水泥生產熱工系統物質流/能量流測試虛擬仿真教學項目設計與實現

王亞麗 崔素萍 龔先政 李小青

摘要 文章針對自動化、智能化的水泥生產流程限制現場實踐教學的現狀，通過模擬水泥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，使學生在虛擬生產環境下對水泥生產溫度、壓力、表面散熱、煙氣成分、粉塵含量進行模擬、計算，深入了解水泥生產過程的物質流/能量流轉換，熟知水泥生產流程中熱工參數的測試分析手段和節能措施及效果評價等知識原理，提高學生的學習興趣和對材料流程專業知識的認知度，增強科學研究問題的能力。

關鍵詞 水泥生產；物質流/能量流；虛擬仿真；實驗教學

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.019

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化工程的主要教學內容，為學生進行探索式的獨立實踐、協作式學習和創造性實踐活動提供先進的技術手段[1-3]。教育部下發了《教育部辦公廳關于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）和《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、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、實驗過程及標準等內容，創設符合教學目標的情境問題，調動學生積極性參與實驗教學，主動總結和驗證結果[4-5]。

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，實訓效果受到影響。同時水泥生產現場高溫、高塵、高風險的環境，學生安全無法保障，現場實踐教學也易引起實際生產的工藝參數波動，但是實驗室的純理論教授無法激發學生的學習熱情，因此有必要將實踐教學與虛擬仿真教學高度融合，從而提高學生對材料流程專業知識的認知度。

1虛擬仿真教學的必要性及實驗目標

水泥工業流程的各作業工序間相互獨立又互成反饋，是一個系統工程，不具備現場教學條件，并且涉及高危或極端環境，無法與實際工程結合，學生不能上手操作，不能理解工藝參數變化對產品的影響，而純理論教學往往效果不理想[1]。實驗的必要性如下：

第一，專業人才需求與實踐教學平臺無法滿足工程訓練的矛盾。“新工科”建設對于材料專業的工程實踐教學體系提出了更高的要求，現有實踐教學平臺無法與實際工程結合，實踐課程無法滿足學生進行貼近工程實際的訓練，特別是水泥生產過程中物質與熱能轉換、測試手段和節能措施等知識的實踐更是無法實現。

第二，水泥流程工業連續穩定運行無法滿足學生對不同復雜工程場景的體驗，無法進行材料生產過程關鍵工藝參數的采集與分析，實訓效果受到影響，同時現場實踐教學易引起實際生產的工藝參數波動，實驗室的純理論教授無法滿足學生親身實踐的需求，學習激情不高。

水泥生產熱工系統物質流/能量流測試虛擬仿真教學項目以水泥企業生產線的水泥窯高溫熱反應系統為對象，進行熱工性能參數測試與計算分析的虛擬仿真教學實驗。設立溫度、壓力、表面散熱、煙氣成分、煙塵采樣收集、熱工參數計算與環境影響分析等水泥制造過程熱工物質流、能量流等熱工性能參數性能測試與平衡計算的虛擬仿真教學實驗，學生在虛擬的生產環境中進行水泥生產熱工系統物質流/能量流測試與計算實驗，提高學生發現、提出、解決問題的綜合能力與素質。虛擬仿真教學的實驗目標如下：①模擬水泥工廠的真實生產環境，進行水泥生產流程、關鍵設備運轉仿真和工藝控制仿真，輔以動畫、虛擬場景、高清視頻等多種表現形式，提高學生對材料流程專業知識的認知度。②通過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，掌握水泥生產熱工性能測試，增強理論課的實踐效果。③培養學生結合材料生產實際場景計算分析生產數據，針對水泥制備過程中復雜的物理化學反應與熱能量轉化工程實踐對環境、社會可持續發展的影響。

實驗教學目標的達成提升了學生運用深厚的材料學科基礎知識解決具體工程問題的能力，有助于學生畢業后在材料科技型企業（研究、設計院）、生產型企業、咨詢服務型企業等從事新產品研究、技術開發、工藝設計、技術改造、工程應用等方面的工作奠定相應的基礎。該虛擬仿真實驗打造跨學科、高水平具有資源節約和環境友好特色的實踐教學體系，提高學生的工程實踐能力、科研創新能力，培養具有較高實踐能力、工程基礎、較強專業知識背景的創新人才。

2虛擬仿真教學設計思路

虛擬仿真實驗模擬自動化、智能化水泥工廠的真實生產環境，創建了虛擬環境下的水泥生產工藝認知、溫度、壓力、氣體成分、煙塵采樣、表面散熱、熱工計算及性能分析7個實驗模塊。學生在虛擬場景中操作，如同親臨實境，感受互動。關鍵熱工參數測量完成后，分析水泥制備過程中復雜的物理化學反應與熱能量轉化工程實踐對環境、社會可持續發展的影響[2]。

模塊一水泥生產工藝認知，按生產流程順序，虛擬仿真從原料進廠至成品出廠的全部生產過程、主要設備和物料、氣體流向，讓學生多次重復親歷實際水泥生產工藝流程，分析水泥生產設備、物料流、能量流及工藝的相互關系，用相關科學原理識別和判斷材料制備各類工藝參數相互影響的復雜工程問題的關鍵環節。

模塊二至模塊六的學習，培養學生針對材料生產實踐中組成―工藝―性能―環境影響之間相互矛盾與沖突問題，完成水泥生產線關鍵熱工參數測試的方案設計，能夠選擇與使用恰當的測試手段對不同參數的測試設備選擇、環境影響評估等問題進行分析和計算。仿真實驗中所用的儀器設備均按1∶1的比例模擬真實環境中的熱工參數測試設備。無論是選擇電腦單機運行還是多個終端并行訪問該實驗系統，均可自由操控仿真儀器，突破了實體實驗時設備不足、不能滿足每位學生逐一親身實驗、實驗周期長的教學瓶頸。

通過模塊七熱工計算及性能分析的學習，使學生了解專業相關領域的技術標準體系、產業政策，合理評價復雜工程問題的專業實踐對環境和社會可持續發展的影響，學生熟悉材料熱工測試過程中的相關標準、安全、衛生、環境等法律法規。

3實驗教學方法

水泥生產熱工系統物質流/能量流測試與計算虛擬仿真形成了線上線下相結合的全過程多場景教學模式，包含設備選擇、測試部位點選、測試方法比較、測試過程、數據采集級計算分析的全過程，實現了學生知識體系的完整性。在仿真平臺上，虛擬仿真實驗教學一共設置了“認知學習”“操作練習”“實驗考核”三個模塊系統。各系統的功能如下：

認知學習系統：點擊“背景知識”，了解實驗背景、實驗目的、實驗原理和實驗任務。實驗前要求學生在課前先進行預習，學生考核合格后方可進行實驗。點擊“測量設備”，了解常用測試設備原理及應用，可依次點擊設備進行切換查看。點擊“生產線認知”，了解水泥生產線物質和能量流動路徑及測量點位情況[3]。

操作練習系統：進入“操作練習”模塊，點擊“任務列表”，選擇“溫度測量”“壓力測量”“氣體成分測量”“煙塵采樣分析”“表面散熱測量”“熱工分析”進行水泥生產熱工系統關鍵工藝參數測量，記錄測量數據。練習系統設置提示幫助模塊，引導學生完成實驗。

操作考核系統：進入“操作考核”模塊，操作考核模塊無操作提示，學生獨立完成水泥生產熱工性能測試與計算虛擬仿真的全流程仿真實驗，提交全過程的測量數據。考核模式下在關鍵知識點處設置考核題，點擊“提交”后，評判出分數并記錄考核題得分。實驗完成在線提交虛擬仿真實驗報告，包括實驗目的、實驗原理、實驗數據、結果分析和結論，提交教師評閱。

實驗共設置3個課時的教學內容。

第一課時：教師布置水泥生產線物質和能量流動路徑基礎知識的預習任務，引導學生主動學習，提前認知熱工系統測量設備，結合理論課內容初步掌握熱工系統測量實驗方法。學生在規定時間登錄仿真平臺預習，教師評閱學生預習情況，合格后解鎖進入后面的環節，不合格的給予反饋，要求再次復習直至合格。

第二課時：學生學習仿真實驗并進行關鍵熱工參數的虛擬實驗，分別完成溫度、壓力、表面散熱、煙氣成分、粉塵含量的操作測試過程。

第三課時：關鍵熱工參數測量完成后，根據采集的熱工參數，計算水泥制備過程中復雜的物質流、能量流變化，分析生產過程對環境、社會可持續發展的影響。所有環節完成之后，學生撰寫實驗報告，并在線提交給任課教師，由教師進行考核評估，系統給出總評成績。

實驗具備完善的評價標準，能實現客觀、公正的評價。考核模式包含操作考核、參數選擇考核、考核題等部分，考核得分由這三部分得分綜合判定。操作考核模塊無操作提示，學生自主完成整個實驗操作過程。參數選擇考核，考核模式下，學生需要根據已知參數計算出需要設置的參數進行實驗，根據最終計算出的熱工數據進行評分。考核模式下虛擬實驗過程中，在關鍵知識點處設置考核題，點擊“提交”后，評判出分數并記錄在考核題得分。

該教學方式創建了創新融合數字技術的全流程多場景水泥熱工測試系統實踐平臺，推動大數據、虛擬仿真技術在核心課程學習過程中的應用。

4仿真實驗的預期效果

本仿真實驗已面向北京工業大學材料科學與工程專業、資源循環科學與工程專業三年級學生的制造類、環境評價類課程和工作實習開放，累計服務的學生已將近500人次，同時面向社會進行培訓服務，服務社會300余人，為北京市建設和社會發展做出貢獻。從長遠來看，本實驗項目借助網絡平臺下的虛擬仿真技術，為傳統專業的教學實踐提供了一個契機，極大地豐富了教學內容，提高了學生的學習興趣[4]。虛擬場景下的全流程、多工位動態仿真，扭轉了學生對材料制造工藝的傳統認知，開發了數字化技術融合的材料制造實踐教學項目，培養了學生應用數字技術解決工業流程問題的能力[5]。

實驗根據實際情況，拓展了實驗教學內容廣度和深度、延伸了實驗教學的時間和空間，從而能夠滿足多階段學習、多方式實踐，使學生在信息獲取、社會責任感、創新精神、綜合實踐、團隊合作能力等多方面都得到提高。

課程還培養了學生通過虛擬仿真實驗掌握材料生產流程，與能源、資源、環境了相關參數的獲取與數據分析技能，樹立綠色發展信念、擔當綠色發展責任。結合課程講述水泥綠色制造與循環利用對于緩解資源耗竭、保護環境的重要性，闡述我國政府在生態文明建設、循環型社會構建方面的頂層政策設計及其在材料產業中的應用和發展，讓學生在學習知識的同時深入了解國家大政方針，樹立大國意識和文化自信，實現中華民族的偉大復興。

基金項目：教育部新工科研究與實踐項目（ECL20201901）；北京高等教育本科教學改革創新項目（201910005002）；北京工業大學教育教學課題（ER2022SJB01）。

參考文獻

[1]盛潔靜，王冬雪，楊波，等.實踐教學網絡平臺在高校教改中的研究與應用[J].實驗室科學，2019，22（2）：224-226.

[2]張春明，楊天鴻.虛擬仿真教學實驗中心教與學互動設計與實現[J].實驗科學與技術，2020，22（2）：97-104.

[3]彭剛偉，劉光虹，胡敬平.仿真模擬技術在化學平衡實驗教學的研究.[J].實驗科學與技術，2021（19）：145-149.

[4]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.

[5]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.