熱能與動力工程專業本科生實踐仿真教學軟件開發與應用

潘妮　陳元元　許學成

摘 要 研發了一款適合于熱能與動力工程專業本科生的實習軟件。該軟件對工業生產現場實際運行的爐窯進行虛擬仿真，將爐窯結構及關鍵設備再現，實現了爐窯操作工藝及操作步驟模擬、操作考核等功能。熱能與動力工程專業本科生在完成認識實習及“工業爐窯熱工及構造”課程的基礎上進行本軟件的學習，理論與實踐相結合，既有助于學生理論知識的鞏固，又體現了本專業的特色。

關鍵詞 熱能與動力工程 本科生 實踐仿真 教學軟件

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.02.027

0 引言

對于理工科專業大學本科生，實習環節對其實踐能力與創新能力的培養至關重要，也是高等教育的必要環節之一。學生在校所學知識以理論為主，比較抽象，通過實習能夠使教育回歸實踐，讓學生在實習中掌握理論知識的運用，使知識變活。教育部《全面提高高等教育質量的若干意見》也特別強調要強化實踐育人環節，結合專業特點和人才培養要求，分類制訂實踐教學標準，增加實踐教學比重，確保各類專業實踐教學必要的學分（學時）。

校外實習基地擁有真正的生產環境和施工現場，本應是學生規范專業技能和素養的理想訓練場。然而，“聯系實習單位難”卻成為高校面臨的普遍困境，其主要有兩個原因：第一，高校規模擴大，學生數量增加，對實習場地和實習資源的需求增加，導致大多數實習單位無力接待；第二，企業擔心大學生實習影響企業生產及其利益獲得。企業經營的根本目的是實現利益最大化，接收學生實習所付出的代價要大于收益，在沒有政策鼓勵和支持的條件下，很少有企業愿意將資金和精力投入到學生實習工作上。當前，高校聯系實習企業往往憑借教師與企業的私人關系，還有一些學校因企業經營狀況不佳而失去了原來所建的實習基地。這表明，當前環境下企業接收實習生的積極性不高和校企關系松散的現狀，嚴重影響了高校大學生實習工作的順利開展，且大多達不到應有的實習效果。

鑒于以上原因，大學生實習質量不能保障，使得中國理工科教育普遍存在的突出問題是工程實踐能力不足，動手能力較弱，很難適應迅速發展的市場要求和日益激烈的科技競爭需要。以上種種問題要求進一步推進教學改革，尤其是加強學生工程實踐能力培養和訓練，以滿足行業人才的需要。在此指導思想下，我校熱能與動力工程專業教師開發了“本科生實踐仿真教學軟件”，以期能夠提高學生的綜合素質。

1 軟件的設計目的

目前，本專業的實習基地僅有一兩家國有大中型企業，而且都是以參觀為主，極少動手實踐，這樣不僅達不到預想的效果，還消耗企業資源。

鑒于以上原因，決定開發虛擬仿真實習場景，通過將本專業典型爐型和設備用三維軟件建立實體模型，結合3D漫游、動畫演示、模擬控制等方式實現生產現場的虛擬再現。該實習軟件可以增強學生對專業爐型的認識、模擬生產操作、理論考試、操作測試等功能。旨在通過學生對本仿真軟件系統的學習，在一定程度上與校外參觀實習互相彌補，使學生對專業技能掌握得更加牢靠。

另外，該實習軟件將燃料燃燒、爐內氣體流動、爐內傳熱傳質、工業爐控制系統等過程有機地結合起來，有利于師生針對爐型進行爐內各動力學參數、熱力學參數以及控制過程的模擬研究，為爐型結構優化、控制優化及操作優化提供理論依據。

2 軟件的主要功能

仿真軟件系統主要包括三部分：認識實習部分、模擬操作部分及考核部分。

軟件主要仿真內容包括：（1）以冶金和高溫陶瓷行業工業爐窯為主，建立典型爐型的三維模型。以實際生產過程為指導，編制各爐型操作系統。主要包括：二級網絡任務下達系統、來料工藝設定系統、上料系統、控制系統、卸料系統、爐體操作系統、安全防護系統、質量追蹤系統、爐內熱過程模型系統，最終達到各系統協同操作、安全連鎖，實現工業實際生產的真實再現；（2）冶金行業工業爐窯系統復雜，實際生產過程中容易出現各類故障。通過收集實際生產過程中工業爐窯運行系統相關故障及對應的處理方案，形成專用數據庫，編制模擬生產過程隨機故障系統；（3）編制考核系統。定期組織學生學習軟件，聽取學生意見及建議，并做出相應調整，以獲得最好的實習效果。考核系統分為三部分：爐型系統認識部分考核、“工業爐窯熱工及構造”課程部分內容理論考核、工業爐窯典型爐型模擬操作考核；（4）編制仿真軟件模塊擴展接口。以便于教師日后對新爐型添加或新功能的開發。

學校在組織學生到企業參觀實習時，企業不會因為學生實習而調整生產，因此，學生參觀過程中很有可能看不到工業爐設備的動作過程，再加上生產現場噪音較大，即便是有老師講解，也聽不太清。在本仿真軟件的認識實習部分，首先以工業爐各系統、各關鍵設備實體照片展現給學生，并配有文字介紹，可以通過教師講解或自學的方式了解各系統、各設備的主要功能及操作要求。其次，以3D模型方式將工業爐窯全系統展現給學生，對于關鍵設備，軟件中做了關鍵剖視圖設計，教師可結合爐體及設備三維實體模型向學生講解各部分的組成及功能，彌補實體照片不能觀察系統及設備內部詳細構造的缺陷。除此之外，軟件中也包含了一些典型爐型實際生產過程的視頻，同樣，對于現場拍攝不便于直接觀察的爐內情形，采用3D模型及動畫方式進行展示，學生可將模擬現場與實際現場進行對比，加強對工業爐窯系統的認識。

學生在企業參觀實習是絕對不允許動手操作的。首先是因為學生不了解生產工藝過程，很有可能發生誤操作，影響企業正常生產；另外，學生大都不了解各設備的操作規程，出于安全考慮，不允許學生對設備動手操作。在認識實習基礎上，生產模擬部分實現了對生產操作的實訓，人機交互界面由仿真控制界面和虛擬被控場景兩部分組成。仿真控制界面中的圖形界面、操作手柄圖案、操作按鈕等的邏輯關系與生產現場保持一致，既有生產總覽界面，又有各子系統分界面，便于學生分步驟練習。生產模擬部分主要操作內容包括：開爐前各系統（各氣體系統、循環水、冷卻水系統等）準備、各安全設施檢查、上料系統上料過程、物料在爐內的運動和加熱過程、爐內各部分溫度控制、壓力控制、卸料系統卸料過程以及生產過程中各系統間的安全連鎖、相互配合等。教師結合講解在軟件上進行生產過程模擬操作，向學生介紹各系統及設備性能、各系統間相互關系、操作過程注意事項等，并指導學生進行模擬生產操作。實際生產過程中，可能由于氣體壓力不足或電壓波動等突發情況影響企業的正常生產，在本仿真軟件中，也將隨機產生常見的生產故障，鍛煉學生分析問題解決實際問題的能力。通過進行這一系列的模擬生產現場操作，使學生非常直觀地學習工業爐的系統組成及生產操作過程。

在仿真軟件的考核部分，設計了三種類型的考核內容，包括：認識學習考核、理論考核和操作考核三部分。該軟件可對學生的操作即時給出評判結果，計算機詳細記錄學生在實訓平臺上的所有操作，后臺實時計算。操作完成后，系統在基礎知識、操作步驟、資源消耗、產品質量、產量等多方面進行考核，將操作記錄和操作結果分類統計，根據指標評價體系，給出量化考核成績。

3 軟件的應用效果

目前，仿真實習技術已成為國際公認的高效現代化教學手段。結合我校熱能與動力工程專業特色及學生的培養目標，我校開發的“熱能與動力工程專業本科生實踐仿真教學軟件”很好地解決了學生下廠實習難、效果差等問題。為加強仿真軟件實習的教學效果，采用先仿真訓練，再下廠實習的模式。實踐表明，對于從未見過現場工業爐窯生產的學生而言，到工廠參觀實習前進行仿真集訓是非常有必要的。通過仿真軟件實習，學生已基本了解工業爐系統之間的聯動過程以及生產過程中常見的生產故障問題，因此，再到工廠參觀實習時，便能更加準確地了解各設備功能，也有助于學生參加工作后更加靈活運用所學專業知識。

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