嚴(yán)軍+馬曉藝+曹海蓮

摘要： 鋼鐵冶金生產(chǎn)由于規(guī)模龐大、設(shè)備大型化、高危險(xiǎn)、高消耗、高污染等特點(diǎn)，無法在校內(nèi)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)和操作。利用虛擬仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)冶金工程專業(yè)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備和難以完成的教學(xué)功能。文章分析了傳統(tǒng)鋼鐵冶金學(xué)教學(xué)存在的問題，并從仿真實(shí)驗(yàn)、教學(xué)方法和教學(xué)手段、學(xué)生成績考核方法等方面進(jìn)行了創(chuàng)新性教學(xué)改革探索。結(jié)果表明，將虛擬仿真系統(tǒng)運(yùn)用到鋼鐵冶金學(xué)課程教學(xué)中，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提高、專業(yè)知識(shí)及實(shí)踐技能掌握，學(xué)習(xí)效果明顯改善。

Abstract： Due to its large scale， large equipment， high risk， high consumption and high pollution， iron and steel metallurgy production can not be carried out in school. The use of virtual simulation system can achieve the teaching function that real experiment of metallurgical engineering does not have and difficult to complete. The article analyzes the existing problems in the traditional teaching of iron and steel metallurgy， and carries out the innovative teaching reform from the aspects of simulation experiment， teaching methods， teaching methods and student performance assessment methods. The results show that the application of virtual simulation system to the teaching of steel metallurgy is conducive to the improvement of students' interest in learning， mastery of professional knowledge and practical skills and the improvement of learning effect.

關(guān)鍵詞： 虛擬仿真系統(tǒng)；鋼鐵冶金學(xué)；創(chuàng)新教學(xué)；仿真實(shí)驗(yàn)

Key words： virtual simulation system；iron and steel metallurgy；innovation teaching；simulation experiment

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）04-0209-04

0 引言

虛擬仿真系統(tǒng)是綜合利用多種技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)仿真、傳感技術(shù)、光電成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等，創(chuàng)建一個(gè)逼真的、具有視、聽、觸、嗅、味等多種感知的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。學(xué)生通過數(shù)學(xué)模型模擬真實(shí)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行操作，可以更形象、直觀地體會(huì)真實(shí)的生產(chǎn)過程。冶金工程專業(yè)是青海大學(xué)特色專業(yè)之一，國家第三批“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”試點(diǎn)專業(yè)，利用虛擬仿真系統(tǒng)可以為課程教學(xué)改革提供創(chuàng)新平臺(tái)。

1 課程教學(xué)問題

《鋼鐵冶金學(xué)》課程是一門理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，在講授基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，又需要提升學(xué)生解決生產(chǎn)實(shí)踐問題能力?，F(xiàn)有的教學(xué)存在一些問題亟待解決。

①課程教學(xué)過程中針對(duì)性不夠清晰。教學(xué)目標(biāo)想兼顧理論知識(shí)提升和實(shí)踐能力提升，但在實(shí)際的教學(xué)過程中力不從心，使得理論知識(shí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)都不盡如人意。

②理論與實(shí)際相結(jié)合不夠完善?！朵撹F冶金學(xué)》這門課程具有較強(qiáng)的工程背景，但在教學(xué)中受到教學(xué)大綱和課程安排的制約，學(xué)生們的自主研究性學(xué)習(xí)和訓(xùn)練環(huán)節(jié)缺乏，使得畢業(yè)學(xué)生無法適應(yīng)企業(yè)和社會(huì)的要求。

③期末考試采用傳統(tǒng)的閉卷筆試考試。這種考核方式能夠?qū)W(xué)生的知識(shí)掌握情況做出評(píng)價(jià)，但是對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力這一目標(biāo)還存在一定的差距。除此以外，期末考試時(shí)間過于集中，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生整個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)效果無法僅用一次考試成績來準(zhǔn)確的衡量，且無法對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。

2 鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)介

鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)是利用3D動(dòng)畫和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)鋼鐵生產(chǎn)的主要設(shè)備、工藝流程和自動(dòng)化控制操作系統(tǒng)進(jìn)行仿真和模擬[2]。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冶金行業(yè)生產(chǎn)工藝操作的實(shí)時(shí)仿真，學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實(shí)訓(xùn)，能夠完整的、按工藝操作規(guī)程進(jìn)行，時(shí)間上與現(xiàn)場(chǎng)達(dá)到1：1的匹配，具有完善的操作評(píng)價(jià)體系及自動(dòng)打分功能；現(xiàn)場(chǎng)三維漫游，讓學(xué)生以第一人稱視角，多角度、全方位的在虛擬場(chǎng)景中行走，實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。

鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)包括：煉鐵仿真系統(tǒng)和煉鋼仿真系統(tǒng)。煉鐵仿真系統(tǒng)模擬2580m3高爐，通過三維模型展示高爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)在線呈現(xiàn)三維煉鐵生產(chǎn)過程，該系統(tǒng)可進(jìn)行槽下配料操作、爐頂布料操作、高爐本體操作、熱風(fēng)爐操作、高爐爐前操作和噴煤操作。學(xué)生通過該系統(tǒng)可熟練掌握高爐煉鐵的整個(gè)冶煉過程，對(duì)高爐現(xiàn)場(chǎng)的正常和異常工況進(jìn)行判斷，軟件配備的考核系統(tǒng)可滿足學(xué)生進(jìn)行虛擬練習(xí)的要求。煉鐵仿真系統(tǒng)的組成如圖1所示。

煉鋼仿真系統(tǒng)是利用三維動(dòng)畫技術(shù)完成針對(duì)煉鋼完整工藝流程：鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐煉鋼、LF精煉、板坯連鑄完整工藝流程的設(shè)備和場(chǎng)景的制作；仿真制作了全工藝流程的自動(dòng)化二級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)和操控硬件設(shè)備（仿真現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)）；采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化操控系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)現(xiàn)與虛擬場(chǎng)景和設(shè)備的完成互動(dòng)；在物理模型、工藝模型驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)符合真實(shí)煉鋼工藝過程訓(xùn)練。煉鋼仿真系統(tǒng)主要進(jìn)行鐵水預(yù)處理操作、轉(zhuǎn)爐操作、LF精煉操作和連鑄操作。系統(tǒng)組成如圖2所示。endprint

3 課程教學(xué)改革

從仿真實(shí)驗(yàn)、教學(xué)方法和教學(xué)手段改革、學(xué)生成績考核方法改進(jìn)等方面進(jìn)行了基于虛擬仿真系統(tǒng)的創(chuàng)新性教學(xué)研究。

3.1 建設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)教材

建設(shè)教學(xué)內(nèi)容配套的仿真實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)利用虛擬仿真系統(tǒng)的冶金工程專業(yè)基礎(chǔ)課教材建設(shè)。

例如，高爐煉鐵過程槽下配料操作中配料計(jì)算模塊主要是對(duì)高爐用料的一個(gè)理論計(jì)算；根據(jù)所用原料、燃料及輔原料的種類和配比，計(jì)算出焦批（t）、焦比（kg）、理論渣比、堿度R2、堿度R4、（CaO）%、（MgO）%、（Al2O3）%、綜合焦比、燃料比、S負(fù)荷、Mn、入爐品位及理論出鐵量。按照原料狀況及時(shí)進(jìn)行變料計(jì)算，可以順應(yīng)高爐的變化趨勢(shì)，達(dá)到高爐增產(chǎn)節(jié)能的目的。又如，槽下爐頂仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)習(xí)目標(biāo)：能夠完成原燃料準(zhǔn)備、稱量工作，具備爐頂上料操作能力；教學(xué)內(nèi)容：上料操作、爐頂裝料操作；教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：設(shè)備種類、裝料制度進(jìn)行裝料操作。

裝料制度決定著爐料在高爐內(nèi)的分布狀況，直接影響高爐上部煤氣流的分布，對(duì)高爐操作和爐況都有很大的影響[3]。并罐式無鐘爐頂布料裝置如圖3所示，整個(gè)上料系統(tǒng)側(cè)視圖如圖4所示。通過該實(shí)驗(yàn)學(xué)生掌握爐頂?shù)闹饕剂显O(shè)備、布料方式、皮帶上料工藝流程以及能夠編制特殊爐況的裝料方案。

在“轉(zhuǎn)爐煉鋼仿真實(shí)訓(xùn)”學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生在理解轉(zhuǎn)爐煉鋼主要原理及具體操作流程后，在熟悉冶煉Q235鋼的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)教師可分配不同鋼種冶煉任務(wù)，由學(xué)生自己計(jì)算吹氧量，加入造渣劑、脫氧劑量，合金的加入量等，學(xué)生分別通過虛擬界面以及控制界面的配合，冶煉出成分溫度合格的鋼水，指導(dǎo)教師根據(jù)鋼水成分、溫度、終渣成分等因素對(duì)操作進(jìn)行打分[4]。從而培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新能力，還有利于學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)代冶金生產(chǎn)操作訓(xùn)練，彌補(bǔ)學(xué)生以往到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不能進(jìn)行生產(chǎn)操作訓(xùn)練和冶金工藝實(shí)驗(yàn)的遺憾，縮短了上崗周期，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和提升就業(yè)[5]。

建設(shè)仿真實(shí)訓(xùn)教材方面，已編寫《鋼鐵冶金工程實(shí)訓(xùn)》和《有色冶金工程實(shí)訓(xùn)》，獲得青海大學(xué)2015年度教材建設(shè)基金資助。教材羅列了仿真實(shí)訓(xùn)篇，包括煉鐵仿真實(shí)驗(yàn)、煉鋼仿真實(shí)驗(yàn)、電解鋁生產(chǎn)過程仿真實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生通過仿真操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫冶金過程的學(xué)校了解，進(jìn)而掌握高溫過程鋼鐵和有色金屬冶煉和材料制備的相關(guān)原理和技術(shù)，配合實(shí)際教學(xué)過程，更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和科研素質(zhì)，達(dá)到人才培養(yǎng)目標(biāo)[6]。

3.2 基于虛擬仿真系統(tǒng)的教學(xué)方法、教學(xué)手段改革

虛擬仿真系統(tǒng)可以用于課堂演示、學(xué)生實(shí)驗(yàn)，也可以用于學(xué)生課后作業(yè)、復(fù)習(xí)、自學(xué)等方面，它可以豐富教學(xué)手段、改進(jìn)教學(xué)方法、拓展知識(shí)技能。

①鋼鐵冶金學(xué)課程教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)如圖5所示。在理論講解鋼鐵冶金工藝流程及煉鐵、煉鋼各環(huán)節(jié)的工藝制度及操作過程中，可利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室三維教案平臺(tái)系統(tǒng)和三維動(dòng)漫進(jìn)行虛擬仿真演示，如整個(gè)鋼鐵工藝流程；在講授高爐煉鐵原料時(shí)可給學(xué)生演示上料系統(tǒng)、布料狀態(tài)下爐頂、旋轉(zhuǎn)布料器的4種布料法；在講授高爐煉鐵設(shè)備時(shí)可演示高爐內(nèi)襯、熱風(fēng)爐工作原理等，從而使學(xué)生更容易理解鋼鐵工藝流程和生產(chǎn)設(shè)備。

在教學(xué)計(jì)劃安排上，根據(jù)課堂教學(xué)內(nèi)容插入仿真實(shí)驗(yàn)，讓每個(gè)學(xué)生在機(jī)房動(dòng)手操作，通過動(dòng)口、動(dòng)手，親身參與課堂實(shí)驗(yàn)，教師積極引導(dǎo)，耐心幫助，與學(xué)生共同研究和探索，充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，使學(xué)生真正成為課堂的主人。例如，爐前出鐵仿真實(shí)驗(yàn)，以高爐爐前操作為任務(wù)載體，結(jié)合渣、鐵口構(gòu)造，出鐵場(chǎng)平臺(tái)，學(xué)習(xí)高爐爐前正常工藝及特殊情況的爐前操作。整個(gè)爐前系統(tǒng)包括出鐵場(chǎng)、出鐵口、泥炮、開鐵口機(jī)、主溝加蓋機(jī)、渣鐵分離器、魚雷罐、擺動(dòng)流嘴等[7]。爐前控制界面和虛擬界面分別如圖6（a）、（b）所示。通過爐前實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)會(huì)出鐵和出渣操作，保證高爐冶煉順利進(jìn)行。

②采用“教師授課+仿真演示+仿真操作”相結(jié)合的教學(xué)手段。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生習(xí)慣教師“灌”學(xué)生“受”的教法，學(xué)生從入學(xué)接受教育起，一直接受“灌注”、“填鴨”式的教學(xué)。容易導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)情趣不濃、學(xué)習(xí)不認(rèn)真，動(dòng)手能力和應(yīng)用知識(shí)的能力低下，更是嚴(yán)重缺乏創(chuàng)新精神[8]。通過虛擬虛擬仿真系統(tǒng)演示和學(xué)生實(shí)際操作，可以提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。在課堂的教學(xué)中可采用教師授課+仿真演示+仿真操作相結(jié)合的教學(xué)模式，保證教學(xué)過程的最優(yōu)化。

3.3 考核方式的改革

該課題對(duì)冶金工程2012級(jí)學(xué)生“鋼鐵冶金學(xué)”課程考核方法進(jìn)行了較大改革：實(shí)行“平時(shí)+實(shí)踐過程考核+期末理論考試”的考試模式，考核方式采用過程考核與期末考試相結(jié)合的方式，課程具體考核如下所示：

①平時(shí)成績。平時(shí)成績權(quán)重30%，其中包括課堂交流的表現(xiàn)分和平時(shí)作業(yè)分、實(shí)驗(yàn)作業(yè)完成情況、課堂出勤等。

②實(shí)踐過程考核。實(shí)踐過程考核成績權(quán)重20%，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室完成。每個(gè)班分成若干小組，每個(gè)小組由2人組成，實(shí)踐過程考核成績根據(jù)平時(shí)實(shí)訓(xùn)完成情況和實(shí)訓(xùn)報(bào)告評(píng)定，實(shí)訓(xùn)成績?nèi)繛檫^程考核。每個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目按給出的標(biāo)準(zhǔn)打分，再把每個(gè)項(xiàng)目成績累加求平均值就是實(shí)踐過程考核成績。《鋼鐵冶金學(xué)》這門課有6個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目（如表1所示），實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目實(shí)踐過程成績就是6個(gè)項(xiàng)目成績的平均分。

③期末理論考核。期末理論考核成績權(quán)重50%。卷面分仍為100分，具體的期末理論考試內(nèi)容依據(jù)課程目標(biāo)而定，要求能夠覆蓋課程要求的知識(shí)點(diǎn)，且難度適中，努力培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

這樣的考核方式能夠讓學(xué)生積極地參與到課堂學(xué)習(xí)活動(dòng)當(dāng)中，更深入地理解和掌握理論知識(shí)，課程實(shí)踐環(huán)節(jié)通過將課堂上所學(xué)知識(shí)實(shí)際應(yīng)用到具體的案例中，讓學(xué)生真切體會(huì)到問題解決的全過程，從而真正掌握所學(xué)知識(shí)。同時(shí)，在實(shí)踐過程考核環(huán)節(jié)也培養(yǎng)了同學(xué)之間的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

4 虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用效果

將虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用到冶金工程2012級(jí)學(xué)生鋼鐵冶金學(xué)教學(xué)中，通過一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，對(duì)其應(yīng)用效果和課程教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行問卷調(diào)查，調(diào)查項(xiàng)目主要有注意引發(fā)學(xué)習(xí)興趣、注意培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力、有助于學(xué)生理解和掌握課程知識(shí)、鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)及學(xué)習(xí)效果等方面。調(diào)查結(jié)果如圖7所示。

結(jié)果表明，基于虛擬仿真系統(tǒng)的課堂教學(xué)改革有利于學(xué)生實(shí)踐技能掌握，教學(xué)效果比過去有了明顯的改善。

5 結(jié)束語

鋼鐵生產(chǎn)過程具有“高危險(xiǎn)、高消耗、高污染”（三高）的特點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力不強(qiáng)、創(chuàng)新意識(shí)不夠和創(chuàng)新能力不足，而虛擬仿真系統(tǒng)的引入，則可對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面、系統(tǒng)的工程實(shí)踐訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的零消耗、實(shí)驗(yàn)過程的零污染、實(shí)驗(yàn)容量的無限化，并且在豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，消除了實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，顯著增加了學(xué)生動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)[5]。該系統(tǒng)為鋼鐵冶金學(xué)課程教學(xué)提供了一種新的教學(xué)工具和教學(xué)手段，通過本課程的教學(xué)改革輻射其他同類專業(yè)課程，如《連鑄連軋技術(shù)》、《鐵水預(yù)處理與鋼水爐外精煉》、《輕金屬冶金學(xué)》等，并對(duì)此類課程的改革起到一定的推動(dòng)作用。基于虛擬仿真系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐表明，應(yīng)用虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，深受學(xué)生歡迎，教學(xué)效果良好。

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