冶金高校智能測控虛擬仿真實驗平臺建設

曾 飛，王 濤

（1. 武漢科技大學，冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北 武漢 430081；2. 武漢科技大學，機械自動化學院，湖北 武漢 430081）

智能制造支撐體系是創(chuàng)新型國家建設的重要保障，也是全面建成小康社會的客觀要求。2016 年12月8 日，工業(yè)和信息化部、財政部正式頒布《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020 年）》，要求到2025 年基本建成創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放的智能制造支撐體系。同時，再次印發(fā)《國家智能制造標準體系建設指南》，要求加快推進智能制造產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。而加快智能制造轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新的關鍵是培養(yǎng)高素質(zhì)、高質(zhì)量的智能制造人才。測控技術與儀器專業(yè)作為智能制造一門高新技術密集型綜合學科，在全國高校相繼開設并有效地促進了多學科的交叉融合。近年來，隨著國家“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大舉措的實施，迫切需要加快創(chuàng)新型測控技術與儀器專業(yè)人才培養(yǎng)。

我校機械自動化學院堅持以培育高質(zhì)量“卓越”素質(zhì)人才為目標，在長期教學經(jīng)驗積累的基礎上，針對本校冶金行業(yè)特色和智能制造測控需求，于2016年新增測控技術與儀器專業(yè)，培養(yǎng)適應我國智能制造建設發(fā)展需要、富有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)復合型人才。為促進學生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，學院克服傳統(tǒng)實訓平臺建設周期長、項目投資大、設備更新困難等現(xiàn)實問題，著力開展智能測控虛擬仿真實驗平臺建設：準確把握我校智能測控虛擬仿真實驗平臺建設內(nèi)涵，凝聚優(yōu)質(zhì)師資力量鉆研智能測控虛擬仿真實驗平臺建設思路，提出以虛擬現(xiàn)實并重、理論實踐互補建設方案，逐步探索智能測控虛擬仿真實驗平臺開放模式，著力開發(fā)智能測控虛擬實驗項目，從而全面提高地方本科院校智能測控虛擬仿真實驗平臺建設質(zhì)量，為探索新工科下測控技術與儀器專業(yè)人才培養(yǎng)模式奠定良好基礎。

1 智能測控虛擬仿真實驗平臺建設目標

智能測控虛擬仿真實驗平臺建設旨在本著“虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛”的建設思路，立足本校冶金專業(yè)特色及智能制造測控需求，以測控技術與儀器專業(yè)學生“卓越”素質(zhì)培養(yǎng)為引領，創(chuàng)立優(yōu)質(zhì)實驗教學資源共享新機制，創(chuàng)建或創(chuàng)新一批具地方冶金行業(yè)特色的虛擬仿真優(yōu)質(zhì)實驗教學資源，為推動地方高校智能測控實驗教學信息化建設和實驗教學改革與發(fā)展提供示范。然而隨著高校深化教育教學改革逐步推進，原有傳統(tǒng)智能測控虛擬仿真實驗室應用于地方高校測控技術與儀器專業(yè)人才培養(yǎng)的弊端逐漸暴露出來，主要體現(xiàn)在：行業(yè)背景特征弱化，特色優(yōu)勢不明顯[1]；重演示、輕實踐，缺乏人機交互、自主開發(fā)等功能[2]；課程知識散亂而復雜，易形成信息壁壘[3]；教學內(nèi)容缺乏行業(yè)技術延伸性，導致學生專業(yè)視野過窄[4]；學生考評機制不完善[5]等。

智能測控虛擬仿真實驗平臺建設所面臨的問題，可以從新工科建設[6]指導思想中找到解決方案，同時考慮到虛擬仿真實驗平臺是提升學生工程技術水平、引發(fā)學生興趣的最佳途徑，因此地方高校需明確測控技術與儀器專業(yè)工程技術人才培養(yǎng)目標，主動對接冶金行業(yè)測控發(fā)展需求及行業(yè)創(chuàng)新要求，研發(fā)與行業(yè)接軌的智能測控虛擬仿真實驗平臺，創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)虛擬實驗資源的互通共享機制，實現(xiàn)人才培養(yǎng)與社會需求協(xié)同發(fā)展，為創(chuàng)新型國家建設培養(yǎng)更多高素質(zhì)、高質(zhì)量測控技術人才提供堅實保障。智能測控虛擬仿真實驗平臺建設具體實現(xiàn)如下目標：

（1）準確把握地方高校智能測控虛擬仿真實驗平臺建設內(nèi)涵。將此作為新工科建設下實驗資源整合、共享的網(wǎng)絡介質(zhì)平臺，探索測控技術與儀器專業(yè)工程教育新模式，從而繼承與創(chuàng)新實驗教學信息化現(xiàn)代化、改革人才培養(yǎng)模式，全面推行建立新工科發(fā)展范式。

（2）創(chuàng)新智能測控虛擬仿真實驗項目，開發(fā)冶金行業(yè)測控方向優(yōu)質(zhì)實驗資源。以打破實際實驗限制，創(chuàng)新智能測控虛擬仿真實驗項目，實現(xiàn)實驗者與虛擬環(huán)境實時交互，提高學生對復雜科學問題的理解，開創(chuàng)測控技術教學領域新方向，為教師教學提供一個全新實驗平臺，為學生自主實踐與創(chuàng)新研究提供虛擬學習環(huán)境，使人才培養(yǎng)模式更加網(wǎng)絡化、差異化、科學化。

（3）全面提升智能測控虛擬實驗平臺開放程度。為更好地滿足創(chuàng)新型國家建設對冶金行業(yè)智能制造測控人才需求，發(fā)揮智能制造虛擬實驗平臺在推進工程教育改革、加強實踐教學建設、落實創(chuàng)新實驗項目開發(fā)、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量上的引領、示范、輻射作用，形成智能測控虛擬實驗平臺開發(fā)模式。智能測控虛擬實驗平臺具有虛擬實驗教學各功能業(yè)務管理模塊，教師可通過虛擬實驗平臺發(fā)布實驗課程管理、實驗教學設計和實驗教學安排，學生可在實驗前通過平臺預習、預約實驗時間，在學生實驗過程中教師可相應進行互動指導，實驗結(jié)束后，師生可分別就實驗操作過程、實驗結(jié)果、學生學習態(tài)度、教師指導方法等進行相應評價，以實現(xiàn)對實驗教學過程的全流程跟蹤[7]。

2 智能測控虛擬仿真實驗平臺建設方案

新工科建設為多樣化、創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)指引了方向，而虛擬仿真實驗正是調(diào)動學生創(chuàng)新意識，訓練自主探究能力的有效手段[8]。虛擬仿真實驗可突破冶金機械結(jié)構復雜、測控原理晦澀難懂、各耦合部分運動特性不可視等弊端，通過虛擬動畫等方式拓展實驗教學資源[9]。隨著智能制造業(yè)對高素質(zhì)、創(chuàng)新型測控人才需求日益增大，如何打破傳統(tǒng)教學模式，融入多媒體及網(wǎng)絡技術，瞄準虛擬實驗平臺功能定位，更新實踐教學方法，創(chuàng)建符合地方特色的智能測控虛擬仿真實驗平臺顯得日益緊迫。結(jié)合地方冶金行業(yè)特點以及我校測控專業(yè)實際，以更好地培育創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高素質(zhì)創(chuàng)新型測控人才為目標，從虛擬實驗平臺系統(tǒng)架構、虛擬仿真實驗教學體系、創(chuàng)新型虛擬實驗項目選題和“跟進式”實踐教學模式幾方面出發(fā)，進行地方高校智能測控虛擬仿真實驗平臺建設與探索，促進新工科建設與發(fā)展。

2.1 虛擬仿真實驗平臺系統(tǒng)架構

虛擬仿真實驗平臺以計算機仿真技術、多媒體技術和網(wǎng)絡技術為依托，采用面向服務的軟件架構開發(fā)，集實物仿真、創(chuàng)新設計、智能指導、虛擬實驗結(jié)果自動批改和教學管理于一體，具有良好自主性、交互性和可擴展性[10]。從技術角度，本虛擬實驗平臺基于Eclipse 軟件，采用JAVA 語言開發(fā)完成，數(shù)據(jù)庫則采用MySQL[11]。實驗項目則采用3D 仿真技術，運用Unity 3D、3DMax、Maya、Visual Studio、Photoshop等開發(fā)工具實現(xiàn)開發(fā)。

依托智能測控虛擬仿真實驗平臺，虛擬仿真實驗項目可通過數(shù)據(jù)接口與之無縫對接。教師和學生可突破時空限制隨時隨地通過瀏覽器訪問實驗項目，并通過平臺提供的面向用戶的智能指導和自動批改服務功能，實現(xiàn)用戶自主探究實驗，加強對理論知識的理解。從安全角度出發(fā)，實驗操作登錄需要通過校園網(wǎng)賬號認證才可通過，大部分瀏覽器端功能需要安裝插件才能實現(xiàn)，以便保障平臺的安全性能。

2.2 虛擬仿真實驗教學體系

結(jié)合我院辦學優(yōu)勢及測控專業(yè)特點，平臺教學體系架構依據(jù)“工程應用型、綜合能力型和科研創(chuàng)新型”人才培養(yǎng)目標進行設計[11]。測控技術與儀器專業(yè)的課程涉及光、機、電、控制等多學科交叉[12]，課程群包括“精密儀器設計制造”“工程光測技術”“測控系統(tǒng)設計及應用”和“虛擬儀器開發(fā)”。通過系統(tǒng)梳理各課程群中具高成本、高風險、不可視或復雜性實驗實訓項目，設計智能測控虛擬實驗項目分為操作型、認知型、綜合型和創(chuàng)新型4 個層次，體系架構見圖1。

圖1 智能測控虛擬實驗教學平臺體系架構

（1）操作型實驗項目。主要針對課程群中有關測控電路搭建、光學儀器設計、機械系統(tǒng)故障診斷等實驗操作內(nèi)容，通過工業(yè)化應用背景設計開發(fā)為一系列實驗單元，加深學生對工程觀點的認識。學生通過在已知流程指導下完成整套實驗操作，系統(tǒng)學習測控電路內(nèi)部結(jié)構、儀器組成和檢測方法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

（2）認知型實驗項目。讓學生熟悉典型傳感器應用與典型冶金機械系統(tǒng)故障診斷，了解冶金機械系統(tǒng)特性本質(zhì)和測控要領，提高實踐動手能力，建立良好的工程理念。

（3）綜合型實驗項目。讓學生深入理解復雜機電系統(tǒng)測控方法，通過自主構建新型結(jié)構的測控電路，掌握系統(tǒng)特性曲線識讀和指標計算，學會根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)、準、快的控制思想優(yōu)化測控參數(shù)。

（4）創(chuàng)新型實驗項目。教師針對新工科要求，開發(fā)冶金領域下與實際緊密結(jié)合的課題，如煤礦帶式輸送機運行控制、冶金車輛操縱穩(wěn)定性、無人機測控、煉鋼廠熱鍍鋅鍋自動撈渣等，通過虛擬展現(xiàn)的設計模塊，可提供給素質(zhì)較高和感興趣的學生，擴展視野自主研發(fā)。學生可通過查閱資料、自行探究、小組研討、調(diào)查研究、論證分析等多種方式確定研究思路和技術方案，并在實踐過程中不斷優(yōu)化創(chuàng)新。

2.3 創(chuàng)新型虛擬仿真實驗項目選題

創(chuàng)新型虛擬實驗項目設計基于“大工程理念”[13]，廣開資源、延伸時空、拓展內(nèi)涵，為提升學生實踐創(chuàng)新能力創(chuàng)建了全過程、全方位的大環(huán)境，有效培養(yǎng)符合新工科人才規(guī)格要求的人才。在創(chuàng)新型虛擬實驗項目選題和開發(fā)過程中，結(jié)合本校冶金特色，交叉新興學科，圍繞信息采集、傳輸、處理、應用和控制拓寬測控應用領域，遴選一批基于生產(chǎn)實際極具代表性的選題[14]。例如創(chuàng)新型實驗項目之一“帶式輸送機運行控制”之分支實驗“柔性輸送帶動態(tài)張力檢測與控制”，要求學生結(jié)合項目背景，充分利用現(xiàn)有的3D 實體造型軟件，建立帶式輸送機復雜關鍵機構的虛擬組裝及其配合模型。再通過設置調(diào)速控制參數(shù)及控制性能要求，設計智能控制算法，仿真模擬帶式輸送機調(diào)速控制瞬態(tài)柔性輸送帶動張力變化。針對輸送帶上物料改變瞬時調(diào)速過程中動態(tài)特性強復雜性、不可視性和危險性問題，通過實驗項目分解，設計系統(tǒng)結(jié)構認知與傳感器設計、帶式輸送機變頻調(diào)速控制等4 個功能模塊，加深學生對帶式輸送機變頻調(diào)速控制下柔性輸送帶動態(tài)張力檢測原理及張力控制方法的理解?！叭嵝暂斔蛶討B(tài)張力檢測與控制”功能模塊與知識點對應關系見表1?；诮M態(tài)王開發(fā)的帶式輸送機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)如圖2 所示，基于Matlab 開發(fā)的帶式輸送機輸送帶動態(tài)張力可視化系統(tǒng)如圖3 所示。通過創(chuàng)新型項目學習，學生依次確定張力檢測方案及控制性能指標、選擇執(zhí)行機構和控制芯片，并最終完成系統(tǒng)仿真與調(diào)試。通過帶式輸送機調(diào)速控制仿真運動，學生能了解帶式輸送機組成、工作原理等概念，掌握運行參數(shù)檢測與控制方法，弄清帶式輸送機各運行參數(shù)對輸送帶動態(tài)特性的影響機理。

2.4 “跟進式”實踐教學模式

“跟進式”教育實質(zhì)是以學生為本與時俱進創(chuàng)新教學內(nèi)容和方法[15]。虛擬仿真實驗教學的靈活、安全、共享、交互等優(yōu)勢，有利于“跟進式”教育貫徹和滲透。圍繞測控專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標，在實踐教學過程中，灌輸數(shù)字化、模塊化、綠色化實驗教學理念，引導學生通過微課、慕課等在線課程預習實驗內(nèi)容，結(jié)合智能測控虛擬仿真實驗平臺，實現(xiàn)操作型、認知型、綜合型和創(chuàng)新型4 層次實踐訓練，加深對測控技術與儀器理論和專業(yè)知識的理解。

智能測控虛擬仿真實驗平臺融合了正在應用的在線課程（SPOC）——“機械工程測試技術基礎”，并作為一個功能模塊在平臺上運行。課程包括課程導讀、課程大綱、課程慕課視頻、PPT、試題庫、在線答疑、擴展閱讀、虛擬仿真實驗等功能模塊，通過文字說明、視頻講解、圖片資料、動畫、虛擬仿真實驗等多種形式相結(jié)合進行展示，具有強大自主學習功能。教師在講授該課程時，可有效利用“跟進式”教育理念，采用翻轉(zhuǎn)課堂形式，引導學生充分利用智能測控虛擬仿真實驗平臺吸取養(yǎng)分，使教師教學和學生學習更加便利有效。為講清冶金機械物理量測試原理及電路設計方法，例如在講解如何采用金屬電阻應變片測量鋼軋機結(jié)構應力應變，測試電橋參數(shù)如何設計等知識點時，以虛擬動畫形式制作了測試電橋工作原理、鋼軋機結(jié)構應力應變采集電路設計、測量信號特征及傳輸流向等認知型實驗，并開發(fā)了鋼軋機結(jié)構應力應變信號采集、信號處理和測試等操作型實驗。學生進入“機械工程測試技術基礎”在線課程模塊，通過點擊該網(wǎng)頁，突破時空限制在線學習相關知識，自主把握學習進度，自由度和靈活性得到充分發(fā)揮。在實際理論課堂上，教師拋出復雜工程問題，如復雜工作環(huán)境（如高溫、高濕）、測點位置、傳感器類型等多重因素對測試電路設計的影響，如何考慮信號來源、信號特征、信號分析方法、分析目的等多重因素選擇測量信號分析方法等引導學生展開小組討論，鼓勵學生課下完成綜合型和創(chuàng)新型虛擬實驗項目并獲取創(chuàng)新學分。教師則通過學生獲取創(chuàng)新學分情況，吸納優(yōu)秀且具創(chuàng)新精神和實踐能力的學生進入創(chuàng)新工場或自己課題組隊伍，進一步展開實際研究，強化對學生復雜工程能力的培養(yǎng)。

表1 “柔性輸送帶動態(tài)張力檢測與控制”功能模塊與知識點對應關系

圖2 帶式輸送機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

圖3 帶式輸送機輸送帶動態(tài)張力可視化系統(tǒng)

3 虛擬仿真實驗平臺的特色及應用效果

地方高校智能測控虛擬仿真實驗平臺通過響應教育部共建、共享虛擬仿真資源的號召，通過創(chuàng)新型虛擬實驗項目建設，深化了新工科下多學科交叉融合，創(chuàng)新了測控技術與儀器專業(yè)人才培養(yǎng)模式，為智能制造轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新培養(yǎng)更多高素質(zhì)高質(zhì)量工程人才。該虛擬仿真實驗平臺建設注重打破傳統(tǒng)實物實驗的局限性，融入最新技術發(fā)展和趨勢，通過系統(tǒng)直觀的虛擬實驗項目，培養(yǎng)學生分析和解決復雜工程問題能力，提升地方高校測控專業(yè)高素質(zhì)工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。另外，學院建立和完善了虛擬仿真實驗平臺門戶網(wǎng)站，發(fā)布虛擬實驗信息及動態(tài)、虛擬實驗教學安排及虛擬實驗內(nèi)容介紹等信息。制定和完善了虛擬實驗項目激勵措施，鼓勵高素質(zhì)拔尖人才對虛擬實驗項目進行深挖和創(chuàng)新。通過“教改基金”“績效獎勵”形式激勵高水平教師參與虛擬實驗平臺建設，有效提升虛擬實驗項目教學資源庫質(zhì)量；積極組織青年教師進行教學研討，創(chuàng)新虛擬實驗項目教學模式，完善對學生實驗考評機制；通過創(chuàng)新型虛擬實驗項目訓練，進一步遴選高質(zhì)量、高素質(zhì)測控卓越人才參與創(chuàng)新計劃項目或科技競賽，加強對學生工程實踐能力的培養(yǎng)。

隨著我校機械自動化學院智能測控虛擬仿真實驗平臺的建設與應用，提升了虛擬實驗項目開發(fā)的質(zhì)量，為培養(yǎng)滿足國家智能制造發(fā)展所需測控人才提供了強有力的技術保障。在虛擬仿真實驗平臺建設短短兩年間，開發(fā)了創(chuàng)新型虛擬仿真實驗項目15 項，其中液壓元件與系統(tǒng)虛擬仿真實驗獲批2018 年度國家虛擬仿真實驗教學項目（見圖4），2019 年成功申報國家級虛擬仿真實驗室1 個。課堂實現(xiàn)了“啟發(fā)式+虛擬仿真實驗+研討探究+翻轉(zhuǎn)課堂”教學模式后，學生訪問量突破3 萬人次，輻射面涉及全校測控相關專業(yè)，其教學成果榮獲2018 年湖北省教學成果一等獎1 項。同時，強化了教師隊伍建設（教師承擔產(chǎn)學研項目10 項，國家重點研發(fā)儀器項目1 項，國家自然科學基金項目8項），提高了測控專業(yè)學生人才培養(yǎng)質(zhì)量。通過創(chuàng)新型虛擬實驗項目探究，我院學生獲國家級、省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目14 項，在全國“挑戰(zhàn)杯”大賽、機械設計創(chuàng)新大賽、中國工程機器人大賽等競賽中成績突出，發(fā)表論文30 多篇，其中大部分發(fā)表于Sensors、Photonic Sensors、Int J Adv Manuf Technol 等SCI 期刊，實現(xiàn)了地方高水平大學測量專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量跨越式發(fā)展。

圖4 液壓元件與系統(tǒng)虛擬仿真實驗

4 結(jié)語

我校機械自動化學院以地方高校智能測控虛擬仿真實驗平臺建設為契機，促進新工科發(fā)展下學科交叉與融合，加深“跟進式”教育理念在人才培養(yǎng)中的滲透，在提升創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量方面取得較好的效果。該虛擬仿真實驗平臺在建設目標、建設方案和及實踐模式方面均有借鑒意義，是高素質(zhì)創(chuàng)新型測控人才培養(yǎng)科學化、規(guī)范化、高效性的有益探索和嘗試，也為其他高校測控專業(yè)虛擬仿真實驗平臺建設提供示范。