国家级钢铁制造虚拟仿真实验教学中心在应用型冶金工程“一流专业”实践教学的应用

袁晓丽 黄青云 安 娟 尹建国 周雪娇 夏文堂 向小艳 杨文强

（重庆科技学院冶金与材料工程学院 重庆 401331）

重庆科技学院是一所应用型的全日制本科院校，学校的冶金工程专业是国家级一流专业建设点、国家级特色专业、国家卓越工程师教育培养计划试点专业、国家级工程实践教育中心建设点、重庆市一流专业和市级本科高校“三特行动计划”特色专业，也是工程教育认证专业。冶金工程专业确定了“依托行业，突出应用，错位发展，追求卓越”的发展理念，坚持“定向在行业、定性在应用、定点在实践”的专业定位，培养引领冶金行业、适应重庆区域经济发展需要的高水平应用型人才。为此，对冶金工程一流专业的实践教学提出了更高的要求。冶金工程专业的实践教学主要包括实验、实习、实训、科技竞赛和毕业设计（论文）等，其主要特点是实践性强。传统实践教学普遍存在高温环境操作危险多、设备贵重动手机会少、资源能源运行成本高、污染严重环保压力大、工艺复杂、生产流程长等特点，导致学生的实践动手能力不强、创新意识不够和创新能力不足，已经成为制约应用型冶金工程本科人才培养质量的瓶颈。因此，在冶金工程专业实践教学中应用国家级钢铁制造虚拟仿真实验教学中心的平台资源，采用虚拟仿真技术，可对学生进行全面、系统的工程实践训练，实现了教学资源的零消耗、实验过程的零污染、实验容量的无限化，丰富了实验教学内容，消除了实验的危险性，增加了学生动手操作的机会，融“教、学、做”为一体，为提高应用型本科冶金工程一流专业人才培养的质量提供了可靠保障。

2014年获首批教育部100个国家级钢铁制造虚拟仿真实验教学中心，2015年获批冶金工程国家级实验教学示范中心。经过5-6年的建设，两个国家级实验教学和示范中心为冶金工程一流专业实践教学提供了丰富的虚拟仿真技术资源，对冶金工程一流专业实践教学质量的提高凸显了极其重要的作用。

1 虚拟仿真实验教学中心在冶金工程一流专业实践教学中应用

1.1 国家级钢铁制造虚拟仿真实验教学中心在冶金工程专业实习、实训中的应用

冶金工程专业属于实践性非常强的一门学科，工作环境属于高温高压、并且实习过程中不能介入设备内部，即使到现场也很难全面的理解和掌握冶金工程流程以及设备，冶金工程的实习、实训教学成为各大冶金高校急需解决的难题，为此，国家虚拟仿真教学中心的建成有效的克服以上难题，针对学生所处的不同学习阶段，开发了基于不同层次和级别的实习和实训系统。在认识实习阶段，以采用现场视频为主，在冶金工艺的流程和设备教学上主要给予学生感性认识。以高炉炼铁生产的认识实习为例，首先对高炉炼铁的工艺流程和高炉设备有一个总的概述，然后依次按照高炉本体系统、槽下系统、转料系统、送风系统、炉前系统、喷煤系统、水渣系统以及除尘系统分别进行介绍，将设备组成、功能参数以及工作原理以表格、图片、现场视频以及动画的形式让学生学习。现场视频的学习让学生身临其境现场实习的感觉。图片和动画的展示将无法看到的高危和内部的结构以及工作原理表现的更直观更生动，可以有效补充，进一步加深学生的理解，提高认识实习效果。

对于生产实习和实训阶段，学生对现场的工艺流程和设备的掌握已经提升到一个新的高度。然而，一般冶金企业考虑到安全和保密性，是不允许学生进行操作的，生产实习对于学生而言也只能是一个“旁观者”，为了解决这个问题，国家虚拟仿真实验教学中心开发了全流程的虚拟生产操作系统，主要有钢铁生产虚拟仿真实践教学系统和有色金属生产虚拟仿真实践教学系统。

以烧结生产虚拟仿真操作系统为例，首先学生选定系统设定的烧结矿化学成分、产量和成本等目标要求，学生根据目标系统的进行烧结工序操作，完成从烧结配料、配料操作、混料操作、烧结操作、破冷操作、成品矿处理到筛分完整的操作流程，大大解决了学生无法动手操作的难题，有效的提高了学生的动手能力。在这个过程中，通过人机交互，学生对冶炼生产操作的烧结数据进行监控，监测烧结趋势曲线。系统会根据学生对生产仿真操作的规范性以及完成的目标情况，给予评分，对于不合理的操作和参数，系统给予反馈，学生根据反馈的结果，及时调整和改进操作过程出现的问题，可以反复多次操作，直到解决操作过程出现的所有问题以及达到设定的生产目标要求。因此，学生通过生产虚拟仿真操作可以得到全面的操作训练，实现了零消耗、零危险和无限次操作的过程，不仅全面掌握实践操作要领，而且切实提高了解决复杂工程问题的能力。

此外，本专业通过开设特色鲜明的《冶金工艺实训》课程，依托国家级拟仿真实验教学中心，学生通过计算机和网络资源，熟悉冶金企业计算机控制系统和操作界面，掌握冶金过程基本原理和流程，完成各项冶金仿真操作等，最后通过网上实时考核了解学生对于理论知识的掌握情况，有效提高了学生解决复杂工程问题的能力。

1.2 虚拟仿真实验教学中心在冶金工程专业实验中的应用

为突破冶金过程中高温、高危、高成本等限制，解决传统教学无法开展的高温实验及生产极端工况操作等实验难题，本着校企共建、共同参与、共同研发的原则，开发了50余项虚拟仿真实验项目。全部教学资源均通过校园网连接到互联网，借助Mobile、WEB等信息技术手段，打破了传统实验教学模式，教学环节实施突破了实验室界限，随时随地随需开展网络教学。除了专业学生的少数实践环节外，学校开设的行业背景课程直接在普通教室内就可进入虚拟实验室，选择需要的实验教学资源开展教学。

冶金工程实验以前受实验场地和实验设备的限制，学生实际动手的人次有限，通常采用部分动手、部分观摩的形式进行，而虚拟仿真实验使得每个学生都有了实际动手的机会。在虚拟仿真实验室虚实结合的实验教学环境下进行实验，可以保证所有学生同时进行操作，大大增加了学生实际动手的机会，学生的工程实践能力得到了显著增强。同时，在虚拟仿真实验教学中，自由的学习时间、学习空间及多样化的学习方式可明显提高学生的自主学习能力。高仿真的实验教学资源使得学生在毕业后能很快适应生产现场，快速进入岗位角色。

1.3 虚拟仿真实验教学中心在毕业设计论文、科技竞赛中的应用

国家级钢铁制造虚拟仿真实验教学中心通过高炉炼铁、转炉炼钢和热连轧模块为学生的科技竞赛和毕业设计论文提供很好的实践平台。该中心的操作平台具备全国模拟炼钢、科技竞赛等资源，并且对接世界网络炼钢资源，为学生参加国际网络炼钢大赛、全国模拟炼钢—轧钢大赛以及全国冶金科技竞赛提供直接训练和比赛平台，2017年在该平台曾举办重科杯全国模拟炼钢—轧钢大赛。此外，学生借助该中心平台可以完成毕业论文，近年来，该平台完成的基于转炉虚拟炼钢及优化、电炉虚拟炼钢及优化以及二次精炼的模拟及优化等毕业论文内容，克服高温条件下无法亲自进行的转炉炼钢、电炉炼钢和二次精炼实验操作，实现零成本完成毕业论文和科技竞赛。

2 虚拟仿真实验教学中心的应用效果

国家级钢铁制造虚拟仿真实验教学中心秉承“以学生为本，注重学生知识、能力和素质的协调发展，突出工程实践能力，强化责任意识和创新思维培养”的实验教学理念，营造了仪器设备先进、资源共享、开放服务、高效运行、安全环保的实验教学环境，为学生的自主学习、研究性学习个性发展创造了条件，对全面提高学生的实践能力和创新能力成效显著。国家级钢铁制造虚拟仿真实验教学中心自建成以来，冶金工程学生完成各类实验、实习和实训等课程，年服务冶金工程学生800人次，每年完成人时数1.5万，共培养本科生900余名。我校冶金工程专业学生参加全国冶金科技竞赛荣获“转炉炼钢”一等奖1项；荣获“火法炼铜”一等奖2项和二等奖1项。参加全国模拟炼钢—轧钢大赛，分别荣获了高校组炼钢一等奖4项，荣获高校组团体一等奖1项。在2015年和2020年，分别两次获得世界模拟炼钢挑战赛总冠军，并且连续六年蝉联中国赛区冠军，一直保持我国大学生参加该赛事的最佳成绩。重庆日报、人民网、华龙网等媒体国家级拟仿真实验教学中心取得的成绩争先报道。近5年，先后获得了重庆市教学成果奖一等奖2项、二等奖1项。获批“复杂金属矿产资源增值循环与清洁提取”重庆市高校重点实验室。2017年10月，冶金工程专业通过了工程教育认证。2018年3月，以冶金工程专业为依托的项目“冶金类专业工程实践教育体系与实践平台构建的研究与实践”成功入选教育部首批“新工科”研究与实践项目。2018年、2020年冶金工程专业分别获批为重庆市和国家“一流专业”建设点。

3 结论

国家级钢铁制造虚拟仿真实验教学中心构建了“大冶金、全流程”的高水平教学科研平台，建立了与冶金工程专业实习、实验、综合实训和毕业设计等相适用的教学系统，解决了冶金工程实践教学时间、空间、资金等遇到的难题，建立了冶金工程实践教学的新模式、新方法。通过将国家级钢铁制造虚拟仿真实验教学中心资源应用于冶金工程专业学生的实习、实训和毕业设计等实践环节，激发了学生的学习兴趣，增强了学生学习积极性和主动性，提高了学生解决工程复杂问题的能力，有效的提高了冶金工程一流专业本科生的培养质量。不仅有利于冶金卓越工程师的培养，而且极大地满足了产业转型升级和社会经济发展对高水平应用型人才培养的需求。