虚拟现实技术融入非冶金专业冶金概论课程教学的探索

吴朝阳，江 志，眭梦静，雷 鹰，李 雨

(安徽工业大学 冶金工程学院，安徽 马鞍山 243002)

通才教育是以培养自主学习知识和技能的人才为目的，以培养有机交织的多种能力的复合型人才为目标的一种高等教育模式[1]。冶金科学作为一门知识覆盖面广、多学科交叉的传统应用型学科，不能仅局限于专业冶金教育，而应从学生未来职业发展契合社会发展的角度向通才教育转化[2]。针对上述情况，依据安徽工业大学学科特色和学科体系的建设规律，依托冶金工程一级学科，学校在材料成型及控制、矿物加工工程和冶金资源等专业均开设了冶金概论专业选修课，旨在培养未来处在冶金及其相关行业的非冶金专业学生完整、全面、综合的冶金科学思维模式。我们在冶金概论课程教学实践中意识到只有充分调动学生的积极性和求知欲，才能在有限的教学课时使得学生掌握冶金科学的基本流程、理论和设备。近年来，利用虚拟现实技术对教学工作进行辅助已经成为高等教育改革的发展趋势。本文探讨将虚拟现实技术融入冶金概论的教学过程，充分发挥高新技术的优势，以更好地实现冶金通才教育培养复合型人才的目标。

一、冶金概论课程的教学现状

(一)冶金概论课程性质

安徽工业大学是以钢铁冶金为特色的理工科高校，办学模式趋向于综合性大学学科体系，但每年会有大量的钢铁和有色企业来我校招聘，近六成的毕业生包括四成以上的非传统冶金专业的毕业生进入到相关的冶金行业。所以我校开展冶金概论课程的相关教学，对我校培养开放式人才和促进学生能力发展有着重要意义：首先，认知钢铁冶金和有色冶金企业生产流程及行业发展形势，有利于提升学生综合素养及竞争力。其次，让学生了解所学专业与冶金行业之间的潜在联系，培养作为一名未来冶金行业相关从业人员应具备的科学思维模式。基于此，本校面向非冶金专业设置了24到32课时不等的冶金概论专业选修课程。从大的方面说，冶金概论课程的授课过程包括钢铁冶金和有色冶金两条主线[3]。在钢铁冶金方面，介绍采/选矿、烧结、高炉炼铁、铁水预处理、转炉/电炉炼钢、炉外精炼和连铸等冶炼工艺的相关专业知识；在有色冶金方面，主要介绍铝、镁、铜、锌和钛五种合金的冶炼提取流程的基本专业知识。

(二)冶金概论课程教学的局限性

从冶金概论的课程性质中可以发现，该课程涉及的内容杂且知识点多。教学实践中主要存在以下几点问题：(1)学生自身对该课程缺乏重视，在选课过程中是以满足选修课学分要求为目的，存在盲目性和功利性，这也导致了授课过程中学生积极性较差；(2)非冶金专业的学生首先并未学习过前期基础课程，教学方式和教学节奏难以把握，增加了教学难度；(3)目前冶金概论课程的授课方式方法趋于单一化，学生所用教材又大多以介绍原料、工艺流程、涉及物化反应为主，学生难以理解和接受知识要点；(4)课程最后的考核方式以开卷考试的形式进行，题目过于简单且灵活性和变通性较差。

二、虚拟现实技术对冶金概论教学的意义

(一)虚拟现实技术简介

虚拟现实技术是以计算机技术为核心，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面近似的数字化环境，具有多感知性、存在感、交互性和自主性的特征[4]。因该技术展现的信息实时反馈性、多维性、互动性等优势，以及可以突破时间和空间的限制、方便快捷地提供更丰富、更高层次的服务等特点，被公认为是打造教育改革新模式的最有效途径之一[5]。近年来，国内众多高校开始建立与专业相关的虚拟现实实验室用于相关专业的教学和科研。其中，北京航空航天大学建立了虚拟现实/增强现实技术及应用国家工程实验室，安徽工业大学冶金工程学院建立了冶金虚拟仿真实验教学中心。

(二)虚拟现实技术对冶金概论教学的意义

随着数字时代的到来，传统的冶金工程专业正发生着深刻变革，虚拟现实技术已经被运用到冶金企业设计和冶金冶炼的全过程。冶金概论是知识复合、抽象性强的课程。对抽象的概念、设备和工艺流程的具象化能力有突出的要求，学习本课程不仅要求学生掌握理论知识，更重要的是了解所学专业与冶金行业之间的潜在联系，锻炼出作为一名未来冶金行业相关从业人员应具备的科学思维模式。将虚拟现实技术应用于冶金概论课程教学，模拟钢铁冶金和有色冶金的工艺流程，是结合课程特点并将课程与实践相结合的必然途径。

应用虚拟现实技术辅助冶金概论教学最重要的意义之一是提高了认知冶金设备过程的安全性和降低认知成本，通过虚拟现实技术，将冶金概论涉及到的各个冶炼过程和冶炼设备系统地展现出来，让学生能够更直观、更立体、更清晰地了解每一个环节。除此之外，利用虚拟现实技术辅助冶金概论教学可以突破时间和空间的限制，让学生将理论课程上所学的知识在模拟实际操作过程中进行应用，学生通过所戴的头盔感受到操作过程中的声音动画，利用其它教学方法难以实现的沉浸感、交互性和构想性提升学习积极性、开拓学习思路和对知识点掌握程度。如以钢铁冶金中高炉炼铁一章为例，在虚拟现实实验室中先构建与炼铁车间(厂区、设备和流程等)相关数字化环境，并通过软件和传感器感受人的动作、手势、眼睛等人体行为，使环境根据人体的各种行为发生变化，学生直接用手柄模拟在中控室控制转炉的加料、吹氧等行为。不难看出，虚拟现实技术结合冶金概论课程教学是数字时代现代化教学的一个必然发展方向。

(三)虚拟现实技术辅助冶金概论教学示例

案例式教学起源于“哈佛大学”的情景案例教学课，可以通过具体的情境，促进隐性知识与显性知识的不断转化[6]。我们从丰富冶金概论课程的内容和形式出发，在理论课结束后借助虚拟现实技术开展案例式教学，通过虚拟的视角转化和设置不同参数，直观、真实地向学生展现黑色金属或有色金属在冶炼、提取过程中所涉及的具体冶炼场地、设备、反应和形态变化等。下面将以钢铁冶金中转炉炼钢过程为例，介绍如何利用虚拟现实技术辅助冶金概论教学工作。

转炉炼钢是冶金概论课程中很重要的一个章节，会先通过两个课时向非冶金专业学生介绍转炉炼钢的原料、转炉设备、过程中的物理化学反应及热量变化和转炉炼钢的产品。然后会利用一个课时的实际利用虚拟现实技术构建转炉炼钢车间，带领学生认知车间设备的构造和布置，并在给出的钢种中进行选择，模拟转炉炼钢过程。虚拟仿真辅助教学是在安徽工业大学冶金工程学院建立的虚拟仿真实验教学中心中进行。

辅助教学过程的第一步是确定需要仿真的转炉炼钢车间类型，接着系统会根据选择自动绘制出厂房和设备矢量平面图，并完成二维平面图上3D建模的工作；建模完成后，导入虚拟现实软件，对模型的各个要素进行设计，最后可以生成可执行文件、动画、效果图等[7]。

第二步，以动画漫游的方式让学生了解设备构造和设备布置，熟悉炼钢车间的空间和布置。

第三步，以文字提问的形式与学生进行互动式问答，让学生了解在转炉炼钢过程中所涉及到的相关设备以及该设备承担的主要功能，并由系统反馈选项正误。

第四步，以文字和图片的形式对不同炼钢原料的特性进行介绍，以加强学生对转炉炼钢原料的识别。

第五步，根据学生选定的钢种模拟转炉炼钢的过程，并根据冶炼过程的温度、成本和时间等综合因素对炼钢过程进行评价。

最后，以课后作业的形式让学生对本次虚拟现实辅助教学工作进行总结，巩固学生在学习过程中学习的知识。

上述教学过程的目的是通过虚拟转炉炼钢过程配置实验室，让学生了解炼钢原料的形态特点，掌握转炉的设备构造和设备运行过程，认识不同原料品种选择和添加顺序下对冶炼过程、冶炼产品和冶炼设备的影响。同时让学生自主选择生产产品和不同性能的冶炼设备，熟悉冶金产品和冶金设备。

三、讨论与建议

在传统冶金为特色的教学研究型综合性高校中，向非传统冶金专业学生开设冶金概论课程对对我校培养开放式人才和促进学生能力发展都有着重要意义。但该课程覆盖知识点广、涉及的冶金设备结构和功能复杂，而非冶金专业学生基础薄弱，在偏重理论且方式单一的教学模式下，教学效果并不理想。在教学中，通过充分利用虚拟现实技术的特点和技术优势，打破冶金概论课程教学中的局限性，以本课程的教学内容和目标为主导，引导学生尽可能充分发挥虚拟现实平台的作用，将抽象的冶金工艺流程和设备具象化，有助于缩短理论与实际的距离，调动学生积极性，是深化教学改革和提高教学质量的有效途径。