國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心在應(yīng)用型冶金工程“一流專業(yè)”實踐教學(xué)的應(yīng)用

袁曉麗 黃青云 安 娟 尹建國 周雪嬌 夏文堂 向小艷 楊文強

（重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院 重慶 401331）

重慶科技學(xué)院是一所應(yīng)用型的全日制本科院校，學(xué)校的冶金工程專業(yè)是國家級一流專業(yè)建設(shè)點、國家級特色專業(yè)、國家卓越工程師教育培養(yǎng)計劃試點專業(yè)、國家級工程實踐教育中心建設(shè)點、重慶市一流專業(yè)和市級本科高?！叭匦袆佑媱潯碧厣珜I(yè)，也是工程教育認證專業(yè)。冶金工程專業(yè)確定了“依托行業(yè)，突出應(yīng)用，錯位發(fā)展，追求卓越”的發(fā)展理念，堅持“定向在行業(yè)、定性在應(yīng)用、定點在實踐”的專業(yè)定位，培養(yǎng)引領(lǐng)冶金行業(yè)、適應(yīng)重慶區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展需要的高水平應(yīng)用型人才。為此，對冶金工程一流專業(yè)的實踐教學(xué)提出了更高的要求。冶金工程專業(yè)的實踐教學(xué)主要包括實驗、實習(xí)、實訓(xùn)、科技競賽和畢業(yè)設(shè)計（論文）等，其主要特點是實踐性強。傳統(tǒng)實踐教學(xué)普遍存在高溫環(huán)境操作危險多、設(shè)備貴重動手機會少、資源能源運行成本高、污染嚴重環(huán)保壓力大、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)流程長等特點，導(dǎo)致學(xué)生的實踐動手能力不強、創(chuàng)新意識不夠和創(chuàng)新能力不足，已經(jīng)成為制約應(yīng)用型冶金工程本科人才培養(yǎng)質(zhì)量的瓶頸。因此，在冶金工程專業(yè)實踐教學(xué)中應(yīng)用國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心的平臺資源，采用虛擬仿真技術(shù)，可對學(xué)生進行全面、系統(tǒng)的工程實踐訓(xùn)練，實現(xiàn)了教學(xué)資源的零消耗、實驗過程的零污染、實驗容量的無限化，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，消除了實驗的危險性，增加了學(xué)生動手操作的機會，融“教、學(xué)、做”為一體，為提高應(yīng)用型本科冶金工程一流專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量提供了可靠保障。

2014年獲首批教育部100個國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心，2015年獲批冶金工程國家級實驗教學(xué)示范中心。經(jīng)過5-6年的建設(shè)，兩個國家級實驗教學(xué)和示范中心為冶金工程一流專業(yè)實踐教學(xué)提供了豐富的虛擬仿真技術(shù)資源，對冶金工程一流專業(yè)實踐教學(xué)質(zhì)量的提高凸顯了極其重要的作用。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)中心在冶金工程一流專業(yè)實踐教學(xué)中應(yīng)用

1.1 國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心在冶金工程專業(yè)實習(xí)、實訓(xùn)中的應(yīng)用

冶金工程專業(yè)屬于實踐性非常強的一門學(xué)科，工作環(huán)境屬于高溫高壓、并且實習(xí)過程中不能介入設(shè)備內(nèi)部，即使到現(xiàn)場也很難全面的理解和掌握冶金工程流程以及設(shè)備，冶金工程的實習(xí)、實訓(xùn)教學(xué)成為各大冶金高校急需解決的難題，為此，國家虛擬仿真教學(xué)中心的建成有效的克服以上難題，針對學(xué)生所處的不同學(xué)習(xí)階段，開發(fā)了基于不同層次和級別的實習(xí)和實訓(xùn)系統(tǒng)。在認識實習(xí)階段，以采用現(xiàn)場視頻為主，在冶金工藝的流程和設(shè)備教學(xué)上主要給予學(xué)生感性認識。以高爐煉鐵生產(chǎn)的認識實習(xí)為例，首先對高爐煉鐵的工藝流程和高爐設(shè)備有一個總的概述，然后依次按照高爐本體系統(tǒng)、槽下系統(tǒng)、轉(zhuǎn)料系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、爐前系統(tǒng)、噴煤系統(tǒng)、水渣系統(tǒng)以及除塵系統(tǒng)分別進行介紹，將設(shè)備組成、功能參數(shù)以及工作原理以表格、圖片、現(xiàn)場視頻以及動畫的形式讓學(xué)生學(xué)習(xí)?，F(xiàn)場視頻的學(xué)習(xí)讓學(xué)生身臨其境現(xiàn)場實習(xí)的感覺。圖片和動畫的展示將無法看到的高危和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及工作原理表現(xiàn)的更直觀更生動，可以有效補充，進一步加深學(xué)生的理解，提高認識實習(xí)效果。

對于生產(chǎn)實習(xí)和實訓(xùn)階段，學(xué)生對現(xiàn)場的工藝流程和設(shè)備的掌握已經(jīng)提升到一個新的高度。然而，一般冶金企業(yè)考慮到安全和保密性，是不允許學(xué)生進行操作的，生產(chǎn)實習(xí)對于學(xué)生而言也只能是一個“旁觀者”，為了解決這個問題，國家虛擬仿真實驗教學(xué)中心開發(fā)了全流程的虛擬生產(chǎn)操作系統(tǒng)，主要有鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)和有色金屬生產(chǎn)虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)。

以燒結(jié)生產(chǎn)虛擬仿真操作系統(tǒng)為例，首先學(xué)生選定系統(tǒng)設(shè)定的燒結(jié)礦化學(xué)成分、產(chǎn)量和成本等目標要求，學(xué)生根據(jù)目標系統(tǒng)的進行燒結(jié)工序操作，完成從燒結(jié)配料、配料操作、混料操作、燒結(jié)操作、破冷操作、成品礦處理到篩分完整的操作流程，大大解決了學(xué)生無法動手操作的難題，有效的提高了學(xué)生的動手能力。在這個過程中，通過人機交互，學(xué)生對冶煉生產(chǎn)操作的燒結(jié)數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，監(jiān)測燒結(jié)趨勢曲線。系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生對生產(chǎn)仿真操作的規(guī)范性以及完成的目標情況，給予評分，對于不合理的操作和參數(shù)，系統(tǒng)給予反饋，學(xué)生根據(jù)反饋的結(jié)果，及時調(diào)整和改進操作過程出現(xiàn)的問題，可以反復(fù)多次操作，直到解決操作過程出現(xiàn)的所有問題以及達到設(shè)定的生產(chǎn)目標要求。因此，學(xué)生通過生產(chǎn)虛擬仿真操作可以得到全面的操作訓(xùn)練，實現(xiàn)了零消耗、零危險和無限次操作的過程，不僅全面掌握實踐操作要領(lǐng)，而且切實提高了解決復(fù)雜工程問題的能力。

此外，本專業(yè)通過開設(shè)特色鮮明的《冶金工藝實訓(xùn)》課程，依托國家級擬仿真實驗教學(xué)中心，學(xué)生通過計算機和網(wǎng)絡(luò)資源，熟悉冶金企業(yè)計算機控制系統(tǒng)和操作界面，掌握冶金過程基本原理和流程，完成各項冶金仿真操作等，最后通過網(wǎng)上實時考核了解學(xué)生對于理論知識的掌握情況，有效提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

1.2 虛擬仿真實驗教學(xué)中心在冶金工程專業(yè)實驗中的應(yīng)用

為突破冶金過程中高溫、高危、高成本等限制，解決傳統(tǒng)教學(xué)無法開展的高溫實驗及生產(chǎn)極端工況操作等實驗難題，本著校企共建、共同參與、共同研發(fā)的原則，開發(fā)了50余項虛擬仿真實驗項目。全部教學(xué)資源均通過校園網(wǎng)連接到互聯(lián)網(wǎng)，借助Mobile、WEB等信息技術(shù)手段，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，教學(xué)環(huán)節(jié)實施突破了實驗室界限，隨時隨地隨需開展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。除了專業(yè)學(xué)生的少數(shù)實踐環(huán)節(jié)外，學(xué)校開設(shè)的行業(yè)背景課程直接在普通教室內(nèi)就可進入虛擬實驗室，選擇需要的實驗教學(xué)資源開展教學(xué)。

冶金工程實驗以前受實驗場地和實驗設(shè)備的限制，學(xué)生實際動手的人次有限，通常采用部分動手、部分觀摩的形式進行，而虛擬仿真實驗使得每個學(xué)生都有了實際動手的機會。在虛擬仿真實驗室虛實結(jié)合的實驗教學(xué)環(huán)境下進行實驗，可以保證所有學(xué)生同時進行操作，大大增加了學(xué)生實際動手的機會，學(xué)生的工程實踐能力得到了顯著增強。同時，在虛擬仿真實驗教學(xué)中，自由的學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)空間及多樣化的學(xué)習(xí)方式可明顯提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。高仿真的實驗教學(xué)資源使得學(xué)生在畢業(yè)后能很快適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場，快速進入崗位角色。

1.3 虛擬仿真實驗教學(xué)中心在畢業(yè)設(shè)計論文、科技競賽中的應(yīng)用

國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心通過高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼和熱連軋模塊為學(xué)生的科技競賽和畢業(yè)設(shè)計論文提供很好的實踐平臺。該中心的操作平臺具備全國模擬煉鋼、科技競賽等資源，并且對接世界網(wǎng)絡(luò)煉鋼資源，為學(xué)生參加國際網(wǎng)絡(luò)煉鋼大賽、全國模擬煉鋼—軋鋼大賽以及全國冶金科技競賽提供直接訓(xùn)練和比賽平臺，2017年在該平臺曾舉辦重科杯全國模擬煉鋼—軋鋼大賽。此外，學(xué)生借助該中心平臺可以完成畢業(yè)論文，近年來，該平臺完成的基于轉(zhuǎn)爐虛擬煉鋼及優(yōu)化、電爐虛擬煉鋼及優(yōu)化以及二次精煉的模擬及優(yōu)化等畢業(yè)論文內(nèi)容，克服高溫條件下無法親自進行的轉(zhuǎn)爐煉鋼、電爐煉鋼和二次精煉實驗操作，實現(xiàn)零成本完成畢業(yè)論文和科技競賽。

2 虛擬仿真實驗教學(xué)中心的應(yīng)用效果

國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心秉承“以學(xué)生為本，注重學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，突出工程實踐能力，強化責任意識和創(chuàng)新思維培養(yǎng)”的實驗教學(xué)理念，營造了儀器設(shè)備先進、資源共享、開放服務(wù)、高效運行、安全環(huán)保的實驗教學(xué)環(huán)境，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)個性發(fā)展創(chuàng)造了條件，對全面提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力成效顯著。國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心自建成以來，冶金工程學(xué)生完成各類實驗、實習(xí)和實訓(xùn)等課程，年服務(wù)冶金工程學(xué)生800人次，每年完成人時數(shù)1.5萬，共培養(yǎng)本科生900余名。我校冶金工程專業(yè)學(xué)生參加全國冶金科技競賽榮獲“轉(zhuǎn)爐煉鋼”一等獎1項；榮獲“火法煉銅”一等獎2項和二等獎1項。參加全國模擬煉鋼—軋鋼大賽，分別榮獲了高校組煉鋼一等獎4項，榮獲高校組團體一等獎1項。在2015年和2020年，分別兩次獲得世界模擬煉鋼挑戰(zhàn)賽總冠軍，并且連續(xù)六年蟬聯(lián)中國賽區(qū)冠軍，一直保持我國大學(xué)生參加該賽事的最佳成績。重慶日報、人民網(wǎng)、華龍網(wǎng)等媒體國家級擬仿真實驗教學(xué)中心取得的成績爭先報道。近5年，先后獲得了重慶市教學(xué)成果獎一等獎2項、二等獎1項。獲批“復(fù)雜金屬礦產(chǎn)資源增值循環(huán)與清潔提取”重慶市高校重點實驗室。2017年10月，冶金工程專業(yè)通過了工程教育認證。2018年3月，以冶金工程專業(yè)為依托的項目“冶金類專業(yè)工程實踐教育體系與實踐平臺構(gòu)建的研究與實踐”成功入選教育部首批“新工科”研究與實踐項目。2018年、2020年冶金工程專業(yè)分別獲批為重慶市和國家“一流專業(yè)”建設(shè)點。

3 結(jié)論

國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心構(gòu)建了“大冶金、全流程”的高水平教學(xué)科研平臺，建立了與冶金工程專業(yè)實習(xí)、實驗、綜合實訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計等相適用的教學(xué)系統(tǒng)，解決了冶金工程實踐教學(xué)時間、空間、資金等遇到的難題，建立了冶金工程實踐教學(xué)的新模式、新方法。通過將國家級鋼鐵制造虛擬仿真實驗教學(xué)中心資源應(yīng)用于冶金工程專業(yè)學(xué)生的實習(xí)、實訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，提高了學(xué)生解決工程復(fù)雜問題的能力，有效的提高了冶金工程一流專業(yè)本科生的培養(yǎng)質(zhì)量。不僅有利于冶金卓越工程師的培養(yǎng)，而且極大地滿足了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和社會經(jīng)濟發(fā)展對高水平應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求。