VR虛擬現實技術在冶金工程專業教學中的應用研究

摘要：探討了虛擬現實（VR）技術在冶金工程專業教學中的應用，旨在響應國家綠色發展和“雙碳”目標，推動冶金工程專業教學模式的創新。分析了傳統冶金工程專業教學的特點及其局限性，闡述了VR技術在教育領域的應用優勢，尤其是在冶金工程這一實踐性極強的專業中，VR技術能夠提供安全的實踐環境，突破時間和空間限制，豐富學習體驗。最后總結了VR技術在冶金工程專業教學中的創新應用，為工程教育的改革和發展提供了新的思路和方向。

關鍵詞：VR虛擬現實技術；冶金；專業實踐教學；教學模式

一、前言

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術，以先進的計算機技術為核心，融合多領域科學技術，在視覺、聽覺和觸覺等多個感官層面創建出與現實世界極為相似的數字環境。用戶通過特定的交互設備，能夠與這個虛擬環境中的元素進行互動，體驗到仿佛置身于真實場景的沉浸感[1-2]。 VR技術具備三個核心特征：想象性（Imagination）、交互性（Interaction）和沉浸性（Immersion），常被稱為3I特性。作為一種創新的教育技術手段，VR技術在教育領域的應用前景日益廣闊。近年來，眾多研究開始著眼于VR技術在教學領域的具體應用方式及其帶來的教學效果，涵蓋了從醫學、工程、地理等學科專業領域，到特殊教育、虛擬仿真校園、遠程教育等跨學科應用場景[3-4] 。這些研究深入探討了VR技術如何影響學生的學習體驗和教學成果，證實了VR技術在提升教育質量和效率方面的潛力。

鋼鐵工業作為支撐國民經濟發展的重要基礎產業，面臨著能源消耗高、碳排放量大、資源利用效率低等問題。高爐煉鐵工序的污染物排放占到了鋼鐵工業的70%。隨著全球氣候變化和資源緊張問題日益嚴重，傳統鋼鐵行業正面臨著巨大的挑戰，需要進行優化升級，綠色低碳智慧冶金成為行業發展的新趨勢。在“碳達峰、碳中和”背景下，教育體系需要改革以適應未來低碳綠色冶金技術的人才培養需求。為了適應綠色低碳、智慧制造的新趨勢，高校冶金工程專業緊跟時代步伐，探索新的卓越人才培養模式，為冶金行業的轉型升級提供有力的人才支撐。北京科技大學于2023年依托國家卓越工程師學院開設了低碳智慧冶金工程專業方向。低碳智慧冶金專業建設是響應國家綠色發展、實現“雙碳”目標的重要舉措，對于推動產業升級、技術創新、人才培養和產教融合具有重要意義。同時，“新工科”建設的目標是培養具有創新能力、實踐能力和國際視野的工程技術人才，要求在日常教學中不僅要注重理論知識的傳授，還要加強實踐教學，鼓勵學生參與科研項目，以及與企業的合作，以提高學生的實際操作能力和解決實際問題的能力?；诖?，高校在專業教學中應該如何應對國家政策、行業轉型和人才培養等需求，是本文研究的重點及意義所在。

二、傳統冶金工程專業教學的特點及局限性

當前高校冶金工程專業的課程設置側重于傳統冶金技術和理論知識的傳授。傳統工程實踐教學內容顯得過時且缺乏更新，實踐教學環節相對薄弱，實踐訓練強度不足，缺乏與企業合作的機會和實踐基地建設不足，與生產實際存在較大脫節[5]。由于冶金行業的高風險特性，企業在接納學生實習時，往往將安全放在首位，限制了學生的參與度，導致學生無法深入體驗實際生產過程。企業出于技術保密的考慮，可能會限制學生接觸核心技術或工藝流程，影響了學生對專業知識的全面理解。實習時間通常較短，學生可能無法在有限的時間內獲得充分的實踐經驗。學生人數較多時，每位學生得到的實際指導和實踐機會減少。學生在企業工廠實習中往往只能被動參觀，缺乏動手操作的機會，這種“走馬觀花”式的實習方式難以激發學生的學習興趣和主動性。校內實驗室空間和設備有限，難以模擬真實的生產環境，導致學生難以獲得全面的工藝流程經驗。校內實習可能過于側重理論或小規模實驗，與實際生產中的大規模工藝流程存在差異，難以培養學生的全局意識。

冶金工程作為一個實踐性很強的專業，需要學生能夠直觀地理解和掌握生產過程中的各個環節。然而，由于安全和環保的限制，學生很難有機會直接參與到實際的高溫、高壓、高風險的生產過程中。

三、VR技術應用于冶金工程專業教學的優勢

冶金工程專業是一門工藝性和實踐性并重的學科，它要求學生不僅要掌握扎實的理論知識，更要通過實踐教學環節掌握具體的生產環節。學生可以通過參與生產實習，直觀地觀察和體驗冶金生產的具體環節，從而加深對冶金工藝流程的認識，理解冶金設備的工作原理和操作技巧。這種親身體驗有助于學生將抽象的理論知識轉化為具體的實踐技能，增強解決實際問題的能力。這種教學模式能夠促進學生將基礎理論學習與實際生產實踐相結合，實現理論與實踐的有機融合。

隨著科技的發展，VR技術為教育領域帶來了革命性的變化。VR技術可以創造一個完全由計算機生成的、用戶沉浸其中的三維虛擬環境。用戶通過特定的硬件設備，如頭戴顯示器（HMD）和動作捕捉設備，與虛擬環境進行互動，獲得視覺、聽覺甚至觸覺的全方位體驗。在冶金工程這一實踐性極強的專業教學中，VR技術的應用不僅能夠提供安全的實踐環境，還能夠突破時間和空間的限制，為學生提供豐富的學習體驗。

通過VR技術，可以創建高度仿真的冶金生產環境，讓學生在安全的條件下，進行虛擬的實際操作和觀察。學生可以在沒有實際危險的環境中學習和實踐，大大降低了安全風險。VR環境中的模擬可以無限次重復，有助于學生加深理解和熟練掌握操作技能。可以根據教學需要，調整模擬環境的各種參數，如溫度、壓力等，以適應不同的教學場景?？梢酝ㄟ^VR設備與虛擬環境互動，提高學習的參與度和興趣。相比于實際的生產設備和材料，VR模擬的成本更低，且易于更新和維護。

此外，VR技術還可以與數據分析、人工智能等技術結合，提供更加智能化的教學輔助。例如，通過收集學生在VR環境中的操作數據，可以分析學生的學習進度和操作習慣，從而提供個性化的教學建議。

四、VR虛擬現實技術應用于冶金工程專業教學的案例研究

本研究旨在探討如何有效地將教師的科研項目成果轉化為VR教學環境中的實踐活動，以此激發學生的創新思維和實踐能力。通過實證研究和案例分析，揭示VR技術如何助力傳統工科教育模式向“新工科”教育模式轉變，即從單一的技術、科學和工程教育范式，向一個更加注重跨學科整合、學科交叉融合以及創新能力培養的新型教育模式轉變。期望通過此研究，為高校工科教育的改革與發展提供新的思路和實踐方案，培養能夠適應未來社會和產業發展需求的高素質、創新型工程技術人才。

（一）構建授課知識點與生產工藝場景相融合的VR教學資源庫

VR技術的應用，為冶金工程專業的教學提供了一種全新的仿真化教學環境。這種環境不僅能夠模擬真實的工作場景和生產環節，而且通過其出色的可視化展示能力，極大地增強了教學內容的直觀性和互動性。學生和教師仿佛被帶入了一個真實的企業現場，能夠親身體驗到每一個生產細節，從而獲得如同身臨其境的學習體驗，解決了教學內容和知識的可視化，增強教學的沉浸感。

高爐煉鐵工藝流程是一個典型的開放系統，它由多個功能不同的單元組成，具有高度的復雜性和不可逆性。這一工藝流程遠離熱力學平衡狀態，表現出多層次的動態運行特性，對生產過程的控制和優化提出了更高的要求。高爐煉鐵生產工藝是冶金工程專業教學中的一個重要知識點和實踐教學環節，本文以此為切入點，研究VR虛擬現實技術的具體應用。為了更好地理解和掌握這一復雜的生產過程，采用VR技術、多媒體技術、人機交互技術和網絡通信技術，構建一個高度仿真的高爐煉鐵虛擬實驗環境。學生可以直觀地觀察和操作高爐煉鐵的各個環節，深入理解工藝流程的工作原理和控制策略。通過虛擬仿真教學資源的建設，將學科專業知識與信息技術深度融合，為學生提供了一個安全、靈活、高效的學習平臺。在這個平臺上，學生可以進行各種實驗操作，探索不同的工藝參數對生產過程的影響，培養學生的實踐能力和創新思維。

《高爐煉鐵生產工藝》VR教學資源庫開發的流程如下：

1.收集開發所需的專業資料

包括參考資料、圖紙案例以及設備布局圖。高爐煉鐵流程材料參考如圖1所示。此外，參考資料還包括高爐爐頂布料效果參考、高爐內部反應效果參考。

2.按資料制作3D模型資源

設備布局圖，在3D Max制作高爐模型，模型材質效果制作，高爐模型制作完成，3D Max制作燒結設備模型。

3.將3D Max制作好的資源導入虛擬現實開發工具Unity

制作高爐布料效果及特效制作。制作高爐內部特效，高爐內部整體反應效果，制作管道氣體特效，高爐內部整體運行效果預覽。

4.程序腳本編寫

在Unity調整各個模塊以及細節。制作交互界面以區分各個知識點，將知識點材料以及音頻導入資源方便調用，編寫“材料介紹”模塊相應代碼，打包各知識介紹、完成模塊測試。

（二）形成“課堂教學—VR體驗—生產實習”三位一體的新工科專業課程教學模式

高爐本體是一個高溫、高壓且密閉的環境，其內部進行著一系列極其復雜的化學反應。開發的《高爐煉鐵生產工藝》VR教學資源，很好地解決了實際教學中的難題和生產實習難題。在VR環境中，可以構建一個高度仿真的高爐模型，將這些復雜的反應過程以三維立體的形式展現出來。通過VR頭盔和交互設備，學生可以“進入”高爐內部，直觀地觀察和分析每一個細節，包括爐料的分布、氣流的運動、溫度和壓力的變化等。這套VR教學資源，可以將爐頂布料、疏松焦炭區、壓實焦炭區、風口焦炭回旋區、熱風爐的送風系統等全部直觀、具象地呈現給學生。這種逼真的立體呈現方式，使學生能夠更加清晰和深入地理解高爐煉鐵的原理和工藝。他們可以在虛擬環境中自由地觀察和探索，從不同的角度和層面了解高爐的工作原理和操作要點。VR技術還可以模擬不同的操作條件和工藝參數，讓學生在安全的虛擬環境中進行實驗和探索，從而加深對高爐煉鐵過程的理解和掌握。學生可以通過調整爐溫、風量等參數，觀察各參數對反應過程的影響，培養自身的實驗設計和問題分析能力。

利用VR技術，學生以一種全新的方式學習工程科學知識。VR技術通過創建三維的、動態的生產環境，使學生能夠直觀地觀察和分析生產過程中的各種現象和問題，增強了學習的直觀性和互動性。學生不再是被動的知識接受者，而是變成了積極的探索者和建構者。他們可以主動地操作虛擬環境中的設備和參數，進行實驗和模擬，從而深入理解工程原理和生產技術?！叭灰惑w”新型教學模式將會以激發學生的學習熱情為基礎，大幅提高學生的實踐能力和創新能力，達到“理論—實踐—理論”閉合循環學習論證的教學目的，有力地改善了教學效果，直接和間接地提高了學生的綜合競爭能力。

利用可視化的VR教學資源，教師在課堂上可以輕松地將抽象復雜的問題講清楚、講明白。學生可以頭戴VR設備，進行交互式學習。學生在虛擬環境中觀察復雜的工程設備和工藝流程，進行各種操作和實驗，增強了學習的沉浸感，從而加深對工程原理和實踐技能的理解。據統計，VR教學資源應用后，學生的專業課成績和實習成績均有顯著提升。

這種教學方式不僅解決了傳統教學中難以直觀展示復雜工藝和設備操作問題，還通過重復操作的可行性，為學生提供了不斷練習和深入理解的機會。VR環境中的模擬操作不會受到時間和空間的限制，學生可以在任何時候復習和鞏固學到的知識，同時也能夠在安全的環境中嘗試不同的操作和決策，從而更好地掌握專業技能。此外，VR教學環境的沉浸感和互動性，能夠有效地激發學生的學習興趣和探索欲望，促進他們主動學習和深入思考。教師也可以根據教學需要，靈活地調整教學內容和難度，實現個性化教學。

五、結語

通過引入VR技術，能夠為冶金工程專業的教學帶來一種全新的實踐體驗，創新情景教學模式。在VR課程資源的支持下，教師可以將科研課題轉化為教學內容，使得原本抽象的理論知識通過形象生動的三維場景展現出來，讓學生在虛擬現實環境中進行實際操作，從而深入理解冶金原理、生產設備和工藝流程等關鍵環節。在這種沉浸式的教學環境中，學生可以進行冶金工程專業的模擬操作，直觀地學習和掌握工業實踐工作的內容、流程和操作技巧。這種教學方式不僅能夠提高學生的學習興趣和參與度，還能夠幫助他們更好地將理論知識與實踐技能相結合。

在當前綠色發展和可持續發展的大背景下，冶金行業面臨著轉型升級的挑戰。通過VR虛擬現實技術，學生可以學習到先進的綠色冶金技術和理念，培養自身的環保意識和創新思維，為未來的職業生涯打下堅實的基礎。引入VR技術進行冶金工程專業的教學，不僅能夠提高教學質量，還能夠培養具有創新精神和實踐能力的復合型人才，為冶金行業的發展注入新的活力。

參考文獻

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基金項目：1.教育部產學合作協同育人項目“新工科引領下‘一生雙師百企千人’卓越人才培養模式研究——基于北京科技大學教學實踐的探索”（項目編號：231107629022856）；2.北京科技大學2023年度本科教育教學改革重點項目“以微專業建設為契機的高校本科專業生態體系構建與探索實踐”（項目編號：JG2023Z06）；3.北京市高等教育學會2024年面上課題“知識圖譜視域下的高校本科專業建設與優化策略研究”（項目編號：MS2024410）

作者單位：北京科技大學

責任編輯：王穎振、鄭凱津