淺析冶金工程專業虛擬仿真實驗教學平臺的構建＊

許美賢，高志強，王曉敏

（太原理工大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

課堂學習和實踐學習均是大學生學習過程中不可或缺的組成部分，兩者相互補充并緊密結合，教導學生由理論過渡到實踐，從而完成大學教學環節的全部課程[1-3]。由此可知，設計好課堂同實踐之間的教學環節，走好課堂與實踐之間的“最后一公里”，才能保證學生將理論知識靈活應用于實踐中。

受傳統課堂固有的空間有限和教學活動重復性較差等特征的影響，完成課堂學習之后，通常設計不同類型的實習，如認識實習、生產實習和畢業實習等[4-7]，以強化學生對課堂知識的理解和提高學生的動手能力，從而保證學生思維能夠從教室順利轉移到實習場所，高質量地完成實踐環節的學習課程。然而，實際的教學效果總有不同程度的欠缺。隨著虛擬現實和仿真技術為基礎的教學軟件逐漸走進課堂，虛擬仿真實驗教學不僅改變了傳統的實驗教學模式[8-10]，而且實現了課堂教學到實踐教學完美的過渡，從而有力保障了學生走好課堂與實踐之間的最后一公里。本文以冶金工程專業的實驗教學為例，闡述構建虛擬仿真實驗教學平臺的目的、構建思路以及平臺所能實現的功能，最后評價了目前教學平臺中存在的問題，并提出了今后的方向。

1 虛擬仿真實驗教學平臺構建的目的

就冶金工程專業的教學課程特點而言，開設認識實習、生產實習和畢業實習課程的初衷是為了由淺入深、依次推進教學計劃，學生能夠基于冶金工程專業所學基本原理和科學方法對冶金理論基礎以及復雜工程問題進行研究，如制定冶金工藝流程、金屬熔煉實驗、分析與解釋數據，并通過信息分析得到合理有效的結論[11-12]，然而，實習課程通常開設于不同年度，時間跨度較大，并且，不同實習課程常常安排在不同場所，從事不同的操作，導致課程內容通常相互之間缺乏必然聯系，最終使得學生的實踐能力無法得到系統且全面的訓練，冶金專業實習課程特點如表1 所示。再加上當前新冠疫情的影響，學生的實習課程內容大幅縮減，有的甚至無法開展正常的實習活動。

表1 冶金工程專業實習課程特點

虛擬仿真實驗教學可以完成難以真實完成的實驗。在涉及高危或極端的環境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，提供可靠、安全和經濟的實驗內容[13-14]。虛擬仿真實驗教學充分體現了虛實結合、相互補充、能實不虛的原則，其核心是提高學生實踐能力和創新能力[1]。

虛擬仿真實驗教學是基于互聯網絡，融合信息技術、智能技術、虛擬現實技術及大數據技術的全新實驗教學形式，解決了傳統實驗中危險性較大、費用較高、操作性不強、運行難度較大等課堂問題以及學生實習基地不足、內容針對性不強或動手機會過少等實習問題[2-3]。在實驗中，構建高度仿真的實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中自我創作，反復練習，或漫游場景，同時老師授課過程中結合圖形或動畫，顯著提高了教學質量，因此虛擬仿真實驗教學的新模式不僅有助于學生掌握課程知識點，而且還能夠提高學生的創新能力和實踐能力。由于在虛擬仿真實驗能夠完成真實環境中難以完成的教學活動，因此針對冶金工程專業開展虛擬仿真實驗教學，將傳統的實驗和實習課程與虛擬仿真實驗有機結合，從而可以消除學生主觀預期到客觀現實形態之間的差異。根據以上分析可知，構建虛擬仿真實驗教學平臺，一方面可以幫助學生走好課堂與實踐的“最后一公里”，另一方面較好地解決了冶金專業實習課程依賴于環境場所的難題。

2 虛擬仿真實驗教學平臺構建的思路、原則及其功能

2.1 構建思路

以需求和問題為導向，規劃建設仿真實驗教學平臺，將不同類型的實驗資源集中性管理，并對教學活動進行分類管理，詳細記錄學生的課程學習和參加課外競賽情況，并不斷完善實驗平臺內容，加強平臺管理，使優質教學資源實現開放共享。

2.2 構建的原則

2.2.1 教學活動不受時間空間限制

平臺的網絡節點屬于云端服務器，不僅有獨立IP 地址，而且具備傳送或接收數據的功能，能夠簡單高效、安全可靠地提供計算服務，因此在登錄平臺時，不論學生做實驗還是教師后臺管理，各個終端均不受時間和空間限制。倘若學生未按計劃完成實驗，系統可以保存進度，下次即使在其他終端登錄，也能夠在之前的基礎上繼續操作，提高了實驗效率，保證了教學的連貫性，這一點是在傳統實驗無法實現的。

2.2.2 方便實驗考核和管理

網絡虛擬仿真實驗教學平臺能夠自動記錄并可以提供實時數據，后臺管理教師根據系統提供的數據進行分析處理，制定出相應的考核標準，從而實現了教學效益和管理的最大化，這不僅大大提高教師的工作效率，也能讓學生及時了解自己的學習情況，從而提高學生學習的積極性。

2.2.3 能夠開設復雜實驗

對于一些危險的破環性實驗，在實體實驗室是無法完成的，幾乎只能進行理論知識講授，而虛擬平臺卻能夠較好地解決這類問題，這一點也能夠看出構建虛擬仿真實驗教學平臺的重要性。學生在虛擬場景中模擬實驗或觀看場景，不用考慮設備、材料不足、實驗經費等問題，更不用顧忌安全問題。通過虛擬仿真實驗，學生可以積累豐富的實踐經驗，這樣不論是認知水平還是動手能力，均為之后的實踐學習奠定了良好的基礎。

2.3 實現的功能

就“鋼鐵生產全流程虛擬仿真實驗”而言，在軟件中煉鋼操作包括冶煉開始、裝入廢鋼、裝入鐵水、吹氧冶煉、加料造渣、出鋼、濺渣護爐、出渣和冶煉結束等。轉爐系統界面包含裝料系統、吹揀系統、出鋼系統、除塵系統和汽化冷卻系統等。該虛擬仿真測試實驗教學基于邏輯嚴密的操控仿真模型、工藝模型和數學模型，可實現鋼鐵生產全流程的模擬生產操控，高度仿真生產環境，結果趨勢與真實操控高度一致，并且設計有同步3D 虛擬場景，學生沉浸于冶煉場景中，可以自由設計流程和模擬操作，最后軟件可以將各環節的運行狀態及鋼鐵成分等數據詳細呈現出來，供學生分析判別，從而提高了學生對知識探索的興趣。

3 虛擬仿真實驗教學的發展方向

在今后的發展中，虛擬仿真實驗教學將以國家級虛擬仿真實驗教學中心、國家和省級虛擬仿真實驗教學項目以及教育部產學合作協同育人項目為契機，開展虛擬仿真實驗教學研究，豐富虛擬仿真實驗教學資源，尤其是開發地方經濟急需專業的教學資源，同時，重點支持中西部地區發展具有地方特色和自身優勢專業所需的教學資源，促進優質教學資源在全國范圍內均衡發展；不斷完善虛擬仿真實驗教學考核體系，加強虛擬仿真實驗教學隊伍建設，強化虛擬仿真實驗教學中心管理，將平臺建設成為具有地方特色、能發揮區域性示范作用的虛擬仿真實驗教學中心，有力推進虛擬仿真實驗教學改革，做好課堂學習到實踐學習的銜接，使整個教學環節渾然一體，從而促使學生理論聯系實際，強化自身的創新能力和實踐能力。

4 結語

構建虛擬仿真實驗教學平臺，在冶金工程專業開展虛擬仿真實驗教學，可以為走好課堂學習和實踐學習之間的“最后一公里”保駕護航；做好虛擬仿真實驗課程建設，促使課堂與實踐有機聯系，打通高校教育中的“最后一公里”，對實現理論聯系實際有重要作用。近10 年來，中國的虛擬仿真實驗教學快速發展，冶金工程專業的教學資源種類齊全、內容豐富，然而，高校對專業軟件的多樣化需求和教學資源的發展不平衡，導致虛擬仿真實驗教學改革落后于學科的發展水平。在今后的發展中，結合高校自身專業優勢和學科發展需要，不斷完善虛擬仿真實驗教學管理制度，重視虛擬仿真管理人員培養，提高虛擬仿真實驗教學質量，將虛擬仿真實驗教學同傳統的實驗教學有機結合，這對培養學生的創新能力和實踐能力有重要意義。