矿物加工虚拟仿真教学平台在实践教学中的应用

吴蓬 邱俊 朱向楠

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.21.044

摘  要 随着计算机虚拟仿真技术的发展，将现实工厂按1∶1建立3D模型后搬进实验室，使学生随时随地进行身临其境般的沉浸式学习，打破现场实践受时间和空间限制的问题，将有助于改善实践教学效果，提高学生的学习兴趣，提升学生对专业知识的掌握能力和解决分析问题的能力。

关键词 矿物加工;虚拟仿真;实践教学;仿真教学平台

中图分类号：G434    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）21-0044-02

1 仿真教学平台建设背景

实践教学是应用创新型人才培养的重要环节，是理论与实践相结合的纽带，在大学人才培养过程中具有重要意义[1]。矿物加工工程专业学生在实习过程中，由于生产现场设备尺寸大、噪音大、安全隐患大、内部结构无法查看等原因，在现场的学习只能走马观花，远距离观看设备局部，对设备的内部结构、工作原理、设备配置等无法全面认识，现场实践教学效果较差。虚拟仿真技术可有效解决这些难题。同时，教育部也颁布了相关文件，积极推进现代信息技术与实践教学项目的深度融合，拓展实验内容的广度和深度，增强实践教学效果，并将国家级实验教学示范中心建设纳入“十三五”规划[2-4]。

山东科技大学为提高矿物加工工程专业学生的实践教学质量，提高实习效率，丰富實践教学手段，以中钢集团山东矿业公司实习基地工厂原型的整体设计，根据本专业实习教学大纲要求，利用现代仿真软件开发平台开发工厂级的矿物加工工程专业学生实践教学仿真软件，通过三维仿真及虚拟现实技术最大限度地模拟铁矿资源回收各个工艺过程和具体作业的真实现场[5]，能够让学生可视化参与熟悉工厂资源生产工艺及设备的识别与操作，学习设备的工作方式及工作原理，并且学习方式不受时间与空间限制，有助于提高学生对专业知识的理解深度[6-7]。

2 仿真教学平台的使用方法

在使用本仿真系统学习前，要求学生较系统地完成矿石学、工艺矿物学、破碎磨矿、重选、磁电选矿、浮选、矿石可选性研究、固液分离、安全生产概论等专业课程的学习，已经掌握本专业的基本理论，在专业能力方面要求学生对矿石性质、分选原理以及各种设备的结构、工作原理及应用都有较深的理解。

利用该实践教学仿真系统，学生可以通过网络平台随时随地进行自主学习。通过虚拟的三维仿真工厂模型[8]，学生身临其境般对整个铁矿资源回收工厂的生产工艺流程、工厂主要设备的结构、工作原理以及工厂的整体布置等实践教学内容进行学习，学习方式不受时间与空间限制;并且可以随时留下学习中发现的问题，由专门的线上教师负责答疑。教师可利用系统中仿真考核模块进行线上的仿真考试，掌握学生的学习动态和学习效果，由此可督促学生学习，提高学生学习的积极性[9]。根据具体实践教学要求，利用该系统可选择三种不同的教学模式。

教学演示模式  教师演示仿真系统操作过程及注意事项，并对学习内容以流程图的方式演示铁矿资源回收工厂的整体布置、工艺流程及主要设备等相关学习内容;学生在此过程中主要是听和看，该模式的好处在于学生能够快速掌握系统的操作使用方法和建立对系统功能的总体印象。

单人任务模式  学生以第一视角进入系统（见图1），可以实现铁矿资源生产工厂的全景漫游，认识工厂各类主要设备，跟踪全流程生产作业等，通过NPC任务模式（见图2）学习工厂的安全操作规程、工艺流程、主要设备简介等知识点;进入车间后，能够对设备进行360°观察学习，并能够启动停止设备，对设备进行拆解安装，同时对常见的故障进行分析判断。

多人协同模式  多个学生扮演不同的岗位角色分别进行操作，通过联网协同进行协同操作，训练学生的团队协作能力。在仿真实践学习过程中，NPC任务模式限制要求学生必须按照步骤操作，每一步都关联在一起，学生回答完成相关的专业问题后才可以进入下一步的学习。具体学习步骤主要包括工厂概况、工厂生产安全规程、工厂分车间安全操作规程、工厂原料性质、破碎车间工艺流程、破碎车间设备结构和工作原理、磨矿分选车间工艺流程、磨矿分选设备结构和工作原理、精矿脱水工艺流程、尾矿处理工艺流程、产品指标及用途[10]。

3 实践教学结果评价

该工厂生产仿真系统启动时，用户可根据教学计划类型自由选择教学方式，系统启动后可自由切换学习项目，具体可根据具体实习的要求及实习内容不同，由指导教师利用该仿真系统对所有学习内容进行面对面的集中教学指导，让学生掌握该仿真系统的使用方法、学习内容以及具体要求等。学生也可以选择独立的线下学习，学习该仿真系统所列的相关实习内容。同时，学生可以利用该系统在线进行自主学习，与教师站管理端采用TCP/IP方式连接，进行线上分散学习，学习的方式及学习内容灵活多变。

利用该仿真系统可以对学生的学习效果进行集中考核，考核内容包括原料性质、安全生产规程、工艺流程的操作和描述、主要设备的结构及工作原理、产品指标及用途、工厂及生产车间的设计原则。

学生最终考试成绩包括平时和现场考试两个成绩，所占比例分别为60%和40%。考试方式采用现场集中考试，指导教师实时监控考试状况并统计记录考试成绩;平时成绩取本系统管理统计的不同学生的每次培训成绩的平均值，以上两个成绩综合评定确定为学生最后的考核成绩。

4 结语

矿物加工虚拟仿真教学系统可有效解决现场实践过程中存在的诸多问题，打破实践教学受时间和空间限制的问题，将一些先进的计算机仿真技术应用于实践教学，使得现场一些无法展现的内容具体形象化，有助于提高学生学习的兴趣，改善实践教学的效果。

参考文献

[1]张正健，赵秀萍，陈蕴智，等.构建虚拟仿真实验教学平台培养创新应用型人才[J].印刷杂志，2014（3）：59-61.

[2]张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013（12）：101-104.

[3]陈国辉，刘有才，刘士军，等.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设[J].实验室研究与探索，2015（8）：179-182.

[4]周世杰，吉家成，王华.虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].计算机教育，2015（9）：5-11.

[5]罗晓东，尹立孟，王青峡，等.基于虚拟仿真技术的实验教学平台设计[J].实验室研究与探索，2016（4）：104-107.

[6]李春艳，易烨.虚拟仿真实验室的建设与实验教学的改革[J].中国管理信息化，2014（24）：114-115.

[7]刘为浒，郝佩佩，黄骥.虚拟仿真技术在本科教学中的应用研究[J].中国农业教育，2016（3）：91-96.

[8]罗晓东，尹立孟，王青峡，等.基于虚拟仿真技术的实验教学平台设计[J].实验室研究与探索，2016（4）：104-107.

[9]刘振东，李晓东，马建民，等.虚拟仿真技术在工程训练中的应用[J].实验室研究与探索，2017（3）160-163.

[10]李益.基于Unity3d的磨矿车间虚拟仿真系统[D].辽宁：大连理工大学，2014.