虚拟仿真实践教学平台在冶金机械专业教学中的探索与实践

杨霞 马立峰 朱艳春 刘光明 姬亚锋 李华英

［摘 要］高等学校开展虚拟仿真实践教学活动是高等教育网络化、信息化、虚拟化、共享化发展的重要内容。针对冶金机械专业课程涉及面广、实践性强并与钢铁企业生产关系密切等特点，太原科技大学机械工程学院建设了冶金机械轧钢生产虚拟仿真实践教学平台。该平台作为冶金机械专业课堂教学和实习实践等教学环节的有效补充，极大地培养了学生的学习兴趣，提升了学生的学习效果，已成为解决冶金机械专业实践教学中工业现场环境不足等问题的有效途径。

［关键词］虚拟仿真实践教学；冶金机械；教学研讨

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）08-0049-04

当前，在工程教育专业认证和新工科建设背景下，为了加速工程科技人才的培养，工科专业学生的工程实践能力培养显得尤为重要[1-3]。虚拟仿真实践教学是应运而生的一种新兴实践教学模式，它借助计算机仿真、多媒体、虚拟现实和人机交互等先进技术手段，能够使学生通过高度仿真的实训对象和实训环境在线完成实践项目[4]。结合教育部出台的《关于一流本科课程建设的实施意见》，坚持以能力产出为导向，紧密结合经济社会发展对高校人才培养的需求来开发虚拟仿真实验教学项目，是学生工程实践能力和创新能力培养的有效途径[5]。

太原科技大学（以下简称我校）冶金机械专业以轧钢机械主机设计为特色，以培养面向复杂工程问题的新型工程科技人才为目标，专业课程涉及面广、实践性强，知识体系与钢铁企业密切相关。由于钢铁生产工业的特殊性，目前钢铁企业的现场实践环节和学校实验室的实验环境均无法完全满足冶金机械专业学生综合实践能力培养的需求[6-7]。为使学生对轧钢生产全流程具备清晰的认知，并将所学的专业理论知识与生产实际融会贯通以形成系统的理解，必须借助虚拟仿真实践教学平台中的各类多媒体素材，生动再现轧钢生产的工艺流程、设备构成及工作原理，并辅以大量翔实的课件资源把相关知识点串联，进行可视化呈现、形象化讲解，以此调动学生参与实验实践活动的积极性和主动性。此外，虚拟仿真实践教学平台还可以作为课堂教学、课内实验、实习实践环节的有效补充，使学生对轧钢生产过程进行深入理解。因此，虚拟仿真实践教学已成为解决高等学校实践教学中工业现场环境不足问题的有效途径[8]。我校机械工程学院委托北京金恒博远科技股份有限公司开发了冶金机械轧钢生产虚拟仿真实践教学平台，采用计算机仿真﹑多媒体、虚拟现实、网络通信、人机交互和数据库等技术，集轧钢生产工艺过程的先进技术与理论成果、轧制过程控制技术于一体，构建了高度虚拟的仿真实训对象和实训环境。该平台在教学中的使用，降低了冶金机械专业实践教学的安全风险和成本，实现了教学过程的实时化、虚拟化、智能化，以及人才培养、模拟竞赛、科学研究和社会服务四方面的实践教学功能。

一、传统实践教学存在的弊端和不足

（一）教学设备单一落后

我校冶金机械专业依托山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室开展了专业课内实验，但受实验室场地和条件的限制，四辊轧机、加热炉、剪切机、十五辊矫直机等实验设备在本科教学过程中只能实现单一设备的运行演示和结构讲解。并且，不能展示板带热连轧、冷连轧等重要生产工艺的实验过程，既无法加深学生对连轧生产工艺流程、工艺参数等重要知识点的理解和掌握，也难以实现学生对生产全流程工艺进行全面的了解。

（二）教学环境存在安全隐患

传统的冶金机械专业实验教学设备大、载荷重、工作条件复杂、操作规程烦琐、实验室环境恶劣。尤其是在热轧钢板、轧机拆装时，现场可能会出现高温烫伤、重物坠落等安全隐患。在企业实习的过程中，现场设备庞大复杂，各个工艺环节协调配合紧凑，为了保障学生的人身安全，只能让学生在企业安全通道上进行走马观花式的参观实习。

（三）学生实践能力培养不足

传统的实践教学模式单一、步骤一致，且多以理论验证和生产演示为目的，导致学生兴趣不足、动手积极性不高。受实验室条件的限制，无法开设创新性实验，实验教学内容和实习过程也不能很好地与课程内容、企业生产实际进行融合，学生对知识的理解和掌握、对工程实践创新能力培养不足。

二、虚拟仿真实践教学平台

（一）教学理念

我校冶金机械专业在专业课授课的过程中坚持“创设情境—激发导入—自主探索—交流构建—课堂互动—深化提高—课程总结—知识升华—工程拓展—能力进阶”的递进式教学模式。在相应的实践教学环节中，遵从“虚实结合﹑能实不虚﹑流程主线﹑交叉扩展、层层递进”的教学理念，努力培养冶金机械专业学生的分析设计能力、工程实践能力和科技创新能力。

（二）教学模块

根据实践教学环节的教学理念，将冶金机械轧钢生产虚拟仿真实践教学平台划分为三个主要模块，包括生产认知模块、仿真操作模块和实践创新模块，其模块设置如图1所示。

1.生产认知模块

为了使学生对轧钢生产设备形成初步的认知，针对热连轧生产工艺流程和设备（如图2所示），冶金机械轧钢生产虚拟仿真实践教学平台设置了生产认知模块。

该模块采用3D高仿真度技术，完全模拟轧钢厂区原貌，并针对整个轧制生产线中的各个工艺环节涉及的设备（包括步进式加热炉、高压水除鳞箱、粗轧机组、飞剪机组、精轧机组、层流冷却机组、卷取机组等）配以三维动画、现场照片和视频，以全视角展示现场设备机械结构和工艺生产，使学生更为直观地认识和了解轧钢设备的结构和工作原理，以及热连轧的生产工艺流程。

2.仿真操作模块

为了帮助学生对轧钢生产全流程建立系统的认识，冶金机械轧钢生产虚拟仿真实践教学平台的仿真操作模块以轧钢生产中的板带热连轧生产工艺过程为对象，以某钢厂1580 mm生产线为基础，建立由工艺过程的数学模拟系统、设备仿真操控系统和虚拟场景监控系统组成的仿真实践工厂。将轧钢生产工艺流程﹑工艺装备、设备操作控制以及自动化控制界面均以虚拟现实技术仿真呈现，通过网络通信实现设备操作与虚拟场景的完全互动，真实地再现了轧钢生产全过程。学生可以通过实际操作，对热连轧的生产工艺过程进行全流程仿真，从工艺、设备和控制的角度综合理解整个热连轧生产工艺过程，加深对专业知识的掌握，并通过对模拟仿真过程出现的问题进行回顾和反思，以达到对轧制原理、轧钢工艺学、轧钢机械设计等课程知识的深入理解，进而实现学以致用、实践创新和与企业生产实际同步对接的目的，强化学生工程实践能力的培养。

3.实践创新模块

为了学生进一步深化对所学理论知识的掌握，培养学生的创新能力，冶金机械轧钢生产虚拟仿真实践教学平台还设置了实践创新模块。该模块包括CVC辊形设计分析、步进式加热炉工艺模型设计以及热连轧轧制规程设计三个部分。通过实践创新模块的训练，学生能够根据空载辊缝的凸度调节域进行曲线调节、CVC辊形曲线设计和辊形曲线分析；根据不同钢种、不同尺寸和加热目标对加热炉各段炉温进行设计；针对不同钢种进行热连轧工艺规程设计。该模块还可以为教师和学生（包括研究生）进行科学研究提供设计计算数据。

三、虚拟仿真实践教学平台应用效果

（一）虚拟仿真实践教学平台在课堂教学中的应用

在轧钢机械设计和轧钢工艺学课程的教学中，我校将课堂理论教学过程与虚拟仿真实践教学平台结合，构筑了可视化教学演示平台，使学生能够通过简单的方法进行学习，为教学提供了便利。

在轧钢机械设计课程的课堂教学过程中，针对相应的授课内容，结合认知模块中对应的轧钢机械设备如加热炉、四辊轧机、飞剪机、卷取机等进行三维动画、现场照片和视频的播放，使学生对设备结构和工作原理有一个直观的认识。在轧钢工艺学课程的课堂教学过程中，不仅可以结合仿真操作模块，使学生对轧制工艺过程有形象的了解，还可以结合实践创新模块中热连轧轧制规程工艺模型设计环节，使学生对轧制压下规程计算有更为直观的认识和更为精准的计算。

（二）虚拟仿真实践教学平台在实践教学中的应用

在实践教学环节中，我校利用虚拟仿真实践教学平台开展了课内虚拟仿真实验、补充生产实习和毕业实习、辅助课程设计和毕业设计。

1.开展课内虚拟仿真实验

由于我校实验室的实验环境无法全部满足轧钢机械设计和轧钢工艺学课程课内实验的开设要求，根据课程教学大纲，利用冶金机械轧钢生产虚拟仿真实践教学平台的认知模块开设了热连轧生产系统设备结构认知实验和四辊轧机结构认知实验课程，利用仿真操作模块和实践创新模块开设了粗轧机组仿真操作实验、加热炉工艺制度设计实验和热连轧轧制规程设计实验，解决了实验教学中工业现场环境不足的问题。

2.补充生产实习和毕业实习

我校冶金机械专业的生产实习和毕业实习主要与太原钢铁集团有限公司、中国宝武钢铁集团有限公司等钢铁企业联合进行，但出于技术保密和安全因素的考虑，学生在实习过程中不能靠近轧钢设备，也无法清楚地看到轧制生产的每一个环节。虚拟仿真实践教学平台的仿真操作模块不但能够清楚地展现热连轧生产的每一个环节，而且虚拟仿真画面形象逼真、设备动作准确，学生通过实际仿真操作，能够增强其对轧钢生产的感性认识和理论联系实际的能力，从而有效地弥补生产实习现场直观的感受和实际操作的缺失。

3.辅助课程设计和毕业设计

虚拟仿真实践教学平台能够辅助学生更轻松地完成课程设计和毕业设计。轧钢工艺学的课程设计、毕业设计都涉及轧制规程的设计和计算。学生可以利用仿真操作模块中的工艺设定环节、实践创新模块中的热连轧轧制规程设计来对自己的设计任务进行验算，保证工艺计算的正确性和精确性。此外，认知模块中各个重要轧钢设备的结构和功能介绍，为学生轧钢机械设计课程设计和毕业设计中轧钢设备的结构设计和图纸的绘制提供了有效资源，增加了学生对课程设计和毕业设计的信心，保证了本专业课程设计和毕业设计的质量。

（三）虚拟仿真实践教学平台在学科竞赛中的应用

为了响应行业发展需求，推动复合型人才培养，培养学生应用现代工具解决复杂工程问题的能力和实践创新能力，提高学生对专业知识学习的积极性，我校连续举办了两届太原科技大学“IM”杯模拟炼钢—轧钢大赛，冶金机械、轧制工程和冶金工程三个专业80%以上的学生都参加了该项比赛。比赛内容包括热连轧虚拟仿真操作和知识竞答两部分，两人一组。学生通过刻苦训练和认真比赛，取得了优异成绩。校赛成绩优异的学生又代表我校参加了中国金属学会主办的全国模拟炼铁—炼钢—轧钢大赛，多次获得高校组轧钢单项奖项和优秀团体奖。

通过参加校级和国家级的模拟轧钢大赛，不仅培养了冶金机械专业学生实践创新能力、团队合作能力和应用现代工具解决复杂工程问题的能力，还提高了学生的使命感以及其对本专业的热爱度。

四、结语

冶金机械轧钢生产虚拟仿真实践教学平台在冶金机械专业教学中的应用，不仅有利于在教学过程中培养学生的学习兴趣、降低课程的学习难度、促进学生对理论知识的理解、提升学习效果，还能够培养学生的工程实践能力、创新能力、团队合作能力和应用现代工具解决复杂工程问题的能力，已成为解决冶金机械专业实践教学中工业现场环境不足等问题的有效途径。同时，随着5G和AI等科学技术的深入发展，虚拟仿真实验教学的模拟水平必将逐步接近现实情况，这为培养具有创新精神和实践能力的复合型工程科技人才提供助力，进而实现我国走上新型工业化道路、建立创新型国家、提高国家竞争力的目标。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 郑波，何丽华，周超，等.工程教育专业认证背景下实践教学改革与实践：以南华大学核工程与核技术专业为例[J].高教学刊，2022（20）：88-91.

[2］ 张俊溪，卢娜，梁姣，等.新工科背景下构建应用型本科高质量人才培养体系[J].高教学刊，2022（21）：21-24.

[3］ 陈良，高瑜.基于新工科和工程教育认证理念的智能制造工程新专业建设研究[J].教育现代化，2020（21）：59-61.

[4］ 李磊.虚拟仿真实验教学的必要性、存在问题及其可持续发展机制[J].湖北开放职业学院学报，2019，32（7）：151-153.

[5］ 龚海军，舒吉平，宋鹏，等.虚拟仿真在压铸工艺及模具设计课程中的开发建设[J].大学教育，2022（9）：74-75.

[6］ 张立强，包燕平，王敏，等.仿真实践教学在冶金专业的应用[J].中国冶金教育，2013（6）：45-47.

[7］ 刘光明，任志峰，何奕波，等.冶金类工科专业虚拟仿真实践教学平台建设探析[J].教育现代化，2020（19）：112-115.

[8］ 高德，陆俊杰，陈根浪，等.基于虚拟仿真的包装机械实验课程建设与实践[J].大学教育，2021（3）：49-52.

［责任编辑：雷 艳］