基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程實踐課程建設

呂慶功， 許文婧， 秦 子

（北京科技大學高等工程師學院，北京 100083）

0 引 言

工程實踐是工程教育的重要組成部分，是培養解決復雜工程問題能力的重要教學環節［1］。鋼鐵生產系統作為典型的復雜工程系統［2］，是開展工程實踐教學的比較適宜的對象和載體。然而，現代鋼鐵生產系統具有生產規模大、自動化程度高、生產節奏快等特點［3-5］，學生在企業實習實踐時既不能靠近生產線深入了解生產過程和設備結構，也不能通過實際操作來學習工藝原理和生產知識，更不可能對生產控制系統進行設計、編程和調試，使得工程實踐教學效果受到局限。鋼鐵生產全流程虛擬仿真實踐教學平臺基于我校優勢學科資源進行建設，以現代大型鋼鐵企業的先進生產線為原型，具有良好的工程背景和豐富的虛擬仿真教學資源，配置有認知實踐、仿真操作、控制系統設計等功能模塊，為開展工程實踐課程改革提供了良好條件。本文介紹基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程實踐課程的資源特點、課程設計方案和教學實踐效果，旨在及時總結經驗和提高認識，持續改進工程實踐教學質量。

1 鋼鐵生產虛擬仿真教學資源特點

鋼鐵生產虛擬仿真教學資源（以下簡稱“資源”）以現代鋼鐵企業的代表性生產系統為對象和載體，將虛擬仿真技術與專業技術相結合，針對工程實踐教學進行開發，具有豐富的內容和素材、逼真的場景和功能、先進的工藝和技術、便捷的選擇和應用等特點。

1.1 豐富的內容和素材

資源覆蓋鋼鐵生產全流程的采礦、燒結、高爐煉鐵、轉爐、電爐煉鋼、爐外精煉、板坯連鑄、方坯連鑄、中厚板、熱軋帶鋼、冷軋帶鋼、高速線材等生產系統，內容涉及采礦工程、冶金工程、材料科學與工程、能源與動力工程、機械工程、自動化、環境工程、安全工程等多個優勢學科專業。另外，開發建設的自動化虛擬仿真系統更是承載了模式識別、特征檢測與自適應控制、快速精確位置控制、多變量和液壓伺服控制、多變量系統解耦控制等控制功能和知識點，可以進一步拓展學生在自動化、信息化和智能化方面的工程視野。

1.2 逼真的場景和功能

虛擬仿真教學環境高度模仿企業場景，操作臺按工業標準制作，操控界面采用工業級組態軟件進行設計，配置有西門子虛擬控制器對仿真對象進行控制，同時設有與操控同步動作的3D虛擬場景。仿真對象數學模型以實際生產系統為原型，結合專業理論、生產數據和經驗知識進行開發，確保實踐教學的仿真度要求。在功能設置上，學生以參觀者的角色對鋼鐵生產車間進行3D漫游，也可以工藝工程師的角色對生產系統進行工藝計算、數據分析和質量優化，以及以生產工程師的角色進行生產準備、設備操作和產品質量控制，還可以控制工程師的角色針對典型控制環節進行控制參數整定、邏輯控制編程和人機界面設計。圖1和圖2為以中厚板軋制為例的控制界面和虛擬場景。

圖1 虛擬仿真控制界面（中厚板軋制）

1.3 先進的工藝和技術

以現代大型鋼鐵企業的先進生產線為原型開發仿真系統，確保虛擬仿真資源在工藝、設備、控制和技術參數等方面的先進性。同時，虛擬仿真教學資源涉及諸多鋼鐵生產先進技術，包括高爐噴煤富氧強化冶煉、鐵水預處理、轉爐頂底復合吹煉、濺渣護爐、鋼水爐外精煉、連續鑄鋼、連續軋制、控軋控冷、煤氣干法除塵等［6-8］。在資源開發中引入最新科研成果，包燕平教授團隊的“轉爐煉鋼教學培訓仿真平臺的技術集成與創新”和楊荃教授團隊的“高性能板帶產品在線質量測控裝備和關鍵技術”等10多項科研成果得到應用。

1.4 便捷的選擇和應用

教學資源沿著鋼鐵生產全流程各生產系統進行模塊化開發，每個生產系統又按照工序和操作步驟進行模塊化分解。在此基礎上，按照“基礎－綜合－創新”遞進關系分階段設置認知實踐、仿真操作、控制系統設計等模塊，便于師生根據教學需求進行選擇。在認知實踐模塊，電腦界面以生產流程為主線展開不同工序和步驟，而每個工序和步驟中又按照知識點進行分類展開。在仿真操作模塊，學生可以自主進行操作練習，也可以選擇考核模式由系統根據參數設定、操作順序、產品指標等進行自動評分。在控制系統設計模塊，學生以典型控制環節為對象，基于虛擬場景自主設計控制算法、編寫控制程序、設定控制參數，深入學習控制知識、原理和技能。

2 基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程實踐課程設計

基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程實踐課程按照基礎、綜合、創新3個階段進行構建，每個階段均有相應的課程目標、教學內容和考核方法。其中，每階段課程目標均采用知識和能力兩層次設計，把“解決復雜工程問題能力”納入高層次培養目標；課程內容按照認知實踐、仿真操作、控制系統設計3模塊進行設置，循序漸進；考核采用多元化方法，從不同角度測評學習效果。

2.1 “層次化”課程目標

工程實踐課程的教學目標不僅要考慮工程知識和專業技能的傳遞，更要考慮工程實踐與創新能力的培養。基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程實踐課程按照知識和能力兩個層次進行目標設計，其中，第1層次目標主要體現為對復雜生產系統和設備的認知、體驗和實踐，第2層次目標則主要體現為對復雜工程問題的認知和解決能力的培養。二層次課程目標在基礎、綜合、創新3個不同教學階段中具體體現有所不同，見表1。

表1 不同課程階段的二層次課程目標

2.2 “模塊化”教學內容

基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程實踐課程內容覆蓋鋼鐵生產全流程，按照“基礎－綜合－創新”遞進關系分階段設置認知實踐、仿真操作和控制系統設計3個教學模塊。

（1）認知實踐模塊。該模塊屬于基礎認知階段，涵蓋12個鋼鐵生產系統，主要面向認識實習及認知類課程。教學內容包括：①概述鋼鐵生產全流程，使學生對鋼鐵聯合企業的生產工藝過程有一個總體認識；②學習各個生產系統的產品信息、工藝原理、工藝過程、主要設備結構、檢測系統組成等；③基于鋼鐵生產虛擬仿真操作功能，初步了解和體驗生產操作過程；④基于自動化虛擬仿真實踐教學系統，了解控制系統的結構、控制系統與生產系統之間的關系，初步認識控制元器件；⑤基礎知識型問題研討。

該模塊的教學要點是：①鋼鐵生產全流程概述要簡明扼要，重點闡述鋼鐵生產全流程中各生產系統的功能及相互關系；②各生產系統工藝概述也要言簡意賅，講述時關注生產線內各工序的基本原理及前后銜接關系，使學生對生產工藝建立系統性認識；③教學過程中要充分利用虛擬仿真教學資源，引導學生以自主實踐學習為主，充分發揮學生的主觀能動性；④在仿真操作部分，可選擇1～2個生產系統進行操作演示，重在使學生對生產操作建立感性認識；⑤注重將大國鋼鐵、黨史國情等思政元素融入實踐教學過程，激勵學生宏揚工匠精神、堅定專業自信、樹立正確三觀。

（2）仿真操作模塊。該模塊屬于綜合實踐階段，涵蓋12個鋼鐵生產系統，主要面向生產實習及專業實踐課程。教學內容包括：①老師演示生產系統的工藝計算、生產準備、生產操作、生產過程分析、產品質量控制及操作要領；②學生自主觀看操作引導視頻，深化對生產操作的認知和理解；③學生在老師指導下自主練習，深入體會生產操作的邏輯和要點，達到能自主完成生產操作過程；④在仿真操作考核模式下，學生按照老師給定的鋼種和工藝條件自主完成生產操作，系統根據操作過程、產品質量指標和操作時間等進行自動評分；⑤思考型問題研討。

該模塊的教學要點是：①可根據學生專業特點選擇幾個生產系統進行重點學習，每個生產系統的仿真操作實踐時間不超過1周；②要注重結合工藝原理以及各個操作之間的邏輯關系進行指導，強調產品、工藝、質量和成本之間的關聯；③學生自主實踐過程中，應注重以學生為中心，多與學生交流，注意興趣引導；④仿真操作考核時，采用布置鋼鐵產品生產任務的方式，充分發揮學生的主觀能動性，允許多次考核取最高分作為最終考核成績。

（3）控制系統設計模塊。該模塊針對鋼鐵生產全流程中的9個典型控制環節，基于工業級組態軟件和虛擬控制器進行實踐，屬于創新實踐階段，主要面向生產實習、工程設計及實踐創新課程。教學內容包括：①基于認知實踐功能學習典型控制環節的工作原理、關鍵參數、控制系統組成、控制元器件結構和原理等；②對典型控制環節的控制過程進行實時仿真和操作，通過設定變量或調整控制參數等方法使系統的控制精度或性能指標達到要求；③針對控制對象進行控制算法設計，基于虛擬控制器進行邏輯控制編程；④針對控制對象進行控制模型和算法設計，基于工業組態軟件進行人機界面設計；⑤研究型問題研討。

該部分的教學要點是：①本模塊教學時間按1周設置，老師根據上課學生的專業特點和修課背景重點選擇2～3個控制環節進行實踐；②在學生實踐操作之前，老師要引導學生充分理解控制對象的工藝原理、控制目標、關鍵參數和動態特性；③在實踐學習過程中，老師重在思路引導、目標驅動，具體實現方法則應激勵學生自主探索；④鼓勵采用分組合作的方式完成控制系統的設計與調試過程，培養團隊合作精神。

2.3 “多元化”考核方法

鋼鐵生產虛擬仿真工程實踐課程的考核方法包括：學習日記、理論考核、仿真操作考核、實習報告。其中，學習日記記錄學生每天的學習情況，老師會根據日記情況與學生交流并給予評價反饋；理論考核是基于老師在管理后臺預設的選擇題和判斷題進行的無紙化考核；仿真操作考核主要檢驗學生在操作、質量、成本、時間、精度等方面的綜合能力，由系統按照預設的考核指標進行自動評分；實習報告則要求學生結合學習內容，按照規定的格式和要求進行編寫，使學生在歸納、總結和分析中提高實踐能力和認知水平。虛擬仿真認知階段課程的考核成績按照平時成績50%（含學習日記和理論考核）和實習報告50%計，仿真操作和控制系統設計階段課程的考核成績按照學習日記20%、仿真操作40%和實習報告40%計。

3 教學實踐效果

鋼鐵生產虛擬仿真實踐教學平臺自2014年建成以來，陸續開設了“工程實踐ⅠA”“工程實踐Ⅱ（虛擬仿真）”“鋼鐵生產虛擬仿真實踐A”“鋼鐵生產虛擬仿真實踐B”等實踐課程，同時接待全校相關專業學生的虛擬仿真認識實習和生產實習，教學內容涵蓋認知實踐、仿真操作和控制系統設計，每年接待學生1 500余人。在教學實踐中，平臺開展“跨學科”課堂建設，推進“問題中心”研討教學，倡導“任務驅動”探究學習，助力“能力導向”認證支撐，積極探索實踐教學改革。

3.1 建設“跨學科”課堂

跨學科教育是后工業時代科技知識生產方式轉型對人才培養提出的必然要求，是對長期以來實施的基于特定學科或專業劃分的教育模式的一種變革或轉型［9］。基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程實踐課程具有跨學科教育的5個要素［10］：①問題。具有超出單門學科范疇的現實關注復雜問題“鋼鐵是怎樣練成的”；②學科。以既有學科為基礎和依托，涉及我校多個優勢學科；③目的。通過實現解決方案提升學生能力素質為目的，明確把“培養解決復雜工程問題能力”作為課程的高層次目標；④過程。基于鋼鐵生產虛擬仿真的實踐學習是針對解決復雜工程問題能力培養的有計劃、有步驟遞進迭代的過程；⑤利益相關者。鋼鐵生產具有生產規模大、產品用途廣、社會影響面寬等特點，涉及利益相關者眾多，基于鋼鐵生產系統的學習過程必然體現對各利益相關者的關注。這5個要素與跨學科的教師、學生及環境一起構成跨學科的課堂。

3.2 完善“問題中心”研討教學

以問題為中心的教學方式是研究型教學的方式之一，而研究型教學的本質屬性也在于教學內容的“問題意識”和教學方法的“研究性”［11］。基于認知實踐模塊的基礎階段課程主要采用“問題為中心”的研究型教學方式，基于“鋼鐵是怎樣練成的”這個現實關注問題，以“情景導入、發現問題、提出問題、分析問題、解決問題”為主線進行教學組織。在情景導入階段，老師基于鋼鐵生產場景，以講授、演示、提問等方式進行啟發引導，讓學生了解鋼鐵生產的背景和意義，激發學習興趣。在發現問題和提出問題階段，可以由老師提出問題，也可以由學生在學習過程中自主發現問題并主動提出問題。在分析問題和解決問題階段，要鼓勵同學們積極主動思考，打開腦洞，分析問題本質，尋找可行的甚至是創造性的解決方案。該教學方式得到了學生的好評，比較典型的學生反饋：“老師帶給我們研究問題的學習方法可以伴隨我們一生。在未來，我也會在做事的時候多思考，發現問題，提出問題，然后查閱資料解決問題，可能這就是這門課所帶來的最大收獲——提問的習慣。”從課堂抽查和課后學習總結的情況來看，學生學完課程后大多可以比較準確地回答“鋼鐵是怎樣練成的？”這個問題，工程思維和系統思維意識有明顯提升。

3.3 實現“任務驅動”探究學習

任務驅動探究學習是現代工程實踐教學的重要方式之一［12-13］。基于仿真操作模塊的綜合階段課程采用“應用為中心”的教學組織方式，學生為了完成冶煉和軋制任務，需要全面系統地了解鋼鐵生產系統、工藝原理和設備結構，應用專業知識進行工藝計算和參數設定，完成生產準備，并準確進行生產操作，最終生產出合格產品且成本控制在合理范圍。基于控制系統設計模塊的創新階段課程則采用“設計為中心”的教學組織方式，學生針對典型控制環節，基于虛擬場景進行控制系統架構、控制模型和算法設計、邏輯控制編程、控制參數整定、人機界面組態設計等，最終完成控制系統設計任務。這些過程體現了比較明顯的“任務驅動”探究學習特點，學生為了完成任務，主觀能動性得到很大提升，主動查閱資料、請教老師和同學，共同探討完成任務過程中遇到的問題，學習氣氛非常活躍。比較典型的學生反饋：“一整節課下來，我一共練了5包鋼。從剛開始的沒有成績，到后來及格線上下徘徊，最后終于練出了一包80分的鋼，真的是在反復失敗、掙扎、反思、總結中，逐步成長起來。”

3.4 提升工程實踐和創新能力

我國2016年成為《華盛頓協議》正式締約成員，按照該協議要求，通過工程教育認證的工程專業不僅要深入理解和把握復雜工程問題，更要按照國際實質等效原則培養學生具有解決復雜工程問題的能力。解決復雜工程問題能力已然成為工程專業畢業生必須具備的最本質的素質或要求［14-15］。基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程實踐學習是針對解決復雜工程問題能力培養的有計劃、有步驟的過程。基礎階段課程采用“問題為中心”教學方式，在研討過程中引導學生樹立問題意識和工程思維；綜合階段課程采用“應用為中心”教學方式，引導學生按要求完成生產任務，鍛煉綜合實踐能力；創新階段課程采用“設計為中心”教學方式，使學生在設計控制系統過程中進一步深入理解鋼鐵生產工藝原理和自動控制機制，培養實踐能力，涵養創新意識。在分層遞進的學習過程中，學生對復雜工程問題的認知水平和解決能力得到螺旋式提升。基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程實踐課程促進了學生對復雜工程問題的理解，提升了工程實踐與創新能力，在我校10多個本科專業的工程教育認證中發揮了積極作用。

4 結 語

基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程實踐課程，以復雜工程系統和虛擬仿真資源環境為支撐，采用“層次化”課程目標、“模塊化”教學內容、“多元化”考核方法，在“跨學科”課堂建設、“問題中心”研討教學、“任務驅動”探究學習、“能力導向”認證支撐等方面進行了有益探索，取得了良好效果。實踐表明，基于鋼鐵生產虛擬仿真的工程實踐教學可有效彌補企業實踐的不足，受到師生廣泛認同。總結課程建設與教學實踐過程，基于工業背景的虛擬仿真工程實踐課程建設符合現代工程教改方向，可有效支撐工程教育專業認證，是值得深入研究與發展的領域，還需繼續努力與實踐。①要認真研究工程教育專業認證標準，深刻理解解決復雜工程問題能力的內涵，夯實課程建設的理論基礎；②要認真研究虛擬仿真教學資源的技術內涵，在內容設計、知識點關聯和應用體驗上多下功夫；③要認真研究教學方法，更新教學理念，深入開展“問題導向、任務驅動”研究型教學，切實提升教師的工程實踐教學能力。