材料綠色制造虛擬仿真實驗教學平臺的建設與實施

王亞麗　崔素萍　龔先政

［摘 要］ 綠色制造是對傳統制造業改造升級的戰略性新興產業，對人才提出了更高的要求，現有材料制備與性能實踐平臺無法與實際材料制造過程有效結合，實踐課程無法滿足學生都能進行親身實踐，因此需要建立虛實結合的實驗教學平臺。依托材料專業工程實踐教學平臺和工業大數據應用技術國家工程實驗室，創建了一系列先進的、貼近工業現場的典型材料制造虛擬仿真實驗教學項目，形成了典型材料綠色制造虛擬仿真實踐教學平臺，構建了具有資源節約和環境友好特色的實踐教學體系，為培養高新技術產業發展所需的創新型人才奠定了基礎。

［關鍵詞］ 材料綠色制造；虛擬仿真；實踐教學；創新能力

［基金項目］ 2020年度新工科研究與實踐項目“材料專業綠色化信息化改造升級的探索與實踐”（E-CL20201901）；2020年度北京工業大學教育教學課題“典型材料制造虛擬仿真實驗教學項目共建與整合優化研究”（ER2020B042）

［作者簡介］ 王亞麗（1978—），女，河北邢臺人，博士，北京工業大學材料與制造學部教授（通信作者），博士生導師，主要從事水泥熟料化學和水化化學研究；崔素萍（1964—），女，山西榆次人，博士，北京工業大學材料與制造學部教授，博士生導師，主要從事水泥和水泥基材料研究；龔先政（1967—），男，四川蒼溪人，博士，北京工業大學材料與制造學部教授，博士生導師，主要從事生命周期分析科學數據和大數據應用技術研究。

［中圖分類號］ G424.31 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）07-0001-04 ［收稿日期］ 2022-06-10

《中國制造2025》的基本方針是“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”，促進制造業數字化、網絡化、智能化，而基于綠色制造的傳統制造業的改造升級和發展戰略性新興產業等對人才提出了更高的要求，強調要加強節能環保技術、工藝、裝備推廣應用，全面推行清潔生產，學生需要掌握資源、材料、加工制造、環境、信息等多種學科知識。應對新經濟的調整和產業變革需求，在教育部的積極推進下，大數據、云計算、智慧物聯網等信息化技術融合的新學科建設受到越來越多的關注［1-4］。為貫徹落實《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》，教育部辦公廳發布了《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》（教高廳〔2017〕4號），教育部發布了《關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》（教高函〔2018〕5號）。

虛擬仿真實驗是采用虛擬仿真現實、人機交互、數字化、智能化技術等手段，根據理論與實驗教學的需求設計出用于輔助教學的虛擬場景、虛擬環境、虛擬儀器設備、實驗線路或回路、實驗器件及構件庫、演示和判別理論，以及實驗過程和標準等內容，創設符合教學目標的情境問題，調動學生參與實驗教學的積極性，并主動總結和驗證結果［5-9］。我國材料綠色制造業高速發展自動化、智能化的生產流程限制了現場教學，學生即使到了生產一線也只能走馬觀花，或者在全自動中控室面對跳動的數據，無法進行材料生產過程關鍵工藝參數的采集與分析，現有材料制備與性能實踐平臺無法與實際材料制造過程有效結合，因此要將實踐教學與虛擬仿真教學高度融合，構建材料綠色制造虛擬仿真實驗教學平臺，提高學生對材料流程專業知識的認知度。

一、虛擬仿真實驗教學平臺的建設需求

基于綠色制造的傳統制造業的改造升級和發展戰略性新興產業等對人才提出了更高的要求，應該具備“專”和“通”兩方面的能力。“專”是指專業方面的能力，包括理論分析與抽象能力、問題理解與求解能力、系統分析與設計能力、系統開發與實現能力、系統應用與管理能力、實踐經驗與動手能力及持續學習與改進能力等。“通”是指跨文化的溝通能力、項目組織與團隊協作能力、經營管理能力、創新能力及國際競爭能力等。面向生態城市建設和材料產業發展需求，培養具有材料與環境協調發展理念，具備人文社會科學素養，以及堅實的自然科學基礎、工程基礎和材料科學與工程專業知識，能夠應用工程原理在解決與材料相關的復雜工程問題中發揮有效作用的人才。實驗教學是學校培養學生實踐和科研能力等綜合素質的重要環節。知識源于實踐，能力來自實踐。加強實驗教學，一方面可以幫助和促進學生對理論知識的理解，突出理論知識的應用性；另一方面可以使學生在實驗和理論的對比中找到差距，加深理解，幫助其分析問題。在新工科和“資源節約、環境友好”的背景下，材料專業應該從專業、課程和知識體系等方面討論新結構，提出新工科在教學等方面需要新方法，改革以強化工程應用能力為目標的“資源節約與環境友好型”材料實踐教學體系。教育部明確了示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的目標及內容，并提出了以學生為中心的實驗教學理念、準確適宜的實驗教學內容、創新多樣的教學方式方法、先進可靠的實驗研發技術等8項具體要求。以資源節約與環境友好為主導的“虛實結合，仿真互動”深度融合的典型材料制造虛擬仿真項目十分必要。

二、虛擬仿真實驗教學平臺的建設目標

依托北京工業大學材料與制造學部材料專業工程實踐教學平臺和工業大數據應用技術國家工程實驗室，以學生為主體，以社會需求為導向，以全面工程教育為手段，以能力和素質培養為核心，設計一系列先進的貼近工業現場的，以資源節約與環境友好為主導的“虛實結合，仿真互動”深度融合的材料綠色制造虛擬仿真項目，打造典型材料生產流程的基礎實驗、綜合實驗、實習實訓、設計研究虛擬仿真實踐教學平臺，構建新工科背景下“兩型社會”（資源節約型社會、環境友好型社會）的材料類工程實踐教學體系，結合實際的工程課題，借助虛擬項目進行工程人才培養，培養出高新技術產業發展和國際化大都市所需的具有較強實踐能力、扎實工程基礎的專業創新型人才，為國家的創新人才培養和經濟建設發揮重要的作用。

三、虛擬仿真實驗教學平臺的建設內容

我校虛擬仿真實驗教學平臺的建設內容包括材料生命周期工程實踐平臺，以企業的實際運行情況開發數字技術與專業融合的虛擬仿真實踐項目，以及線上線下相結合的全過程、多場景的教學模式。

（一）研制了數字技術與專業融合的虛擬仿真實踐項目

通過深入分析材料科學與工程專業的學生培養的實習、實踐教學需求強烈和實踐教學基地不足的矛盾，結合計算機模擬仿真開展實踐教學。將資源節約和環境友好的元素融入材料的“四要素”，更新、改進并提升材料制備、材料加工、材料性能測試和材料結構分析的基礎實驗課程內容。材料綠色制造虛擬仿真教學項目通過模擬工廠的真實生產環境，輔以動畫、虛擬場景、高清視頻等多種表現形式，培養學生解決工程及科學研究問題的能力與素質，同時熟悉材料生產過程中的相關標準，以及安全、衛生、環境等法律法規，增強理論課的實踐效果，提高學生的學習興趣，增強傳統專業的吸引力。我校設計了“水泥企業3D實景生產系統”（見圖1）。該系統基于水泥生產企業實景測繪，以動畫、漫游、虛擬場景等多角度地呈現了水泥生產設備、物流及工藝的相互關系。我校建立了“水泥熟料生產線仿真系統”（見圖2）。該系統以設備仿真操作、過程控制參數仿真、操作呈現、操作過程評價等交互方式進行仿真訓練，并加強學生對水泥生產流程的認知和操作控制。我校完成了“水泥生產熱工系統物質流/能量流測試與計算虛擬仿真實驗”（見圖3）。在線模擬虛擬環境下的水泥生產線關鍵熱工參數的溫度、壓力、表面散熱、煙氣成分、粉塵含量的測試、數據獲取、計算等過程。一系列的以材料全生命周期評價為核心的從專業基礎到工程應用的多層次實踐教學體系，提升了學生運用材料學科的基礎知識解決具體工程問題的能力。

（二）創建了融合數字技術的材料生命周期工程實踐平臺

我校依托工業大數據應用技術國家工程實驗室，建立了融合數字技術的材料生命周期工程實踐教學平臺。相關教學團隊逐漸加強科研成果與教學研究的有機結合，將現行的國家標準、設計規范與行業認證綠色制度等融入相關課程的理論與實踐教學，通過將企業實際的綠色制造設計研發與管理運行數據以教學案例庫的形式進行整合優化（見圖4），并依托專業軟件建立融合材料生態設計、清潔生產技術優選、綠色產品評估認證等綠色制造全流程一體化的理論實踐教學平臺。實驗均來自教師承擔的國家重大專項、國家自然基金項目、企業合作等項目，調動學生的主動性和積極性，形成自主學習的良好習慣。在實驗中提升學生發現問題并解決問題的能力，根據實際情況及時調整實驗教學模式，實現向綜合型、設計型、創新型實驗過渡，從而滿足多階段學習、多方式實踐，使學生在信息獲取能力、基本實驗能力、創新能力、總結分析能力、團隊合作能力等方面都得到提升。

（三）建立了基于網絡的遠程教學和基于翻轉課堂的引導式、開放式教學相結合的虛擬仿真教學模式

虛擬仿真教學是信息技術與實驗教學深度融合的產物，拓展了學生的學習資源和空間，豐富了學生的學習模式，特別是可以虛擬仿真危險實驗，彌補了不能開設這樣課程的不足。開創了線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學模式，將基于網絡的遠程教學和基于翻轉課堂的引導式、開放式教學相結合，借助網絡平臺下的虛擬仿真技術，通過信息技術與專業知識的有機結合，豐富了教學內容，提高了學生的學習興趣。虛擬場景下的全流程、多工位動態仿真，必將扭轉學生對材料制造工藝的傳統認知，學生通過完成教學項目，能有效調動學習的積極性，既掌握了實踐技能，又掌握了相關安全知識；既學習了課程，又學習了工作方法幫助解決問題，能夠充分發掘學生的創造潛能，提高了學生解決實際問題的能力。

四、材料綠色制造虛擬仿真實驗教學平臺實施效果

材料綠色制造虛擬仿真實驗教學平臺以學生為主體，以社會需求為導向，以全面工程教育為手段，以能力和素質培養為核心，鼓勵學生利用虛擬仿真平臺和材料制備與性能創新創業實訓平臺，通過策劃、設計和創造，進行創新型實驗課、校內生產實習等教學科研實踐活動，實踐訓練受益學生1000多人。學生依托材料專業工程實踐教學平臺和工業大數據應用技術國家工程實驗室，分析和解決了材料生產和實踐中遇到的問題，將設計方法和思路在該教學平臺進行實驗驗證、申報專利、發表論文。材料綠色制造虛擬仿真實驗教學平臺的實施將培養一批具有較強工程能力、扎實專業知識的創新型人才，為國家建設和社會發展做出貢獻。

參考文獻

［1］李漢挺，劉利斌.基于物聯網、云計算、大數據環境下高校智慧校園的建設［J］.中國新通信，2017，19（15）：72.

［2］李雄，孫路遙.虛擬仿真教學的內涵、設計及應用［J］.中國教育信息化，2019（6）：21-25.

［3］劉亞豐，余龍江，盧群偉，等.教育信息化背景下虛擬仿真教學資源建設［J］.實驗科學與技術，2018，16（2）：195-198.

［4］王海山.虛擬仿真教學在高校實訓培訓中的探索［J］.教育教學論壇，2019（51）：161-162.

［5］李雄，孫路遙.虛擬仿真教學的內涵、設計及應用［J］.中國教育信息化，2019（6）：21-25.

［6］胡東萍，張延玲.虛擬仿真教學在應用型本科中的應用［J］.亞太教育，2016（18）：63-63.

［7］陳吉朋，劉英，許林云，等.高射程噴霧機優化設計虛擬仿真實驗平臺開發［J］.實驗科學與技術，2020（18）：150-154.

［8］熊宏齊.虛擬仿真實驗教學助推理論教學與實驗教學的融合改革與創新［J］.實驗技術與管理，2020，37（5）：1-4+16.

［9］王嘉晨，劉璐，王小鋒，等.虛擬仿真技術對改進實驗教學的探索［J］.廣州化工，2020，48（8）：148-150.

Construction and Implementation of Virtual Simulation Experiment Teaching Platform for Material Green Manufacturing

WANG Ya-li， CUI Su-ping， GONG Xian-zheng

（Faculty of Materials and Manufacturing， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： Green manufacturing is a strategic emerging industry for the transformation and upgrading of traditional manufacturing industry， which puts forward higher requirements for talents. The existing material preparation and performance practice platform cannot effectively combine with the actual material manufacturing process， and the practice course cannot meet the needs of each student to carry out personal practice. It is urgent to establish an experimental teaching platform combined with virtual reality. Relying on the engineering practice teaching platform of material specialty and the national engineering laboratory of industrial big data application technology， a series of advanced virtual simulation experiment teaching projects of typical material manufacturing close to the industrial site are created. The virtual simulation practice teaching platform of typical material green manufacturing is formed， and the practice teaching system with the characteristics of resource saving and environment friendly is constructed， which lays a foundation for cultivating innovative talents needed for the development of high-tech industry in Beijing and international metropolis.

Key words： material green manufacturing; virtual simulation; practice teaching; innovation ability