虛擬仿真實踐教學平臺在冶金機械專業(yè)教學中的探索與實踐

楊霞 馬立峰 朱艷春 劉光明 姬亞鋒 李華英

［摘 要］高等學校開展虛擬仿真實踐教學活動是高等教育網(wǎng)絡化、信息化、虛擬化、共享化發(fā)展的重要內(nèi)容。針對冶金機械專業(yè)課程涉及面廣、實踐性強并與鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)關系密切等特點，太原科技大學機械工程學院建設了冶金機械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實踐教學平臺。該平臺作為冶金機械專業(yè)課堂教學和實習實踐等教學環(huán)節(jié)的有效補充，極大地培養(yǎng)了學生的學習興趣，提升了學生的學習效果，已成為解決冶金機械專業(yè)實踐教學中工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境不足等問題的有效途徑。

［關鍵詞］虛擬仿真實踐教學；冶金機械；教學研討

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）08-0049-04

當前，在工程教育專業(yè)認證和新工科建設背景下，為了加速工程科技人才的培養(yǎng)，工科專業(yè)學生的工程實踐能力培養(yǎng)顯得尤為重要[1-3]。虛擬仿真實踐教學是應運而生的一種新興實踐教學模式，它借助計算機仿真、多媒體、虛擬現(xiàn)實和人機交互等先進技術手段，能夠使學生通過高度仿真的實訓對象和實訓環(huán)境在線完成實踐項目[4]。結合教育部出臺的《關于一流本科課程建設的實施意見》，堅持以能力產(chǎn)出為導向，緊密結合經(jīng)濟社會發(fā)展對高校人才培養(yǎng)的需求來開發(fā)虛擬仿真實驗教學項目，是學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效途徑[5]。

太原科技大學（以下簡稱我校）冶金機械專業(yè)以軋鋼機械主機設計為特色，以培養(yǎng)面向復雜工程問題的新型工程科技人才為目標，專業(yè)課程涉及面廣、實踐性強，知識體系與鋼鐵企業(yè)密切相關。由于鋼鐵生產(chǎn)工業(yè)的特殊性，目前鋼鐵企業(yè)的現(xiàn)場實踐環(huán)節(jié)和學校實驗室的實驗環(huán)境均無法完全滿足冶金機械專業(yè)學生綜合實踐能力培養(yǎng)的需求[6-7]。為使學生對軋鋼生產(chǎn)全流程具備清晰的認知，并將所學的專業(yè)理論知識與生產(chǎn)實際融會貫通以形成系統(tǒng)的理解，必須借助虛擬仿真實踐教學平臺中的各類多媒體素材，生動再現(xiàn)軋鋼生產(chǎn)的工藝流程、設備構成及工作原理，并輔以大量翔實的課件資源把相關知識點串聯(lián)，進行可視化呈現(xiàn)、形象化講解，以此調(diào)動學生參與實驗實踐活動的積極性和主動性。此外，虛擬仿真實踐教學平臺還可以作為課堂教學、課內(nèi)實驗、實習實踐環(huán)節(jié)的有效補充，使學生對軋鋼生產(chǎn)過程進行深入理解。因此，虛擬仿真實踐教學已成為解決高等學校實踐教學中工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境不足問題的有效途徑[8]。我校機械工程學院委托北京金恒博遠科技股份有限公司開發(fā)了冶金機械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實踐教學平臺，采用計算機仿真﹑多媒體、虛擬現(xiàn)實、網(wǎng)絡通信、人機交互和數(shù)據(jù)庫等技術，集軋鋼生產(chǎn)工藝過程的先進技術與理論成果、軋制過程控制技術于一體，構建了高度虛擬的仿真實訓對象和實訓環(huán)境。該平臺在教學中的使用，降低了冶金機械專業(yè)實踐教學的安全風險和成本，實現(xiàn)了教學過程的實時化、虛擬化、智能化，以及人才培養(yǎng)、模擬競賽、科學研究和社會服務四方面的實踐教學功能。

一、傳統(tǒng)實踐教學存在的弊端和不足

（一）教學設備單一落后

我校冶金機械專業(yè)依托山西省冶金設備設計理論與技術重點實驗室開展了專業(yè)課內(nèi)實驗，但受實驗室場地和條件的限制，四輥軋機、加熱爐、剪切機、十五輥矯直機等實驗設備在本科教學過程中只能實現(xiàn)單一設備的運行演示和結構講解。并且，不能展示板帶熱連軋、冷連軋等重要生產(chǎn)工藝的實驗過程，既無法加深學生對連軋生產(chǎn)工藝流程、工藝參數(shù)等重要知識點的理解和掌握，也難以實現(xiàn)學生對生產(chǎn)全流程工藝進行全面的了解。

（二）教學環(huán)境存在安全隱患

傳統(tǒng)的冶金機械專業(yè)實驗教學設備大、載荷重、工作條件復雜、操作規(guī)程煩瑣、實驗室環(huán)境惡劣。尤其是在熱軋鋼板、軋機拆裝時，現(xiàn)場可能會出現(xiàn)高溫燙傷、重物墜落等安全隱患。在企業(yè)實習的過程中，現(xiàn)場設備龐大復雜，各個工藝環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合緊湊，為了保障學生的人身安全，只能讓學生在企業(yè)安全通道上進行走馬觀花式的參觀實習。

（三）學生實踐能力培養(yǎng)不足

傳統(tǒng)的實踐教學模式單一、步驟一致，且多以理論驗證和生產(chǎn)演示為目的，導致學生興趣不足、動手積極性不高。受實驗室條件的限制，無法開設創(chuàng)新性實驗，實驗教學內(nèi)容和實習過程也不能很好地與課程內(nèi)容、企業(yè)生產(chǎn)實際進行融合，學生對知識的理解和掌握、對工程實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足。

二、虛擬仿真實踐教學平臺

（一）教學理念

我校冶金機械專業(yè)在專業(yè)課授課的過程中堅持“創(chuàng)設情境—激發(fā)導入—自主探索—交流構建—課堂互動—深化提高—課程總結—知識升華—工程拓展—能力進階”的遞進式教學模式。在相應的實踐教學環(huán)節(jié)中，遵從“虛實結合﹑能實不虛﹑流程主線﹑交叉擴展、層層遞進”的教學理念，努力培養(yǎng)冶金機械專業(yè)學生的分析設計能力、工程實踐能力和科技創(chuàng)新能力。

（二）教學模塊

根據(jù)實踐教學環(huán)節(jié)的教學理念，將冶金機械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實踐教學平臺劃分為三個主要模塊，包括生產(chǎn)認知模塊、仿真操作模塊和實踐創(chuàng)新模塊，其模塊設置如圖1所示。

1.生產(chǎn)認知模塊

為了使學生對軋鋼生產(chǎn)設備形成初步的認知，針對熱連軋生產(chǎn)工藝流程和設備（如圖2所示），冶金機械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實踐教學平臺設置了生產(chǎn)認知模塊。

該模塊采用3D高仿真度技術，完全模擬軋鋼廠區(qū)原貌，并針對整個軋制生產(chǎn)線中的各個工藝環(huán)節(jié)涉及的設備（包括步進式加熱爐、高壓水除鱗箱、粗軋機組、飛剪機組、精軋機組、層流冷卻機組、卷取機組等）配以三維動畫、現(xiàn)場照片和視頻，以全視角展示現(xiàn)場設備機械結構和工藝生產(chǎn)，使學生更為直觀地認識和了解軋鋼設備的結構和工作原理，以及熱連軋的生產(chǎn)工藝流程。

2.仿真操作模塊

為了幫助學生對軋鋼生產(chǎn)全流程建立系統(tǒng)的認識，冶金機械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實踐教學平臺的仿真操作模塊以軋鋼生產(chǎn)中的板帶熱連軋生產(chǎn)工藝過程為對象，以某鋼廠1580 mm生產(chǎn)線為基礎，建立由工藝過程的數(shù)學模擬系統(tǒng)、設備仿真操控系統(tǒng)和虛擬場景監(jiān)控系統(tǒng)組成的仿真實踐工廠。將軋鋼生產(chǎn)工藝流程﹑工藝裝備、設備操作控制以及自動化控制界面均以虛擬現(xiàn)實技術仿真呈現(xiàn)，通過網(wǎng)絡通信實現(xiàn)設備操作與虛擬場景的完全互動，真實地再現(xiàn)了軋鋼生產(chǎn)全過程。學生可以通過實際操作，對熱連軋的生產(chǎn)工藝過程進行全流程仿真，從工藝、設備和控制的角度綜合理解整個熱連軋生產(chǎn)工藝過程，加深對專業(yè)知識的掌握，并通過對模擬仿真過程出現(xiàn)的問題進行回顧和反思，以達到對軋制原理、軋鋼工藝學、軋鋼機械設計等課程知識的深入理解，進而實現(xiàn)學以致用、實踐創(chuàng)新和與企業(yè)生產(chǎn)實際同步對接的目的，強化學生工程實踐能力的培養(yǎng)。

3.實踐創(chuàng)新模塊

為了學生進一步深化對所學理論知識的掌握，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，冶金機械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實踐教學平臺還設置了實踐創(chuàng)新模塊。該模塊包括CVC輥形設計分析、步進式加熱爐工藝模型設計以及熱連軋軋制規(guī)程設計三個部分。通過實踐創(chuàng)新模塊的訓練，學生能夠根據(jù)空載輥縫的凸度調(diào)節(jié)域進行曲線調(diào)節(jié)、CVC輥形曲線設計和輥形曲線分析；根據(jù)不同鋼種、不同尺寸和加熱目標對加熱爐各段爐溫進行設計；針對不同鋼種進行熱連軋工藝規(guī)程設計。該模塊還可以為教師和學生（包括研究生）進行科學研究提供設計計算數(shù)據(jù)。

三、虛擬仿真實踐教學平臺應用效果

（一）虛擬仿真實踐教學平臺在課堂教學中的應用

在軋鋼機械設計和軋鋼工藝學課程的教學中，我校將課堂理論教學過程與虛擬仿真實踐教學平臺結合，構筑了可視化教學演示平臺，使學生能夠通過簡單的方法進行學習，為教學提供了便利。

在軋鋼機械設計課程的課堂教學過程中，針對相應的授課內(nèi)容，結合認知模塊中對應的軋鋼機械設備如加熱爐、四輥軋機、飛剪機、卷取機等進行三維動畫、現(xiàn)場照片和視頻的播放，使學生對設備結構和工作原理有一個直觀的認識。在軋鋼工藝學課程的課堂教學過程中，不僅可以結合仿真操作模塊，使學生對軋制工藝過程有形象的了解，還可以結合實踐創(chuàng)新模塊中熱連軋軋制規(guī)程工藝模型設計環(huán)節(jié)，使學生對軋制壓下規(guī)程計算有更為直觀的認識和更為精準的計算。

（二）虛擬仿真實踐教學平臺在實踐教學中的應用

在實踐教學環(huán)節(jié)中，我校利用虛擬仿真實踐教學平臺開展了課內(nèi)虛擬仿真實驗、補充生產(chǎn)實習和畢業(yè)實習、輔助課程設計和畢業(yè)設計。

1.開展課內(nèi)虛擬仿真實驗

由于我校實驗室的實驗環(huán)境無法全部滿足軋鋼機械設計和軋鋼工藝學課程課內(nèi)實驗的開設要求，根據(jù)課程教學大綱，利用冶金機械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實踐教學平臺的認知模塊開設了熱連軋生產(chǎn)系統(tǒng)設備結構認知實驗和四輥軋機結構認知實驗課程，利用仿真操作模塊和實踐創(chuàng)新模塊開設了粗軋機組仿真操作實驗、加熱爐工藝制度設計實驗和熱連軋軋制規(guī)程設計實驗，解決了實驗教學中工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境不足的問題。

2.補充生產(chǎn)實習和畢業(yè)實習

我校冶金機械專業(yè)的生產(chǎn)實習和畢業(yè)實習主要與太原鋼鐵集團有限公司、中國寶武鋼鐵集團有限公司等鋼鐵企業(yè)聯(lián)合進行，但出于技術保密和安全因素的考慮，學生在實習過程中不能靠近軋鋼設備，也無法清楚地看到軋制生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)。虛擬仿真實踐教學平臺的仿真操作模塊不但能夠清楚地展現(xiàn)熱連軋生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)，而且虛擬仿真畫面形象逼真、設備動作準確，學生通過實際仿真操作，能夠增強其對軋鋼生產(chǎn)的感性認識和理論聯(lián)系實際的能力，從而有效地彌補生產(chǎn)實習現(xiàn)場直觀的感受和實際操作的缺失。

3.輔助課程設計和畢業(yè)設計

虛擬仿真實踐教學平臺能夠輔助學生更輕松地完成課程設計和畢業(yè)設計。軋鋼工藝學的課程設計、畢業(yè)設計都涉及軋制規(guī)程的設計和計算。學生可以利用仿真操作模塊中的工藝設定環(huán)節(jié)、實踐創(chuàng)新模塊中的熱連軋軋制規(guī)程設計來對自己的設計任務進行驗算，保證工藝計算的正確性和精確性。此外，認知模塊中各個重要軋鋼設備的結構和功能介紹，為學生軋鋼機械設計課程設計和畢業(yè)設計中軋鋼設備的結構設計和圖紙的繪制提供了有效資源，增加了學生對課程設計和畢業(yè)設計的信心，保證了本專業(yè)課程設計和畢業(yè)設計的質(zhì)量。

（三）虛擬仿真實踐教學平臺在學科競賽中的應用

為了響應行業(yè)發(fā)展需求，推動復合型人才培養(yǎng)，培養(yǎng)學生應用現(xiàn)代工具解決復雜工程問題的能力和實踐創(chuàng)新能力，提高學生對專業(yè)知識學習的積極性，我校連續(xù)舉辦了兩屆太原科技大學“IM”杯模擬煉鋼—軋鋼大賽，冶金機械、軋制工程和冶金工程三個專業(yè)80%以上的學生都參加了該項比賽。比賽內(nèi)容包括熱連軋?zhí)摂M仿真操作和知識競答兩部分，兩人一組。學生通過刻苦訓練和認真比賽，取得了優(yōu)異成績。校賽成績優(yōu)異的學生又代表我校參加了中國金屬學會主辦的全國模擬煉鐵—煉鋼—軋鋼大賽，多次獲得高校組軋鋼單項獎項和優(yōu)秀團體獎。

通過參加校級和國家級的模擬軋鋼大賽，不僅培養(yǎng)了冶金機械專業(yè)學生實踐創(chuàng)新能力、團隊合作能力和應用現(xiàn)代工具解決復雜工程問題的能力，還提高了學生的使命感以及其對本專業(yè)的熱愛度。

四、結語

冶金機械軋鋼生產(chǎn)虛擬仿真實踐教學平臺在冶金機械專業(yè)教學中的應用，不僅有利于在教學過程中培養(yǎng)學生的學習興趣、降低課程的學習難度、促進學生對理論知識的理解、提升學習效果，還能夠培養(yǎng)學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊合作能力和應用現(xiàn)代工具解決復雜工程問題的能力，已成為解決冶金機械專業(yè)實踐教學中工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境不足等問題的有效途徑。同時，隨著5G和AI等科學技術的深入發(fā)展，虛擬仿真實驗教學的模擬水平必將逐步接近現(xiàn)實情況，這為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的復合型工程科技人才提供助力，進而實現(xiàn)我國走上新型工業(yè)化道路、建立創(chuàng)新型國家、提高國家競爭力的目標。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 鄭波，何麗華，周超，等.工程教育專業(yè)認證背景下實踐教學改革與實踐：以南華大學核工程與核技術專業(yè)為例[J].高教學刊，2022（20）：88-91.

[2］ 張俊溪，盧娜，梁姣，等.新工科背景下構建應用型本科高質(zhì)量人才培養(yǎng)體系[J].高教學刊，2022（21）：21-24.

[3］ 陳良，高瑜.基于新工科和工程教育認證理念的智能制造工程新專業(yè)建設研究[J].教育現(xiàn)代化，2020（21）：59-61.

[4］ 李磊.虛擬仿真實驗教學的必要性、存在問題及其可持續(xù)發(fā)展機制[J].湖北開放職業(yè)學院學報，2019，32（7）：151-153.

[5］ 龔海軍，舒吉平，宋鵬，等.虛擬仿真在壓鑄工藝及模具設計課程中的開發(fā)建設[J].大學教育，2022（9）：74-75.

[6］ 張立強，包燕平，王敏，等.仿真實踐教學在冶金專業(yè)的應用[J].中國冶金教育，2013（6）：45-47.

[7］ 劉光明，任志峰，何奕波，等.冶金類工科專業(yè)虛擬仿真實踐教學平臺建設探析[J].教育現(xiàn)代化，2020（19）：112-115.

[8］ 高德，陸俊杰，陳根浪，等.基于虛擬仿真的包裝機械實驗課程建設與實踐[J].大學教育，2021（3）：49-52.

［責任編輯：雷 艷］