稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验在教学中的应用*

黄金堤，李 静，李明周，刘付朋

(江西理工大学材料冶金化学学部，江西 赣州 341000)

稀土铁合金是稀土金属冶炼的主要产品之一，主要采用高温熔盐电解法制备。稀土金属冶炼属高温高强度作业，长期面临着岗位人工稀缺，高水平现场工艺技术人员培养困难等问题。对于稀土铁合金冶炼过程(1100 ℃高温环境)，其存在工艺流程长、实验操作难度大、风险高等问题。在教学过程中，现有实验操作均为小型高温熔盐实验，安全性较低，存在高温烫伤、有害气体吸入等风险，且与真实生产过程存在较大差异，因此实践操作环节较为薄弱，限制了学生动手能力的培养，导致学生实践能力不足，难以满足企业对高素质技术人才需求[1]。

虚拟仿真技术作为我国信息化战略在教育领域的重要实践内容，目前已被应用于各大高校的不同专业的课程教学中，可对传统教学中难以实现的教学内容进行有效补充[2-4]。为此，本文依托《计算机在冶金中应用》课程，基于物料守恒、能量守恒、电化学守恒原理及传热学理论，通过计算机虚拟仿真技术手段及程序设计语言构建稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验平台，该平台可使学生系统的学习稀土铁合金制备知识，快速了解稀土铁合金生产流程；同时本虚拟仿真实验平台能够根据给定的电流、电压及投料量等工艺参数通过机理模型实时变更电解温度、电解效率及金属产量等信息，可开展稀土铁合金冶炼虚拟实训，不仅便于学生掌握稀土铁合金冶炼的实践操作技能，而且未来可进一步拓展应用于冶炼工人的岗前培训，满足新工科背景下对冶金领域新型复合人才培养的需求。

1 稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验平台建设背景

“新工科”背景下，实践教学作为提升学生创新能力的重要手段，一直是新工科人才培养的薄弱环节[5]。长期以来，冶金领域属于以技艺为主的行业，对于本行业人才的知识储备的夯实程度、知识体系的全面性、实践操作及创新能力均具有较高的要求。尤其是目前“工业4.0、中国制造2025”时代背景下，智能化成为冶金行业可持续发展的重要指标，迫切需要大量具有较高综合能力和创新能力的新型复合人才。实现冶金工艺智能化控制，需要具有冶金原理、冶金工艺学、大数据与人工智能实践及计算机程序开发技术等多学科背景的专业人员进行定制开发[6-7]。然而，目前稀土冶金工业领域智能制造从业人员供需严重不足。为此，国内各大高校在本科阶段开展了不同模式的复合型人才培养，如江西理工大学2009年开办了软件工程(冶金工程方向)、上海大学2020年开办了“冶金工程-信息管理与信息系统”双学士学位项目。这些项目旨在满足国家战略与经济社会发展对冶金领域复合型人才的迫切需求。

此外，2020年突如其来的新冠肺炎席卷全球各地，各大高校往年固有的实习安排受到限制，云端实习新模式(云实习)应运而生。各大高校响应教育部充分发挥“互联网+教育”的作用的要求，启动各类课程的虚拟仿真实验平台教学项目，保证学生的各类教学实践类和实验类课程在疫情期间“不停学”[8-9]。

基于上述背景，本文将VR信息技术与稀土冶炼过程深度融合构建了稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验平台，积极开展智慧教育模式的探索与实践，切实推动教学理念与模式、教学内容和方法等的变革创新，充分发挥教育信息化在高等教育现代化中的支撑引领作用。

2 稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验平台构建

以学生需求为中心，与企业深度融合，融合数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术等技术手段，依托江西理工大学先进的网络与硬件基础设施，运用三维建模软件和Unity 3D游戏引擎、C#程序设计语言设计开发稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验平台。主要内容场景以稀土熔盐电解车间为核心，以blender、CAD等三维软件完成系统内图像拼合、像素贴图与视频贴图等资源整合，借助Unity 3D游戏引擎中实现人机交互，优化后输出实现稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验平台。

图1和图2分别给出了稀土铁合金虚拟仿真平台的登录界面及工作界面。稀土铁合金虚拟仿真实验平台包括三大模块：稀土铁合金冶炼理论知识库模块、稀土铁合金熔盐电解虚拟仿真操作模块、稀土铁合金生产质量管理评价模块。其中稀土铁合金冶炼理论知识库模块包括稀土合金相关理论、熔盐电解法制取稀土金属相关理论知识；稀土铁合金冶炼虚拟仿真操作模块包括熔盐电解过程仿真实验和合金质量检测仿真实验，让学生掌握稀土铁合金的生产全过程，实现从理论走向实践的过渡；几个环节环环相扣，层层递进，从而使学生全面了解并掌握稀土金属合金制备过程。

3 稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验平台的教学实践

3.1 教学目的

根据新工科教育的发展需求和冶金工程特色专业建设的要求，结合江西理工大学在稀土、钨等领域的学科优势，优化《计算机在冶金中应用》课程实践教学体系，完善实践教学内容。以冶金行业不断发展对技术人才在实践操作的需求作为课程教学内容设置依据，取代原有走马观花的实践教学环节设置，按冶金职业技能需求来优化和丰富实践环节内容，在进一步强化钨、稀土等优势领域教学内容的基础上，拓展稀土铁合金熔盐电解过程虚拟仿真实验作为课程实践教学内容，从而促进协同创新驱动移动互联开发高技能人才培养。

稀土铁合金虚拟仿真实验的教学目的主要包括以下三部分：

(1)基本技能。使学生掌握稀土熔盐电解原理、基本概念(电极电位、槽电压、电化学当量、电流效率)和技术指标；熟悉稀土电解槽结构及部件，了解电解槽的设计和应用；重点掌握稀土氟化物-氧化物熔盐体系制备稀土合金原理、电极过程、工业实践和操作方法。

图1 稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验平台登录界面Fig.1 The login interface of the virtual simulation experiment platform for rare earth ferroalloy smelting

图2 稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验平台实训界面Fig.2 Training interface of virtual simulation experiment platform for rare earth ferroalloy smelting

(2)能力培养。①借助虚拟仿真技术，通过构建逼真的稀土冶炼厂三维布局、设备连接，工艺流程等生产要素，为学生提供一个高仿真度、高交互操作、全程参与式、实时反馈、虚拟的典型稀土合金生产过程，帮助学生打造生动、逼真的稀土铁合金冶炼虚拟场景，使学生获得“亲身”体验的感受，让学生更直观了解稀土冶炼过程，激发学生的学习兴趣，提高学生自主学习的能力。②借助虚拟现实教学，提供良好的人机交互，学生可以在虚拟仿真平台下完成在生产实际中十分危险或由于时空间隔完全不可能的实验，自行了解错误的根由及后果，发现解决问题的方法，进而通过分析、综合、比较、归纳、推理等高级思维技能围绕假设进行论证，形成发现式的学习风格和策略，培养高层次的思维技能，使其具备一定的创新能力和解决复杂工程问题的能力，提高学生就业上岗和职业变化的适应能力。

(3)拓展应用。可将该虚拟仿真平台进一步拓展应用于行冶炼工人的岗前培训，同时也可以作为一线研发人员工艺改革的虚拟实验平台，为生产实践提供了有效的开放平台。

3.2 教学效果评价

稀土铁合金虚拟仿真实验平台属于《计算机在冶金中应用》中的实验课程，由教师在课堂上对稀土铁合金冶炼相关的基础知识进行系统讲解后，学生在虚拟仿真实验室完成该次实验课。考核方式由理论测验考核(30分)、虚拟实验考核(40分)和实训报告考核(30分)三部分组成，成绩采用百分制形式，其中理论测验、软件操作评分由系统自动评价，实训报告由老师进行评价。虚拟实验考核中，各场景模块中设置了安全教育环节、冶炼设备安装拼接环节、熔化及电解过程相关知识问答环节。其中安全教育环节，若学生回答错误，实验将无法继续进行，务必保证学生树立牢固的安全意识。考核过程中学生答题或操作错误，系统将自动扣分，并给出学生该次虚拟实验的得分。最后结合实训报告成绩，给出最终的成绩，系统评价学生的学习情况，检验教学效果。

4 结 语

运用VR信息技术手段，融合稀土冶炼过程涉及到的多学科知识，构建了稀土铁合金冶炼虚拟仿真实验平台。该平台对冶金工程专业的基础课程和实验实践教学提高了重要支撑，有效地解决了本专业传统实验教学高成本、设备种类繁杂、危险操作不可逆、校内外实训基地受时间及空间限制无法完全满足本科生生产实习和大型工程训练等问题，从而拓展了实践教学的广度和深度，培养了学生工程意识、实际操作能力、分析解决问题能力、研究设计能力和创新能力，全面提升了实验教学水平。