吳朝陽，江 志，眭夢靜，雷 鷹，李 雨

(安徽工業(yè)大學(xué) 冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

通才教育是以培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)知識和技能的人才為目的，以培養(yǎng)有機交織的多種能力的復(fù)合型人才為目標(biāo)的一種高等教育模式[1]。冶金科學(xué)作為一門知識覆蓋面廣、多學(xué)科交叉的傳統(tǒng)應(yīng)用型學(xué)科，不能僅局限于專業(yè)冶金教育，而應(yīng)從學(xué)生未來職業(yè)發(fā)展契合社會發(fā)展的角度向通才教育轉(zhuǎn)化[2]。針對上述情況，依據(jù)安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)科特色和學(xué)科體系的建設(shè)規(guī)律，依托冶金工程一級學(xué)科，學(xué)校在材料成型及控制、礦物加工工程和冶金資源等專業(yè)均開設(shè)了冶金概論專業(yè)選修課，旨在培養(yǎng)未來處在冶金及其相關(guān)行業(yè)的非冶金專業(yè)學(xué)生完整、全面、綜合的冶金科學(xué)思維模式。我們在冶金概論課程教學(xué)實踐中意識到只有充分調(diào)動學(xué)生的積極性和求知欲，才能在有限的教學(xué)課時使得學(xué)生掌握冶金科學(xué)的基本流程、理論和設(shè)備。近年來，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對教學(xué)工作進行輔助已經(jīng)成為高等教育改革的發(fā)展趨勢。本文探討將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入冶金概論的教學(xué)過程，充分發(fā)揮高新技術(shù)的優(yōu)勢，以更好地實現(xiàn)冶金通才教育培養(yǎng)復(fù)合型人才的目標(biāo)。

一、冶金概論課程的教學(xué)現(xiàn)狀

(一)冶金概論課程性質(zhì)

安徽工業(yè)大學(xué)是以鋼鐵冶金為特色的理工科高校，辦學(xué)模式趨向于綜合性大學(xué)學(xué)科體系，但每年會有大量的鋼鐵和有色企業(yè)來我校招聘，近六成的畢業(yè)生包括四成以上的非傳統(tǒng)冶金專業(yè)的畢業(yè)生進入到相關(guān)的冶金行業(yè)。所以我校開展冶金概論課程的相關(guān)教學(xué)，對我校培養(yǎng)開放式人才和促進學(xué)生能力發(fā)展有著重要意義：首先，認(rèn)知鋼鐵冶金和有色冶金企業(yè)生產(chǎn)流程及行業(yè)發(fā)展形勢，有利于提升學(xué)生綜合素養(yǎng)及競爭力。其次，讓學(xué)生了解所學(xué)專業(yè)與冶金行業(yè)之間的潛在聯(lián)系，培養(yǎng)作為一名未來冶金行業(yè)相關(guān)從業(yè)人員應(yīng)具備的科學(xué)思維模式?；诖耍拘Ｃ嫦蚍且苯饘I(yè)設(shè)置了24到32課時不等的冶金概論專業(yè)選修課程。從大的方面說，冶金概論課程的授課過程包括鋼鐵冶金和有色冶金兩條主線[3]。在鋼鐵冶金方面，介紹采/選礦、燒結(jié)、高爐煉鐵、鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐/電爐煉鋼、爐外精煉和連鑄等冶煉工藝的相關(guān)專業(yè)知識；在有色冶金方面，主要介紹鋁、鎂、銅、鋅和鈦五種合金的冶煉提取流程的基本專業(yè)知識。

(二)冶金概論課程教學(xué)的局限性

從冶金概論的課程性質(zhì)中可以發(fā)現(xiàn)，該課程涉及的內(nèi)容雜且知識點多。教學(xué)實踐中主要存在以下幾點問題：(1)學(xué)生自身對該課程缺乏重視，在選課過程中是以滿足選修課學(xué)分要求為目的，存在盲目性和功利性，這也導(dǎo)致了授課過程中學(xué)生積極性較差；(2)非冶金專業(yè)的學(xué)生首先并未學(xué)習(xí)過前期基礎(chǔ)課程，教學(xué)方式和教學(xué)節(jié)奏難以把握，增加了教學(xué)難度；(3)目前冶金概論課程的授課方式方法趨于單一化，學(xué)生所用教材又大多以介紹原料、工藝流程、涉及物化反應(yīng)為主，學(xué)生難以理解和接受知識要點；(4)課程最后的考核方式以開卷考試的形式進行，題目過于簡單且靈活性和變通性較差。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)對冶金概論教學(xué)的意義

(一)虛擬現(xiàn)實技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以計算機技術(shù)為核心，生成與一定范圍真實環(huán)境在視、聽、觸感等方面近似的數(shù)字化環(huán)境，具有多感知性、存在感、交互性和自主性的特征[4]。因該技術(shù)展現(xiàn)的信息實時反饋性、多維性、互動性等優(yōu)勢，以及可以突破時間和空間的限制、方便快捷地提供更豐富、更高層次的服務(wù)等特點，被公認(rèn)為是打造教育改革新模式的最有效途徑之一[5]。近年來，國內(nèi)眾多高校開始建立與專業(yè)相關(guān)的虛擬現(xiàn)實實驗室用于相關(guān)專業(yè)的教學(xué)和科研。其中，北京航空航天大學(xué)建立了虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實技術(shù)及應(yīng)用國家工程實驗室，安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院建立了冶金虛擬仿真實驗教學(xué)中心。

(二)虛擬現(xiàn)實技術(shù)對冶金概論教學(xué)的意義

隨著數(shù)字時代的到來，傳統(tǒng)的冶金工程專業(yè)正發(fā)生著深刻變革，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)被運用到冶金企業(yè)設(shè)計和冶金冶煉的全過程。冶金概論是知識復(fù)合、抽象性強的課程。對抽象的概念、設(shè)備和工藝流程的具象化能力有突出的要求，學(xué)習(xí)本課程不僅要求學(xué)生掌握理論知識，更重要的是了解所學(xué)專業(yè)與冶金行業(yè)之間的潛在聯(lián)系，鍛煉出作為一名未來冶金行業(yè)相關(guān)從業(yè)人員應(yīng)具備的科學(xué)思維模式。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于冶金概論課程教學(xué)，模擬鋼鐵冶金和有色冶金的工藝流程，是結(jié)合課程特點并將課程與實踐相結(jié)合的必然途徑。

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助冶金概論教學(xué)最重要的意義之一是提高了認(rèn)知冶金設(shè)備過程的安全性和降低認(rèn)知成本，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將冶金概論涉及到的各個冶煉過程和冶煉設(shè)備系統(tǒng)地展現(xiàn)出來，讓學(xué)生能夠更直觀、更立體、更清晰地了解每一個環(huán)節(jié)。除此之外，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助冶金概論教學(xué)可以突破時間和空間的限制，讓學(xué)生將理論課程上所學(xué)的知識在模擬實際操作過程中進行應(yīng)用，學(xué)生通過所戴的頭盔感受到操作過程中的聲音動畫，利用其它教學(xué)方法難以實現(xiàn)的沉浸感、交互性和構(gòu)想性提升學(xué)習(xí)積極性、開拓學(xué)習(xí)思路和對知識點掌握程度。如以鋼鐵冶金中高爐煉鐵一章為例，在虛擬現(xiàn)實實驗室中先構(gòu)建與煉鐵車間(廠區(qū)、設(shè)備和流程等)相關(guān)數(shù)字化環(huán)境，并通過軟件和傳感器感受人的動作、手勢、眼睛等人體行為，使環(huán)境根據(jù)人體的各種行為發(fā)生變化，學(xué)生直接用手柄模擬在中控室控制轉(zhuǎn)爐的加料、吹氧等行為。不難看出，虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合冶金概論課程教學(xué)是數(shù)字時代現(xiàn)代化教學(xué)的一個必然發(fā)展方向。

(三)虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助冶金概論教學(xué)示例

案例式教學(xué)起源于“哈佛大學(xué)”的情景案例教學(xué)課，可以通過具體的情境，促進隱性知識與顯性知識的不斷轉(zhuǎn)化[6]。我們從豐富冶金概論課程的內(nèi)容和形式出發(fā)，在理論課結(jié)束后借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)開展案例式教學(xué)，通過虛擬的視角轉(zhuǎn)化和設(shè)置不同參數(shù)，直觀、真實地向?qū)W生展現(xiàn)黑色金屬或有色金屬在冶煉、提取過程中所涉及的具體冶煉場地、設(shè)備、反應(yīng)和形態(tài)變化等。下面將以鋼鐵冶金中轉(zhuǎn)爐煉鋼過程為例，介紹如何利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助冶金概論教學(xué)工作。

轉(zhuǎn)爐煉鋼是冶金概論課程中很重要的一個章節(jié)，會先通過兩個課時向非冶金專業(yè)學(xué)生介紹轉(zhuǎn)爐煉鋼的原料、轉(zhuǎn)爐設(shè)備、過程中的物理化學(xué)反應(yīng)及熱量變化和轉(zhuǎn)爐煉鋼的產(chǎn)品。然后會利用一個課時的實際利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建轉(zhuǎn)爐煉鋼車間，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)知車間設(shè)備的構(gòu)造和布置，并在給出的鋼種中進行選擇，模擬轉(zhuǎn)爐煉鋼過程。虛擬仿真輔助教學(xué)是在安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院建立的虛擬仿真實驗教學(xué)中心中進行。

輔助教學(xué)過程的第一步是確定需要仿真的轉(zhuǎn)爐煉鋼車間類型，接著系統(tǒng)會根據(jù)選擇自動繪制出廠房和設(shè)備矢量平面圖，并完成二維平面圖上3D建模的工作；建模完成后，導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實軟件，對模型的各個要素進行設(shè)計，最后可以生成可執(zhí)行文件、動畫、效果圖等[7]。

第二步，以動畫漫游的方式讓學(xué)生了解設(shè)備構(gòu)造和設(shè)備布置，熟悉煉鋼車間的空間和布置。

第三步，以文字提問的形式與學(xué)生進行互動式問答，讓學(xué)生了解在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中所涉及到的相關(guān)設(shè)備以及該設(shè)備承擔(dān)的主要功能，并由系統(tǒng)反饋選項正誤。

第四步，以文字和圖片的形式對不同煉鋼原料的特性進行介紹，以加強學(xué)生對轉(zhuǎn)爐煉鋼原料的識別。

第五步，根據(jù)學(xué)生選定的鋼種模擬轉(zhuǎn)爐煉鋼的過程，并根據(jù)冶煉過程的溫度、成本和時間等綜合因素對煉鋼過程進行評價。

最后，以課后作業(yè)的形式讓學(xué)生對本次虛擬現(xiàn)實輔助教學(xué)工作進行總結(jié)，鞏固學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)的知識。

上述教學(xué)過程的目的是通過虛擬轉(zhuǎn)爐煉鋼過程配置實驗室，讓學(xué)生了解煉鋼原料的形態(tài)特點，掌握轉(zhuǎn)爐的設(shè)備構(gòu)造和設(shè)備運行過程，認(rèn)識不同原料品種選擇和添加順序下對冶煉過程、冶煉產(chǎn)品和冶煉設(shè)備的影響。同時讓學(xué)生自主選擇生產(chǎn)產(chǎn)品和不同性能的冶煉設(shè)備，熟悉冶金產(chǎn)品和冶金設(shè)備。

三、討論與建議

在傳統(tǒng)冶金為特色的教學(xué)研究型綜合性高校中，向非傳統(tǒng)冶金專業(yè)學(xué)生開設(shè)冶金概論課程對對我校培養(yǎng)開放式人才和促進學(xué)生能力發(fā)展都有著重要意義。但該課程覆蓋知識點廣、涉及的冶金設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜，而非冶金專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，在偏重理論且方式單一的教學(xué)模式下，教學(xué)效果并不理想。在教學(xué)中，通過充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點和技術(shù)優(yōu)勢，打破冶金概論課程教學(xué)中的局限性，以本課程的教學(xué)內(nèi)容和目標(biāo)為主導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生盡可能充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實平臺的作用，將抽象的冶金工藝流程和設(shè)備具象化，有助于縮短理論與實際的距離，調(diào)動學(xué)生積極性，是深化教學(xué)改革和提高教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。