟，周玉婷，翟俊卿.虚拟现实技术和增强现实技术在博物馆学习中的应用[J].现代教育技术，2021，31（10）：5-13.

[4]罗恒，冯秦娜，李格格，等.虚拟现实技术应用于基础教育的研究综述（2000—2019年）[J].电化教育研究，2021（05）：77-85.

[5]杨澈，朱苗勇，杜涛，等.“新冶金”复合型人才培养体系研究与实践[J].中国冶金教育，2022（01）：29-33+37.

基金项目：1.教育部产学合作协同育人项目“新工科引领下‘一生双师百企千人’卓越人才培养模式研究——基于北京科技大学教学实践的探索”（项目编号：231107629022856）；2.北京科技大学2023年度本科教育教学改革重点项目“以微专业建设为契机的高校本科专业生态体系构建与探索实践”（项目编号：JG2023Z06）；3.北京市高等教育学会2024年面上课题“知识图谱视域下的高校本科专业建设与优化策略研究”（项目编号：MS2024410）

作者单位：北京科技大学

责任编辑：王颖振、郑凯津