國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心在應用型冶金工程“一流專業”實踐教學的應用

袁曉麗 黃青云 安 娟 尹建國 周雪嬌 夏文堂 向小艷 楊文強

（重慶科技學院冶金與材料工程學院 重慶 401331）

重慶科技學院是一所應用型的全日制本科院校，學校的冶金工程專業是國家級一流專業建設點、國家級特色專業、國家卓越工程師教育培養計劃試點專業、國家級工程實踐教育中心建設點、重慶市一流專業和市級本科高校“三特行動計劃”特色專業，也是工程教育認證專業。冶金工程專業確定了“依托行業，突出應用，錯位發展，追求卓越”的發展理念，堅持“定向在行業、定性在應用、定點在實踐”的專業定位，培養引領冶金行業、適應重慶區域經濟發展需要的高水平應用型人才。為此，對冶金工程一流專業的實踐教學提出了更高的要求。冶金工程專業的實踐教學主要包括實驗、實習、實訓、科技競賽和畢業設計（論文）等，其主要特點是實踐性強。傳統實踐教學普遍存在高溫環境操作危險多、設備貴重動手機會少、資源能源運行成本高、污染嚴重環保壓力大、工藝復雜、生產流程長等特點，導致學生的實踐動手能力不強、創新意識不夠和創新能力不足，已經成為制約應用型冶金工程本科人才培養質量的瓶頸。因此，在冶金工程專業實踐教學中應用國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心的平臺資源，采用虛擬仿真技術，可對學生進行全面、系統的工程實踐訓練，實現了教學資源的零消耗、實驗過程的零污染、實驗容量的無限化，豐富了實驗教學內容，消除了實驗的危險性，增加了學生動手操作的機會，融“教、學、做”為一體，為提高應用型本科冶金工程一流專業人才培養的質量提供了可靠保障。

2014年獲首批教育部100個國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心，2015年獲批冶金工程國家級實驗教學示范中心。經過5-6年的建設，兩個國家級實驗教學和示范中心為冶金工程一流專業實踐教學提供了豐富的虛擬仿真技術資源，對冶金工程一流專業實踐教學質量的提高凸顯了極其重要的作用。

1 虛擬仿真實驗教學中心在冶金工程一流專業實踐教學中應用

1.1 國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心在冶金工程專業實習、實訓中的應用

冶金工程專業屬于實踐性非常強的一門學科，工作環境屬于高溫高壓、并且實習過程中不能介入設備內部，即使到現場也很難全面的理解和掌握冶金工程流程以及設備，冶金工程的實習、實訓教學成為各大冶金高校急需解決的難題，為此，國家虛擬仿真教學中心的建成有效的克服以上難題，針對學生所處的不同學習階段，開發了基于不同層次和級別的實習和實訓系統。在認識實習階段，以采用現場視頻為主，在冶金工藝的流程和設備教學上主要給予學生感性認識。以高爐煉鐵生產的認識實習為例，首先對高爐煉鐵的工藝流程和高爐設備有一個總的概述，然后依次按照高爐本體系統、槽下系統、轉料系統、送風系統、爐前系統、噴煤系統、水渣系統以及除塵系統分別進行介紹，將設備組成、功能參數以及工作原理以表格、圖片、現場視頻以及動畫的形式讓學生學習。現場視頻的學習讓學生身臨其境現場實習的感覺。圖片和動畫的展示將無法看到的高危和內部的結構以及工作原理表現的更直觀更生動，可以有效補充，進一步加深學生的理解，提高認識實習效果。

對于生產實習和實訓階段，學生對現場的工藝流程和設備的掌握已經提升到一個新的高度。然而，一般冶金企業考慮到安全和保密性，是不允許學生進行操作的，生產實習對于學生而言也只能是一個“旁觀者”，為了解決這個問題，國家虛擬仿真實驗教學中心開發了全流程的虛擬生產操作系統，主要有鋼鐵生產虛擬仿真實踐教學系統和有色金屬生產虛擬仿真實踐教學系統。

以燒結生產虛擬仿真操作系統為例，首先學生選定系統設定的燒結礦化學成分、產量和成本等目標要求，學生根據目標系統的進行燒結工序操作，完成從燒結配料、配料操作、混料操作、燒結操作、破冷操作、成品礦處理到篩分完整的操作流程，大大解決了學生無法動手操作的難題，有效的提高了學生的動手能力。在這個過程中，通過人機交互，學生對冶煉生產操作的燒結數據進行監控，監測燒結趨勢曲線。系統會根據學生對生產仿真操作的規范性以及完成的目標情況，給予評分，對于不合理的操作和參數，系統給予反饋，學生根據反饋的結果，及時調整和改進操作過程出現的問題，可以反復多次操作，直到解決操作過程出現的所有問題以及達到設定的生產目標要求。因此，學生通過生產虛擬仿真操作可以得到全面的操作訓練，實現了零消耗、零危險和無限次操作的過程，不僅全面掌握實踐操作要領，而且切實提高了解決復雜工程問題的能力。

此外，本專業通過開設特色鮮明的《冶金工藝實訓》課程，依托國家級擬仿真實驗教學中心，學生通過計算機和網絡資源，熟悉冶金企業計算機控制系統和操作界面，掌握冶金過程基本原理和流程，完成各項冶金仿真操作等，最后通過網上實時考核了解學生對于理論知識的掌握情況，有效提高了學生解決復雜工程問題的能力。

1.2 虛擬仿真實驗教學中心在冶金工程專業實驗中的應用

為突破冶金過程中高溫、高危、高成本等限制，解決傳統教學無法開展的高溫實驗及生產極端工況操作等實驗難題，本著校企共建、共同參與、共同研發的原則，開發了50余項虛擬仿真實驗項目。全部教學資源均通過校園網連接到互聯網，借助Mobile、WEB等信息技術手段，打破了傳統實驗教學模式，教學環節實施突破了實驗室界限，隨時隨地隨需開展網絡教學。除了專業學生的少數實踐環節外，學校開設的行業背景課程直接在普通教室內就可進入虛擬實驗室，選擇需要的實驗教學資源開展教學。

冶金工程實驗以前受實驗場地和實驗設備的限制，學生實際動手的人次有限，通常采用部分動手、部分觀摩的形式進行，而虛擬仿真實驗使得每個學生都有了實際動手的機會。在虛擬仿真實驗室虛實結合的實驗教學環境下進行實驗，可以保證所有學生同時進行操作，大大增加了學生實際動手的機會，學生的工程實踐能力得到了顯著增強。同時，在虛擬仿真實驗教學中，自由的學習時間、學習空間及多樣化的學習方式可明顯提高學生的自主學習能力。高仿真的實驗教學資源使得學生在畢業后能很快適應生產現場，快速進入崗位角色。

1.3 虛擬仿真實驗教學中心在畢業設計論文、科技競賽中的應用

國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心通過高爐煉鐵、轉爐煉鋼和熱連軋模塊為學生的科技競賽和畢業設計論文提供很好的實踐平臺。該中心的操作平臺具備全國模擬煉鋼、科技競賽等資源，并且對接世界網絡煉鋼資源，為學生參加國際網絡煉鋼大賽、全國模擬煉鋼—軋鋼大賽以及全國冶金科技競賽提供直接訓練和比賽平臺，2017年在該平臺曾舉辦重科杯全國模擬煉鋼—軋鋼大賽。此外，學生借助該中心平臺可以完成畢業論文，近年來，該平臺完成的基于轉爐虛擬煉鋼及優化、電爐虛擬煉鋼及優化以及二次精煉的模擬及優化等畢業論文內容，克服高溫條件下無法親自進行的轉爐煉鋼、電爐煉鋼和二次精煉實驗操作，實現零成本完成畢業論文和科技競賽。

2 虛擬仿真實驗教學中心的應用效果

國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心秉承“以學生為本，注重學生知識、能力和素質的協調發展，突出工程實踐能力，強化責任意識和創新思維培養”的實驗教學理念，營造了儀器設備先進、資源共享、開放服務、高效運行、安全環保的實驗教學環境，為學生的自主學習、研究性學習個性發展創造了條件，對全面提高學生的實踐能力和創新能力成效顯著。國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心自建成以來，冶金工程學生完成各類實驗、實習和實訓等課程，年服務冶金工程學生800人次，每年完成人時數1.5萬，共培養本科生900余名。我校冶金工程專業學生參加全國冶金科技競賽榮獲“轉爐煉鋼”一等獎1項；榮獲“火法煉銅”一等獎2項和二等獎1項。參加全國模擬煉鋼—軋鋼大賽，分別榮獲了高校組煉鋼一等獎4項，榮獲高校組團體一等獎1項。在2015年和2020年，分別兩次獲得世界模擬煉鋼挑戰賽總冠軍，并且連續六年蟬聯中國賽區冠軍，一直保持我國大學生參加該賽事的最佳成績。重慶日報、人民網、華龍網等媒體國家級擬仿真實驗教學中心取得的成績爭先報道。近5年，先后獲得了重慶市教學成果獎一等獎2項、二等獎1項。獲批“復雜金屬礦產資源增值循環與清潔提取”重慶市高校重點實驗室。2017年10月，冶金工程專業通過了工程教育認證。2018年3月，以冶金工程專業為依托的項目“冶金類專業工程實踐教育體系與實踐平臺構建的研究與實踐”成功入選教育部首批“新工科”研究與實踐項目。2018年、2020年冶金工程專業分別獲批為重慶市和國家“一流專業”建設點。

3 結論

國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心構建了“大冶金、全流程”的高水平教學科研平臺，建立了與冶金工程專業實習、實驗、綜合實訓和畢業設計等相適用的教學系統，解決了冶金工程實踐教學時間、空間、資金等遇到的難題，建立了冶金工程實踐教學的新模式、新方法。通過將國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學中心資源應用于冶金工程專業學生的實習、實訓和畢業設計等實踐環節，激發了學生的學習興趣，增強了學生學習積極性和主動性，提高了學生解決工程復雜問題的能力，有效的提高了冶金工程一流專業本科生的培養質量。不僅有利于冶金卓越工程師的培養，而且極大地滿足了產業轉型升級和社會經濟發展對高水平應用型人才培養的需求。