礦物加工虛擬仿真教學平臺在實踐教學中的應用

吳蓬 邱俊 朱向楠

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.21.044

摘? 要 隨著計算機虛擬仿真技術的發展，將現實工廠按1∶1建立3D模型后搬進實驗室，使學生隨時隨地進行身臨其境般的沉浸式學習，打破現場實踐受時間和空間限制的問題，將有助于改善實踐教學效果，提高學生的學習興趣，提升學生對專業知識的掌握能力和解決分析問題的能力。

關鍵詞 礦物加工;虛擬仿真;實踐教學;仿真教學平臺

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）21-0044-02

1 仿真教學平臺建設背景

實踐教學是應用創新型人才培養的重要環節，是理論與實踐相結合的紐帶，在大學人才培養過程中具有重要意義[1]。礦物加工工程專業學生在實習過程中，由于生產現場設備尺寸大、噪音大、安全隱患大、內部結構無法查看等原因，在現場的學習只能走馬觀花，遠距離觀看設備局部，對設備的內部結構、工作原理、設備配置等無法全面認識，現場實踐教學效果較差。虛擬仿真技術可有效解決這些難題。同時，教育部也頒布了相關文件，積極推進現代信息技術與實踐教學項目的深度融合，拓展實驗內容的廣度和深度，增強實踐教學效果，并將國家級實驗教學示范中心建設納入“十三五”規劃[2-4]。

山東科技大學為提高礦物加工工程專業學生的實踐教學質量，提高實習效率，豐富實踐教學手段，以中鋼集團山東礦業公司實習基地工廠原型的整體設計，根據本專業實習教學大綱要求，利用現代仿真軟件開發平臺開發工廠級的礦物加工工程專業學生實踐教學仿真軟件，通過三維仿真及虛擬現實技術最大限度地模擬鐵礦資源回收各個工藝過程和具體作業的真實現場[5]，能夠讓學生可視化參與熟悉工廠資源生產工藝及設備的識別與操作，學習設備的工作方式及工作原理，并且學習方式不受時間與空間限制，有助于提高學生對專業知識的理解深度[6-7]。

2 仿真教學平臺的使用方法

在使用本仿真系統學習前，要求學生較系統地完成礦石學、工藝礦物學、破碎磨礦、重選、磁電選礦、浮選、礦石可選性研究、固液分離、安全生產概論等專業課程的學習，已經掌握本專業的基本理論，在專業能力方面要求學生對礦石性質、分選原理以及各種設備的結構、工作原理及應用都有較深的理解。

利用該實踐教學仿真系統，學生可以通過網絡平臺隨時隨地進行自主學習。通過虛擬的三維仿真工廠模型[8]，學生身臨其境般對整個鐵礦資源回收工廠的生產工藝流程、工廠主要設備的結構、工作原理以及工廠的整體布置等實踐教學內容進行學習，學習方式不受時間與空間限制;并且可以隨時留下學習中發現的問題，由專門的線上教師負責答疑。教師可利用系統中仿真考核模塊進行線上的仿真考試，掌握學生的學習動態和學習效果，由此可督促學生學習，提高學生學習的積極性[9]。根據具體實踐教學要求，利用該系統可選擇三種不同的教學模式。

教學演示模式? 教師演示仿真系統操作過程及注意事項，并對學習內容以流程圖的方式演示鐵礦資源回收工廠的整體布置、工藝流程及主要設備等相關學習內容;學生在此過程中主要是聽和看，該模式的好處在于學生能夠快速掌握系統的操作使用方法和建立對系統功能的總體印象。

單人任務模式? 學生以第一視角進入系統（見圖1），可以實現鐵礦資源生產工廠的全景漫游，認識工廠各類主要設備，跟蹤全流程生產作業等，通過NPC任務模式（見圖2）學習工廠的安全操作規程、工藝流程、主要設備簡介等知識點;進入車間后，能夠對設備進行360°觀察學習，并能夠啟動停止設備，對設備進行拆解安裝，同時對常見的故障進行分析判斷。

多人協同模式? 多個學生扮演不同的崗位角色分別進行操作，通過聯網協同進行協同操作，訓練學生的團隊協作能力。在仿真實踐學習過程中，NPC任務模式限制要求學生必須按照步驟操作，每一步都關聯在一起，學生回答完成相關的專業問題后才可以進入下一步的學習。具體學習步驟主要包括工廠概況、工廠生產安全規程、工廠分車間安全操作規程、工廠原料性質、破碎車間工藝流程、破碎車間設備結構和工作原理、磨礦分選車間工藝流程、磨礦分選設備結構和工作原理、精礦脫水工藝流程、尾礦處理工藝流程、產品指標及用途[10]。

3 實踐教學結果評價

該工廠生產仿真系統啟動時，用戶可根據教學計劃類型自由選擇教學方式，系統啟動后可自由切換學習項目，具體可根據具體實習的要求及實習內容不同，由指導教師利用該仿真系統對所有學習內容進行面對面的集中教學指導，讓學生掌握該仿真系統的使用方法、學習內容以及具體要求等。學生也可以選擇獨立的線下學習，學習該仿真系統所列的相關實習內容。同時，學生可以利用該系統在線進行自主學習，與教師站管理端采用TCP/IP方式連接，進行線上分散學習，學習的方式及學習內容靈活多變。

利用該仿真系統可以對學生的學習效果進行集中考核，考核內容包括原料性質、安全生產規程、工藝流程的操作和描述、主要設備的結構及工作原理、產品指標及用途、工廠及生產車間的設計原則。

學生最終考試成績包括平時和現場考試兩個成績，所占比例分別為60%和40%。考試方式采用現場集中考試，指導教師實時監控考試狀況并統計記錄考試成績;平時成績取本系統管理統計的不同學生的每次培訓成績的平均值，以上兩個成績綜合評定確定為學生最后的考核成績。

4 結語

礦物加工虛擬仿真教學系統可有效解決現場實踐過程中存在的諸多問題，打破實踐教學受時間和空間限制的問題，將一些先進的計算機仿真技術應用于實踐教學，使得現場一些無法展現的內容具體形象化，有助于提高學生學習的興趣，改善實踐教學的效果。

參考文獻

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[10]李益.基于Unity3d的磨礦車間虛擬仿真系統[D].遼寧：大連理工大學，2014.