矿冶工程化学虚拟仿真实验教学体系的构建

2018-09-04卢红梅刘有才曾冬铭曹占芳周思洁董子和

实验技术与管理 2018年8期

王帅, 卢红梅, 刘有才, 曾冬铭, 曹占芳, 周思洁, 董子和, 钟宏

(中南大学化学化工学院, 湖南长沙 410083)

虚拟仿真实验教学是我国高等教育信息化的重要组成部分,也是我国高等教育实验教学的重要发展方向之一[1-3]。为了推动虚拟仿真实验教学的开展,教育部于2013—2015年批准建设了300个国家级虚拟仿真实验教学中心,并于2017年开始启动示范性虚拟仿真实验教学项目的认定工作。矿冶工业中存在大量的高能耗、高消耗、高污染和高危险性化学过程,不便或无法进行实验室实验；而虚拟仿真实验可以有效弥补这一不足[4-5]。中南大学矿冶工程化学虚拟仿真实验教学中心针对矿冶类学科的实验教学,构建了以化学知识和化工单元操作为核心,面向矿物加工工程、冶金工程、化学、化工等专业的虚拟仿真实验教学体系[6]。

1 课程体系建设

虚拟仿真实验教学属于实验教学的一部分,是实验室实验教学的替代和补充。因此,不应将虚拟仿真实验教学与实验室实验教学割裂开来,而应统一规划本科生培养方案和课程教学大纲,形成二者互补、完整的实验教学体系。

(1) 利用虚拟仿真实验进行实验室实验的辅助教学。例如在分析化学实验中,安排大型分析仪器仿真实验,帮助学生理解实验仪器的工作原理；在化工原理实验中,安排8学时虚拟仿真实验,帮助学生熟练掌握实验操作、更好地理解化工单元操作的过程和机理；利用硫化矿冶炼烟气制备硫酸过程仿真、药物制剂(GMP)实训仿真系统等,辅助实习教学,帮助学生理解生产原理。利用仿真实验进行操作,弥补了实习中很多工艺过程无法动手操作的不足。

(2) 利用虚拟仿真实验代替实际实验。开设了4学时的高硫高砷金精矿的氧化焙烧-氰化浸出虚拟仿真实验,取代了氰化浸金实验室实验,解决了因需要使用剧毒化学品氰化物而不能开展实验室实验的问题。该实验属于研究性虚拟仿真实验,既可以让学生掌握相关实验知识与技能,又可以培养学生的科研能力。

(3) 理论教学与计算机实践教学相结合,课堂教学与课程设计相结合,提高学生对虚拟仿真技术的应用能力。在“计算机在化工中的应用”课程中,开设了4学时的虚拟仿真技术理论课程,并安排了4学时的上机实验,让学生初步掌握虚拟仿真软件的设计方法；在“化工系统工程”课程中,开设了4学时的过程系统仿真课程,布置了过程系统仿真设计题目,让学生利用虚拟仿真技术对过程系统进行仿真。

2 实验项目建设

虚拟仿真实验项目建设是高校虚拟仿真实验教学体系建设的核心内容。在对矿冶过程及其涉及的化学、化工实验进行分析的基础上,提出实验项目建设方案,开发了一系列优质虚拟仿真实验教学项目。

2.1 项目建设方案

对典型矿冶过程实验的知识体系进行梳理,寻找它们与化学、化工学科知识的交叉点,确立了以化学知识和化工单元操作为核心、以物质分离为主线的实验项目建设方案。根据矿冶过程特点建设了3类项目。

(1) 化学化工基础虚拟仿真实验。针对大型分析仪器和化工单元操作设备结构复杂、微观过程难以直接观测等问题,建设化学化工基础虚拟仿真实验项目,通过仪器3D结构展示、交互性虚拟仿真操作、分子模拟、微观过程机理可视化等手段,让学生掌握化学、化工基础知识与实验基本操作,为学习矿冶过程知识打好基础。

(2) 湿法冶金虚拟仿真实验。针对湿法冶金过程复杂、实验周期长、具有危险性的冶金过程无法开展实验室实验等问题,开发湿法冶金虚拟仿真实验,通过虚拟仿真实验操作和数值仿真,让学生了解湿法冶金过程、特点及其控制方法。

(3) 火法冶金虚拟仿真实验。针对火法冶金过程存在的高温、高能耗、高危险性特征,采用虚拟仿真技术让学生了解设备内部结构,通过实验参数的改变,了解节能设计和控制的方法。火法冶金虚拟仿真实验不仅可以节约实验成本,而且能够降低实验危险性、提高实验教学效果。

2.2 项目开发流程

虚拟仿真实验项目的开发流程一般包括资料收集、三维建模、虚拟现实场景构建、产品发布等步骤[7-8]。在对现有虚拟仿真软件开发技术进行对比分析的基础上,总结了一套以3ds Max和Unity3D为主要开发工具进行虚拟仿真项目开发的流程。

(1) 资料收集。收集实验项目建设所需的基本资料,包括实验原理、实验过程、实验数据等,并对实验设备、实验室等进行拍照、录像,测量基本尺寸。这些数据是进行三维建模和虚拟现实场景构建的基础。

(2) 三维建模。主要是建立实验设备、实验室或车间、连接管道、材料等的三维模型。对关键的实验设备或关键部位,除了要建立外部模型外,还要建立内部结构模型,以便让实验者观察其内部结构。对复杂或微观的过程,还要建立其过程机理模型。三维建模的工具主要有3ds Max、Maya、SolidWorks、AutoCAD等。综合考虑建模软件的功能和与虚拟现实场景构建软件的兼容性,一般采用3ds Max进行建模,导出FBX的文件格式。为了避免模型之间的干扰,建模时需要将动态模型与静态模型分开建模。

(3) 虚拟现实场景构建。这一部分工作主要是在Unity3D中完成,先对FBX文件进行优化,然后设计交互动作,最后建立数学模型,实现实验数据处理功能。在进行虚拟场景建模过程中,合理使用粒子系统、纹理映射、物理引擎、Unity3D建模插件等技术,能够使模型和动态效果更加逼真[9]。

(4) 产品发布。Unity3D可以发布exe、html等格式的文件,exe文件可直接在计算机上运行,html文件与一起导出的Unity3D文件可发布于网络上运行。

2.3 项目建设成果

根据项目建设方案,利用虚拟仿真技术建设了20余项实验教学项目,申请并获得了10项计算机软件著作权。开发的项目有:

(1) 化学化工基础虚拟仿真实验项目:包括大型分析仪器仿真、化工原理实验仿真、化工专业实验仿真、非硫化矿捕收剂的分子设计与合成仿真等；

(2) 湿法冶金虚拟仿真实验项目:包括电解锰过程仿真、高硫高砷金精矿的氧化焙烧-氰化浸出虚拟仿真、湿法炼锌过程仿真、铜矿生物冶金过程仿真、拜耳法氧化铝生产过程虚拟仿真等；

(3) 火法冶金虚拟仿真实验项目:包括火法炼铜过程仿真、铁矿冶炼烟气净化过程仿真、硫化矿冶炼烟气制备硫酸过程仿真等。

这些项目来源于实验室实验、科研项目成果和生产实际。例如大型分析仪器仿真实验来源于实验室实验,电解锰过程仿真实验来源于国家科技支撑计划课题的研究成果,火法炼铜过程仿真实验来源于生产实际。在实验项目开发的过程中,充分参考了仪器设备的原型、操作过程、实验数据或生产数据,因此项目的仿真程度高、数据可信,有利于提高教学效果。2018年,“高硫高砷金精矿的氧化焙烧-氰化浸出虚拟仿真”被认定为首批国家级示范性虚拟仿真实验教学项目。

3 网络管理平台建设

网络管理平台是虚拟仿真实验项目的载体,也是实现虚拟仿真实验项目开放共享的基础条件。中心以开发优势资源为先导,以建立开放共享机制为宗旨,建设了开放式虚拟仿真实验教学网络管理平台。

3.1 管理平台的功能结构

中心重点开发了基于B/S结构的虚拟仿真实验管理平台；而对复杂的项目采用C/S结构。平台主要分为系统管理、教师界面、学生界面和实验项目4部分,其功能结构如图1所示。利用该平台,学生可以了解实验信息、进行仿真实验、提交实验报告、在线测试、修改个人信息等；教师可以管理实验项目、查阅学生实验情况、批改实验报告等。利用系统的实验项目管理功能可以添加实验信息,通过上传Unity3D文件即可实现实验项目的添加。学生通过网页运行实验项目,进行虚拟仿真实验。

图1 网络管理平台的功能结构

3.2 技术方案

平台使用JSP程序进行开发,使用Dreamweaver CS3制作网页,以CSS+DIV进行布局,采用MySQL数据库[10]。网站架设于Windows Server 2008操作系统上,采用Apache Web服务器提供Web服务,采用Tomcat JSP服务器提供JSP程序编译和解析服务,采用My SQL数据库服务器提供数据库服务。

为了方便学生登录并能实现对外开放共享,平台采用校内与校外用户分开认证的模式:校内用户使用学校的信息平台进行统一身份认证,校外用户采用本系统设定的用户管理模块进行认证。

3.3 管理平台的应用

平台分类列出了20余个虚拟仿真实验项目,点击所列实验项目即可进行虚拟仿真实验。以电解锰过程仿真实验为例,实验界面如图2所示,进入实验项目后,可以查看生产原理、设备简介,并进行过程仿真。

图2 电解锰过程仿真实验界面

4 虚拟仿真实验室建设

虽然网络管理平台提供了良好的开放运行环境,但由于教师集中授课的需要,特别是部分虚拟仿真实验项目需要配置一定的运行环境,因此,中心建设了专门的虚拟仿真实验室。

4.1 计算机与3D打印机的配置

中心配置了机架式服务器3台、计算机100台、3D打印机2台,并配备了航拍无人机、摄像机、硬件交互式平板等辅助设备。

机架式服务器分别为Web服务器、数据库服务器和C/S软件的服务器,配置均为双CPU六核Intel至强处理器E5-2407 v2 2.4 GHz,4×8 GB DDR3内存,3×600 GB硬盘,集成显卡,集成双口千兆以太网卡,21.5英寸液晶显示器。

计算机主要用于学生上机和虚拟仿真实验项目开发,配置为Intel酷睿i5四核CPU,4 GB内存,250 GB硬盘,独立显卡512 MB显存,17英寸液晶显示器。计算机与机架式服务器通过局域网相连,利用计算机可以访问机架式服务器的虚拟仿真实验资源。

3D打印机喷嘴直径0.4 mm,平台温度120℃,成型尺寸300 mm×260 mm×305 mm,层高精度0.05～0.4 mm,打印速度10～150 mm/s,主要用于打印学生采用3ds Max设计的3D模型。

4.2 多人协同虚拟现实系统建设

中心与上海曼恒数字技术股份有限公司合作建设了G-Matrix多人协同虚拟现实系统。该系统包括计算机工作站、大屏3D LED显示系统、G-Motion位置追踪系统和DVS3D开发系统等。大屏3D LED显示系统采用小间距LED屏G-MD V2.5进行无缝拼接而成,屏幕面积为19.89 m2。系统配置了3D头盔、3D眼镜、3D控制手柄等,可通过G-Motion摄像头等协同工作。计算机与G-Matrix多人协同虚拟现实系统通过局域网连接,可以进行多人协同工作。图3为采用G-Matrix多人协同虚拟现实系统进行高硫高砷金精矿的氧化焙烧-氰化浸出虚拟仿真实验教学的场景。

图3 G-Matrix多人协同虚拟现实系统实验场景

5 创新创业教育与学科竞赛

5.1 创新创业平台建设

依托中心成立了矿冶工程化学虚拟仿真工作室,该工作室于2015年被认定为中南大学校级创客空间,成为中南大学大众创业、万众创新示范基地的组成部分。工作室主要进行创新创业团队孵化、虚拟仿真技术培训、创新创业项目指导等工作,每年孵化20余支创新创业团队,组织20余场技术培训,参与培训的学生达1 000余人次。工作室为指导教师和学生建立了联系的桥梁,有力地推动了创新创业教育的发展。

5.2 创新创业项目建设

工作室组织具有一定成熟度的创新创业团队申报校级、省级和国家级大学生创新创业项目,通过项目的支持推动学生深入开展研究。近3年,每年有10余项虚拟仿真项目获得各级大学生创新创业项目立项,其中“矿冶特色化学化工虚拟仿真软件的研发与推广”项目相继获得校级和国家级大学生创新创业项目立项,并在2017年中南大学大学生创新创业年会中荣获“我最喜爱的现场展示项目”。

5.3 学科性竞赛

从2015年开始,中南大学每年举办矿冶工程化学虚拟仿真设计大赛,吸引了来自本校矿物加工工程、冶金工程、化学工程与工艺、信息科学与技术等40多个专业的学生参加,每年参赛学生团队30余支,学生人数200余人,指导教师30余人,最终评出10余支队伍给予奖励。

虚拟仿真实验教学提高了信息化教育技术水平和实验教学水平。2017年,中南大学获得全国大学生化工实验大赛总决赛特等奖,中南赛区选拔赛一等奖、二等奖各1项。2016年和2017年,中南大学在第六届、第七届全国大学生制药工程设计竞赛中连续两次获得一等奖(第1名)。中南大学鼓励学生采用虚拟仿真技术设计虚拟化工厂,鼓励学生参加全国大学生化工设计竞赛和展示自己的设计成果，2010—2017年,中南大学连续8次获得该项竞赛全国一等奖。