冶金高校智能测控虚拟仿真实验平台建设

曾 飞，王 涛

（1. 武汉科技大学，冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北 武汉 430081；2. 武汉科技大学，机械自动化学院，湖北 武汉 430081）

智能制造支撑体系是创新型国家建设的重要保障，也是全面建成小康社会的客观要求。2016 年12月8 日，工业和信息化部、财政部正式颁布《智能制造发展规划（2016—2020 年）》，要求到2025 年基本建成创新、协调、绿色、开放的智能制造支撑体系。同时，再次印发《国家智能制造标准体系建设指南》，要求加快推进智能制造产业健康有序发展。而加快智能制造转型和创新的关键是培养高素质、高质量的智能制造人才。测控技术与仪器专业作为智能制造一门高新技术密集型综合学科，在全国高校相继开设并有效地促进了多学科的交叉融合。近年来，随着国家“一带一路”“中国制造2025”“互联网+”等重大举措的实施，迫切需要加快创新型测控技术与仪器专业人才培养。

我校机械自动化学院坚持以培育高质量“卓越”素质人才为目标，在长期教学经验积累的基础上，针对本校冶金行业特色和智能制造测控需求，于2016年新增测控技术与仪器专业，培养适应我国智能制造建设发展需要、富有创新精神和实践能力的高素质复合型人才。为促进学生创新精神和实践能力的培养，学院克服传统实训平台建设周期长、项目投资大、设备更新困难等现实问题，着力开展智能测控虚拟仿真实验平台建设：准确把握我校智能测控虚拟仿真实验平台建设内涵，凝聚优质师资力量钻研智能测控虚拟仿真实验平台建设思路，提出以虚拟现实并重、理论实践互补建设方案，逐步探索智能测控虚拟仿真实验平台开放模式，着力开发智能测控虚拟实验项目，从而全面提高地方本科院校智能测控虚拟仿真实验平台建设质量，为探索新工科下测控技术与仪器专业人才培养模式奠定良好基础。

1 智能测控虚拟仿真实验平台建设目标

智能测控虚拟仿真实验平台建设旨在本着“虚实结合、相互补充、能实不虚”的建设思路，立足本校冶金专业特色及智能制造测控需求，以测控技术与仪器专业学生“卓越”素质培养为引领，创立优质实验教学资源共享新机制，创建或创新一批具地方冶金行业特色的虚拟仿真优质实验教学资源，为推动地方高校智能测控实验教学信息化建设和实验教学改革与发展提供示范。然而随着高校深化教育教学改革逐步推进，原有传统智能测控虚拟仿真实验室应用于地方高校测控技术与仪器专业人才培养的弊端逐渐暴露出来，主要体现在：行业背景特征弱化，特色优势不明显[1]；重演示、轻实践，缺乏人机交互、自主开发等功能[2]；课程知识散乱而复杂，易形成信息壁垒[3]；教学内容缺乏行业技术延伸性，导致学生专业视野过窄[4]；学生考评机制不完善[5]等。

智能测控虚拟仿真实验平台建设所面临的问题，可以从新工科建设[6]指导思想中找到解决方案，同时考虑到虚拟仿真实验平台是提升学生工程技术水平、引发学生兴趣的最佳途径，因此地方高校需明确测控技术与仪器专业工程技术人才培养目标，主动对接冶金行业测控发展需求及行业创新要求，研发与行业接轨的智能测控虚拟仿真实验平台，创新优质虚拟实验资源的互通共享机制，实现人才培养与社会需求协同发展，为创新型国家建设培养更多高素质、高质量测控技术人才提供坚实保障。智能测控虚拟仿真实验平台建设具体实现如下目标：

（1）准确把握地方高校智能测控虚拟仿真实验平台建设内涵。将此作为新工科建设下实验资源整合、共享的网络介质平台，探索测控技术与仪器专业工程教育新模式，从而继承与创新实验教学信息化现代化、改革人才培养模式，全面推行建立新工科发展范式。

（2）创新智能测控虚拟仿真实验项目，开发冶金行业测控方向优质实验资源。以打破实际实验限制，创新智能测控虚拟仿真实验项目，实现实验者与虚拟环境实时交互，提高学生对复杂科学问题的理解，开创测控技术教学领域新方向，为教师教学提供一个全新实验平台，为学生自主实践与创新研究提供虚拟学习环境，使人才培养模式更加网络化、差异化、科学化。

（3）全面提升智能测控虚拟实验平台开放程度。为更好地满足创新型国家建设对冶金行业智能制造测控人才需求，发挥智能制造虚拟实验平台在推进工程教育改革、加强实践教学建设、落实创新实验项目开发、提高人才培养质量上的引领、示范、辐射作用，形成智能测控虚拟实验平台开发模式。智能测控虚拟实验平台具有虚拟实验教学各功能业务管理模块，教师可通过虚拟实验平台发布实验课程管理、实验教学设计和实验教学安排，学生可在实验前通过平台预习、预约实验时间，在学生实验过程中教师可相应进行互动指导，实验结束后，师生可分别就实验操作过程、实验结果、学生学习态度、教师指导方法等进行相应评价，以实现对实验教学过程的全流程跟踪[7]。

2 智能测控虚拟仿真实验平台建设方案

新工科建设为多样化、创新型工程人才培养指引了方向，而虚拟仿真实验正是调动学生创新意识，训练自主探究能力的有效手段[8]。虚拟仿真实验可突破冶金机械结构复杂、测控原理晦涩难懂、各耦合部分运动特性不可视等弊端，通过虚拟动画等方式拓展实验教学资源[9]。随着智能制造业对高素质、创新型测控人才需求日益增大，如何打破传统教学模式，融入多媒体及网络技术，瞄准虚拟实验平台功能定位，更新实践教学方法，创建符合地方特色的智能测控虚拟仿真实验平台显得日益紧迫。结合地方冶金行业特点以及我校测控专业实际，以更好地培育创新能力强、适应经济社会发展需要的高素质创新型测控人才为目标，从虚拟实验平台系统架构、虚拟仿真实验教学体系、创新型虚拟实验项目选题和“跟进式”实践教学模式几方面出发，进行地方高校智能测控虚拟仿真实验平台建设与探索，促进新工科建设与发展。

2.1 虚拟仿真实验平台系统架构

虚拟仿真实验平台以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托，采用面向服务的软件架构开发，集实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理于一体，具有良好自主性、交互性和可扩展性[10]。从技术角度，本虚拟实验平台基于Eclipse 软件，采用JAVA 语言开发完成，数据库则采用MySQL[11]。实验项目则采用3D 仿真技术，运用Unity 3D、3DMax、Maya、Visual Studio、Photoshop等开发工具实现开发。

依托智能测控虚拟仿真实验平台，虚拟仿真实验项目可通过数据接口与之无缝对接。教师和学生可突破时空限制随时随地通过浏览器访问实验项目，并通过平台提供的面向用户的智能指导和自动批改服务功能，实现用户自主探究实验，加强对理论知识的理解。从安全角度出发，实验操作登录需要通过校园网账号认证才可通过，大部分浏览器端功能需要安装插件才能实现，以便保障平台的安全性能。

2.2 虚拟仿真实验教学体系

结合我院办学优势及测控专业特点，平台教学体系架构依据“工程应用型、综合能力型和科研创新型”人才培养目标进行设计[11]。测控技术与仪器专业的课程涉及光、机、电、控制等多学科交叉[12]，课程群包括“精密仪器设计制造”“工程光测技术”“测控系统设计及应用”和“虚拟仪器开发”。通过系统梳理各课程群中具高成本、高风险、不可视或复杂性实验实训项目，设计智能测控虚拟实验项目分为操作型、认知型、综合型和创新型4 个层次，体系架构见图1。

图1 智能测控虚拟实验教学平台体系架构

（1）操作型实验项目。主要针对课程群中有关测控电路搭建、光学仪器设计、机械系统故障诊断等实验操作内容，通过工业化应用背景设计开发为一系列实验单元，加深学生对工程观点的认识。学生通过在已知流程指导下完成整套实验操作，系统学习测控电路内部结构、仪器组成和检测方法，培养学生的创新能力。

（2）认知型实验项目。让学生熟悉典型传感器应用与典型冶金机械系统故障诊断，了解冶金机械系统特性本质和测控要领，提高实践动手能力，建立良好的工程理念。

（3）综合型实验项目。让学生深入理解复杂机电系统测控方法，通过自主构建新型结构的测控电路，掌握系统特性曲线识读和指标计算，学会根据系统稳、准、快的控制思想优化测控参数。

（4）创新型实验项目。教师针对新工科要求，开发冶金领域下与实际紧密结合的课题，如煤矿带式输送机运行控制、冶金车辆操纵稳定性、无人机测控、炼钢厂热镀锌锅自动捞渣等，通过虚拟展现的设计模块，可提供给素质较高和感兴趣的学生，扩展视野自主研发。学生可通过查阅资料、自行探究、小组研讨、调查研究、论证分析等多种方式确定研究思路和技术方案，并在实践过程中不断优化创新。

2.3 创新型虚拟仿真实验项目选题

创新型虚拟实验项目设计基于“大工程理念”[13]，广开资源、延伸时空、拓展内涵，为提升学生实践创新能力创建了全过程、全方位的大环境，有效培养符合新工科人才规格要求的人才。在创新型虚拟实验项目选题和开发过程中，结合本校冶金特色，交叉新兴学科，围绕信息采集、传输、处理、应用和控制拓宽测控应用领域，遴选一批基于生产实际极具代表性的选题[14]。例如创新型实验项目之一“带式输送机运行控制”之分支实验“柔性输送带动态张力检测与控制”，要求学生结合项目背景，充分利用现有的3D 实体造型软件，建立带式输送机复杂关键机构的虚拟组装及其配合模型。再通过设置调速控制参数及控制性能要求，设计智能控制算法，仿真模拟带式输送机调速控制瞬态柔性输送带动张力变化。针对输送带上物料改变瞬时调速过程中动态特性强复杂性、不可视性和危险性问题，通过实验项目分解，设计系统结构认知与传感器设计、带式输送机变频调速控制等4 个功能模块，加深学生对带式输送机变频调速控制下柔性输送带动态张力检测原理及张力控制方法的理解。“柔性输送带动态张力检测与控制”功能模块与知识点对应关系见表1。基于组态王开发的带式输送机变频调速控制系统如图2 所示，基于Matlab 开发的带式输送机输送带动态张力可视化系统如图3 所示。通过创新型项目学习，学生依次确定张力检测方案及控制性能指标、选择执行机构和控制芯片，并最终完成系统仿真与调试。通过带式输送机调速控制仿真运动，学生能了解带式输送机组成、工作原理等概念，掌握运行参数检测与控制方法，弄清带式输送机各运行参数对输送带动态特性的影响机理。

2.4 “跟进式”实践教学模式

“跟进式”教育实质是以学生为本与时俱进创新教学内容和方法[15]。虚拟仿真实验教学的灵活、安全、共享、交互等优势，有利于“跟进式”教育贯彻和渗透。围绕测控专业创新型人才培养目标，在实践教学过程中，灌输数字化、模块化、绿色化实验教学理念，引导学生通过微课、慕课等在线课程预习实验内容，结合智能测控虚拟仿真实验平台，实现操作型、认知型、综合型和创新型4 层次实践训练，加深对测控技术与仪器理论和专业知识的理解。

智能测控虚拟仿真实验平台融合了正在应用的在线课程（SPOC）——“机械工程测试技术基础”，并作为一个功能模块在平台上运行。课程包括课程导读、课程大纲、课程慕课视频、PPT、试题库、在线答疑、扩展阅读、虚拟仿真实验等功能模块，通过文字说明、视频讲解、图片资料、动画、虚拟仿真实验等多种形式相结合进行展示，具有强大自主学习功能。教师在讲授该课程时，可有效利用“跟进式”教育理念，采用翻转课堂形式，引导学生充分利用智能测控虚拟仿真实验平台吸取养分，使教师教学和学生学习更加便利有效。为讲清冶金机械物理量测试原理及电路设计方法，例如在讲解如何采用金属电阻应变片测量钢轧机结构应力应变，测试电桥参数如何设计等知识点时，以虚拟动画形式制作了测试电桥工作原理、钢轧机结构应力应变采集电路设计、测量信号特征及传输流向等认知型实验，并开发了钢轧机结构应力应变信号采集、信号处理和测试等操作型实验。学生进入“机械工程测试技术基础”在线课程模块，通过点击该网页，突破时空限制在线学习相关知识，自主把握学习进度，自由度和灵活性得到充分发挥。在实际理论课堂上，教师抛出复杂工程问题，如复杂工作环境（如高温、高湿）、测点位置、传感器类型等多重因素对测试电路设计的影响，如何考虑信号来源、信号特征、信号分析方法、分析目的等多重因素选择测量信号分析方法等引导学生展开小组讨论，鼓励学生课下完成综合型和创新型虚拟实验项目并获取创新学分。教师则通过学生获取创新学分情况，吸纳优秀且具创新精神和实践能力的学生进入创新工场或自己课题组队伍，进一步展开实际研究，强化对学生复杂工程能力的培养。

表1 “柔性输送带动态张力检测与控制”功能模块与知识点对应关系

图2 带式输送机变频调速控制系统

图3 带式输送机输送带动态张力可视化系统

3 虚拟仿真实验平台的特色及应用效果

地方高校智能测控虚拟仿真实验平台通过响应教育部共建、共享虚拟仿真资源的号召，通过创新型虚拟实验项目建设，深化了新工科下多学科交叉融合，创新了测控技术与仪器专业人才培养模式，为智能制造转型和创新培养更多高素质高质量工程人才。该虚拟仿真实验平台建设注重打破传统实物实验的局限性，融入最新技术发展和趋势，通过系统直观的虚拟实验项目，培养学生分析和解决复杂工程问题能力，提升地方高校测控专业高素质工程人才培养质量。另外，学院建立和完善了虚拟仿真实验平台门户网站，发布虚拟实验信息及动态、虚拟实验教学安排及虚拟实验内容介绍等信息。制定和完善了虚拟实验项目激励措施，鼓励高素质拔尖人才对虚拟实验项目进行深挖和创新。通过“教改基金”“绩效奖励”形式激励高水平教师参与虚拟实验平台建设，有效提升虚拟实验项目教学资源库质量；积极组织青年教师进行教学研讨，创新虚拟实验项目教学模式，完善对学生实验考评机制；通过创新型虚拟实验项目训练，进一步遴选高质量、高素质测控卓越人才参与创新计划项目或科技竞赛，加强对学生工程实践能力的培养。

随着我校机械自动化学院智能测控虚拟仿真实验平台的建设与应用，提升了虚拟实验项目开发的质量，为培养满足国家智能制造发展所需测控人才提供了强有力的技术保障。在虚拟仿真实验平台建设短短两年间，开发了创新型虚拟仿真实验项目15 项，其中液压元件与系统虚拟仿真实验获批2018 年度国家虚拟仿真实验教学项目（见图4），2019 年成功申报国家级虚拟仿真实验室1 个。课堂实现了“启发式+虚拟仿真实验+研讨探究+翻转课堂”教学模式后，学生访问量突破3 万人次，辐射面涉及全校测控相关专业，其教学成果荣获2018 年湖北省教学成果一等奖1 项。同时，强化了教师队伍建设（教师承担产学研项目10 项，国家重点研发仪器项目1 项，国家自然科学基金项目8项），提高了测控专业学生人才培养质量。通过创新型虚拟实验项目探究，我院学生获国家级、省级大学生创新创业训练计划项目14 项，在全国“挑战杯”大赛、机械设计创新大赛、中国工程机器人大赛等竞赛中成绩突出，发表论文30 多篇，其中大部分发表于Sensors、Photonic Sensors、Int J Adv Manuf Technol 等SCI 期刊，实现了地方高水平大学测量专业人才培养质量跨越式发展。

图4 液压元件与系统虚拟仿真实验

4 结语

我校机械自动化学院以地方高校智能测控虚拟仿真实验平台建设为契机，促进新工科发展下学科交叉与融合，加深“跟进式”教育理念在人才培养中的渗透，在提升创新人才培养质量方面取得较好的效果。该虚拟仿真实验平台在建设目标、建设方案和及实践模式方面均有借鉴意义，是高素质创新型测控人才培养科学化、规范化、高效性的有益探索和尝试，也为其他高校测控专业虚拟仿真实验平台建设提供示范。