稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗在教學中的應用*

黃金堤，李 靜，李明周，劉付朋

(江西理工大學材料冶金化學學部，江西 贛州 341000)

稀土鐵合金是稀土金屬冶煉的主要產品之一，主要采用高溫熔鹽電解法制備。稀土金屬冶煉屬高溫高強度作業，長期面臨著崗位人工稀缺，高水平現場工藝技術人員培養困難等問題。對于稀土鐵合金冶煉過程(1100 ℃高溫環境)，其存在工藝流程長、實驗操作難度大、風險高等問題。在教學過程中，現有實驗操作均為小型高溫熔鹽實驗，安全性較低，存在高溫燙傷、有害氣體吸入等風險，且與真實生產過程存在較大差異，因此實踐操作環節較為薄弱，限制了學生動手能力的培養，導致學生實踐能力不足，難以滿足企業對高素質技術人才需求[1]。

虛擬仿真技術作為我國信息化戰略在教育領域的重要實踐內容，目前已被應用于各大高校的不同專業的課程教學中，可對傳統教學中難以實現的教學內容進行有效補充[2-4]。為此，本文依托《計算機在冶金中應用》課程，基于物料守恒、能量守恒、電化學守恒原理及傳熱學理論，通過計算機虛擬仿真技術手段及程序設計語言構建稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗平臺，該平臺可使學生系統的學習稀土鐵合金制備知識，快速了解稀土鐵合金生產流程；同時本虛擬仿真實驗平臺能夠根據給定的電流、電壓及投料量等工藝參數通過機理模型實時變更電解溫度、電解效率及金屬產量等信息，可開展稀土鐵合金冶煉虛擬實訓，不僅便于學生掌握稀土鐵合金冶煉的實踐操作技能，而且未來可進一步拓展應用于冶煉工人的崗前培訓，滿足新工科背景下對冶金領域新型復合人才培養的需求。

1 稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗平臺建設背景

“新工科”背景下，實踐教學作為提升學生創新能力的重要手段，一直是新工科人才培養的薄弱環節[5]。長期以來，冶金領域屬于以技藝為主的行業，對于本行業人才的知識儲備的夯實程度、知識體系的全面性、實踐操作及創新能力均具有較高的要求。尤其是目前“工業4.0、中國制造2025”時代背景下，智能化成為冶金行業可持續發展的重要指標，迫切需要大量具有較高綜合能力和創新能力的新型復合人才。實現冶金工藝智能化控制，需要具有冶金原理、冶金工藝學、大數據與人工智能實踐及計算機程序開發技術等多學科背景的專業人員進行定制開發[6-7]。然而，目前稀土冶金工業領域智能制造從業人員供需嚴重不足。為此，國內各大高校在本科階段開展了不同模式的復合型人才培養，如江西理工大學2009年開辦了軟件工程(冶金工程方向)、上海大學2020年開辦了“冶金工程-信息管理與信息系統”雙學士學位項目。這些項目旨在滿足國家戰略與經濟社會發展對冶金領域復合型人才的迫切需求。

此外，2020年突如其來的新冠肺炎席卷全球各地，各大高校往年固有的實習安排受到限制，云端實習新模式(云實習)應運而生。各大高校響應教育部充分發揮“互聯網+教育”的作用的要求，啟動各類課程的虛擬仿真實驗平臺教學項目，保證學生的各類教學實踐類和實驗類課程在疫情期間“不停學”[8-9]。

基于上述背景，本文將VR信息技術與稀土冶煉過程深度融合構建了稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗平臺，積極開展智慧教育模式的探索與實踐，切實推動教學理念與模式、教學內容和方法等的變革創新，充分發揮教育信息化在高等教育現代化中的支撐引領作用。

2 稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗平臺構建

以學生需求為中心，與企業深度融合，融合數字圖像處理、計算機圖形學、多媒體技術等技術手段，依托江西理工大學先進的網絡與硬件基礎設施，運用三維建模軟件和Unity 3D游戲引擎、C#程序設計語言設計開發稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗平臺。主要內容場景以稀土熔鹽電解車間為核心，以blender、CAD等三維軟件完成系統內圖像拼合、像素貼圖與視頻貼圖等資源整合，借助Unity 3D游戲引擎中實現人機交互，優化后輸出實現稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗平臺。

圖1和圖2分別給出了稀土鐵合金虛擬仿真平臺的登錄界面及工作界面。稀土鐵合金虛擬仿真實驗平臺包括三大模塊：稀土鐵合金冶煉理論知識庫模塊、稀土鐵合金熔鹽電解虛擬仿真操作模塊、稀土鐵合金生產質量管理評價模塊。其中稀土鐵合金冶煉理論知識庫模塊包括稀土合金相關理論、熔鹽電解法制取稀土金屬相關理論知識；稀土鐵合金冶煉虛擬仿真操作模塊包括熔鹽電解過程仿真實驗和合金質量檢測仿真實驗，讓學生掌握稀土鐵合金的生產全過程，實現從理論走向實踐的過渡；幾個環節環環相扣，層層遞進，從而使學生全面了解并掌握稀土金屬合金制備過程。

3 稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗平臺的教學實踐

3.1 教學目的

根據新工科教育的發展需求和冶金工程特色專業建設的要求，結合江西理工大學在稀土、鎢等領域的學科優勢，優化《計算機在冶金中應用》課程實踐教學體系，完善實踐教學內容。以冶金行業不斷發展對技術人才在實踐操作的需求作為課程教學內容設置依據，取代原有走馬觀花的實踐教學環節設置，按冶金職業技能需求來優化和豐富實踐環節內容，在進一步強化鎢、稀土等優勢領域教學內容的基礎上，拓展稀土鐵合金熔鹽電解過程虛擬仿真實驗作為課程實踐教學內容，從而促進協同創新驅動移動互聯開發高技能人才培養。

稀土鐵合金虛擬仿真實驗的教學目的主要包括以下三部分：

(1)基本技能。使學生掌握稀土熔鹽電解原理、基本概念(電極電位、槽電壓、電化學當量、電流效率)和技術指標；熟悉稀土電解槽結構及部件，了解電解槽的設計和應用；重點掌握稀土氟化物-氧化物熔鹽體系制備稀土合金原理、電極過程、工業實踐和操作方法。

圖1 稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗平臺登錄界面Fig.1 The login interface of the virtual simulation experiment platform for rare earth ferroalloy smelting

圖2 稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗平臺實訓界面Fig.2 Training interface of virtual simulation experiment platform for rare earth ferroalloy smelting

(2)能力培養。①借助虛擬仿真技術，通過構建逼真的稀土冶煉廠三維布局、設備連接，工藝流程等生產要素，為學生提供一個高仿真度、高交互操作、全程參與式、實時反饋、虛擬的典型稀土合金生產過程，幫助學生打造生動、逼真的稀土鐵合金冶煉虛擬場景，使學生獲得“親身”體驗的感受，讓學生更直觀了解稀土冶煉過程，激發學生的學習興趣，提高學生自主學習的能力。②借助虛擬現實教學，提供良好的人機交互，學生可以在虛擬仿真平臺下完成在生產實際中十分危險或由于時空間隔完全不可能的實驗，自行了解錯誤的根由及后果，發現解決問題的方法，進而通過分析、綜合、比較、歸納、推理等高級思維技能圍繞假設進行論證，形成發現式的學習風格和策略，培養高層次的思維技能，使其具備一定的創新能力和解決復雜工程問題的能力，提高學生就業上崗和職業變化的適應能力。

(3)拓展應用?？蓪⒃撎摂M仿真平臺進一步拓展應用于行冶煉工人的崗前培訓，同時也可以作為一線研發人員工藝改革的虛擬實驗平臺，為生產實踐提供了有效的開放平臺。

3.2 教學效果評價

稀土鐵合金虛擬仿真實驗平臺屬于《計算機在冶金中應用》中的實驗課程，由教師在課堂上對稀土鐵合金冶煉相關的基礎知識進行系統講解后，學生在虛擬仿真實驗室完成該次實驗課?？己朔绞接衫碚摐y驗考核(30分)、虛擬實驗考核(40分)和實訓報告考核(30分)三部分組成，成績采用百分制形式，其中理論測驗、軟件操作評分由系統自動評價，實訓報告由老師進行評價。虛擬實驗考核中，各場景模塊中設置了安全教育環節、冶煉設備安裝拼接環節、熔化及電解過程相關知識問答環節。其中安全教育環節，若學生回答錯誤，實驗將無法繼續進行，務必保證學生樹立牢固的安全意識?？己诉^程中學生答題或操作錯誤，系統將自動扣分，并給出學生該次虛擬實驗的得分。最后結合實訓報告成績，給出最終的成績，系統評價學生的學習情況，檢驗教學效果。

4 結 語

運用VR信息技術手段，融合稀土冶煉過程涉及到的多學科知識，構建了稀土鐵合金冶煉虛擬仿真實驗平臺。該平臺對冶金工程專業的基礎課程和實驗實踐教學提高了重要支撐，有效地解決了本專業傳統實驗教學高成本、設備種類繁雜、危險操作不可逆、校內外實訓基地受時間及空間限制無法完全滿足本科生生產實習和大型工程訓練等問題，從而拓展了實踐教學的廣度和深度，培養了學生工程意識、實際操作能力、分析解決問題能力、研究設計能力和創新能力，全面提升了實驗教學水平。