周雪嬌，陳永利，夏文堂，尹建國(guó)，田應(yīng)甫

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《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》課程教學(xué)中的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用意義探析

周雪嬌，陳永利，夏文堂，尹建國(guó)，田應(yīng)甫

摘要：從《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》課程教學(xué)目標(biāo)與特點(diǎn)著手，分析了虛擬仿真技術(shù)嵌入本課程教學(xué)的有效性與重要性。結(jié)合我校國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，克服本課程傳統(tǒng)教學(xué)工作原理不直觀、工藝流程不具體、操作設(shè)備太抽象、實(shí)踐教學(xué)不夠強(qiáng)等局限性，顯著激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與求知欲望，提高學(xué)生主動(dòng)思考與創(chuàng)新能力，有效提升應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算；教學(xué)改革

冶金工程是一個(gè)工程性、實(shí)踐性極強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)，培養(yǎng)方案明確要求學(xué)生具備從事冶金工程及相關(guān)領(lǐng)域工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究的能力。我校更是重視“應(yīng)用型”人才的培養(yǎng)，注重學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的提升，要求教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際［1，2］?！队猩饘僭O(shè)計(jì)與計(jì)算》是冶金工程有色冶金方向?qū)I(yè)限選課，其目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論和研究方法去分析、解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題的能力。但是本課程在傳統(tǒng)授課過(guò)程中普遍存在工作原理不直觀、工藝流程不具體、操作設(shè)備太抽象、實(shí)踐教學(xué)不夠強(qiáng)等缺陷，導(dǎo)致授課質(zhì)量不高，難以有效提升學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。

虛擬仿真技術(shù)通過(guò)交互式環(huán)境可實(shí)現(xiàn)情景復(fù)現(xiàn)，對(duì)抽象概念具體化［3］，實(shí)現(xiàn)冶金工廠3D漫游、工藝流程“無(wú)縫”對(duì)接、冶煉操作動(dòng)態(tài)模擬、機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)剖析等。《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》也明確提出虛擬仿真教學(xué)已成為未來(lái)高校信息化建設(shè)的主要方向［4］。我校冶金工程一直以來(lái)都非常注重虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)，2014年獲批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，構(gòu)建了鋼鐵、有色以及實(shí)驗(yàn)3大教學(xué)資源體系，著力培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)能力和科技創(chuàng)新能力。在本課程教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)虛擬冶金現(xiàn)場(chǎng)情景、仿真冶金工藝流程、再現(xiàn)冶煉動(dòng)態(tài)操作，可以極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，發(fā)揮其主觀能動(dòng)性，將學(xué)習(xí)目標(biāo)與教學(xué)主題緊密結(jié)合，讓學(xué)生在虛擬仿真的冶金情景體驗(yàn)中積極主動(dòng)地提升自我能力。

一、虛擬仿真技術(shù)嵌入《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》課程教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》是有色冶金方向非常重要的專(zhuān)業(yè)課程，融冶金工藝、機(jī)械設(shè)備、CAD制圖、信息自動(dòng)化、經(jīng)濟(jì)分析于一體。課程具備以下特點(diǎn)：課程內(nèi)容涉及多門(mén)學(xué)科，知識(shí)點(diǎn)縱橫交錯(cuò)，綜合性非常強(qiáng)。學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)若不牢，理解就困難，學(xué)習(xí)易乏味，降低學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性；課程與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合，工程屬性強(qiáng)，學(xué)生平時(shí)實(shí)踐環(huán)節(jié)較短，對(duì)有色冶金生產(chǎn)過(guò)程及設(shè)備感性認(rèn)識(shí)不足；有色金屬品種繁多，典型金屬生產(chǎn)工藝流程在課程中體現(xiàn)不明顯，初學(xué)該課程，學(xué)生難以體會(huì)課程中各知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，把握知識(shí)的脈絡(luò)；課程中冶金設(shè)備類(lèi)型繁多，形式多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以從感官上理解各種冶煉操作及設(shè)備工作原理。因此，必須采取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)其自主求知的欲望，才可有效提高本門(mén)課程的教學(xué)質(zhì)量。

近幾年，隨著電化教育的逐步深化，配合冶金教學(xué)的虛擬仿真軟件不斷涌現(xiàn)，將這些虛擬仿真軟件應(yīng)用于《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》教學(xué)中，可較好解決上述問(wèn)題。在教學(xué)中嵌入虛擬仿真技術(shù)，可使枯燥的原理、呆板的流程，封閉的設(shè)備變成屏幕上可視化、交互式的場(chǎng)景、動(dòng)畫(huà)與操作，極大地提高課程教學(xué)效果。

一是運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，教師可以有目的地引入形象生動(dòng)的典型冶煉場(chǎng)景，使學(xué)生“身臨其境”，產(chǎn)生視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感知，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，把認(rèn)知活動(dòng)和情感活動(dòng)結(jié)合在一起，有助于學(xué)生理解和接受所學(xué)知識(shí)。

二是針對(duì)課程重點(diǎn)、難點(diǎn)，可利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)訓(xùn)。引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀摩虛擬冶金場(chǎng)景、工藝流程、操作設(shè)備等，積極思索，關(guān)注重點(diǎn)與難點(diǎn)。采用理論講授與企業(yè)情景結(jié)合，使學(xué)生印象深刻，易于理解并接受，形成較穩(wěn)固記憶。

三是理論孕于實(shí)踐?！队猩饘僭O(shè)計(jì)與計(jì)算》講授的內(nèi)容多是理論知識(shí)，且由于冶金危險(xiǎn)性高，學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)難于動(dòng)手操作，而仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)課堂即時(shí)實(shí)踐，可有效提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和設(shè)計(jì)能力。

因此，在《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》中采用虛擬仿真技術(shù)輔助教學(xué)，可以提供多功能、交互式的整體教學(xué)集成方案，變枯燥的理論教學(xué)為多元化、活生生的動(dòng)態(tài)虛擬仿真教學(xué)，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)學(xué)生探索欲望，提升對(duì)本課程的理解與接受，強(qiáng)化教學(xué)效果，促進(jìn)專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革與實(shí)踐。

二、虛擬仿真技術(shù)在《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》課程教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)可實(shí)現(xiàn)冶金工廠的3D漫游、冶金工藝流程動(dòng)態(tài)仿真、異常工況處理、設(shè)備結(jié)構(gòu)剖析及操作仿真等，給學(xué)生帶來(lái)視覺(jué)上的沖擊與震撼，使其感受到專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)的重要性，自覺(jué)掌握冶金設(shè)計(jì)的基本原則與流程。

（一）冶金工廠“搬進(jìn)”課堂

本課程開(kāi)設(shè)在大四上學(xué)期，大三下學(xué)期生產(chǎn)實(shí)習(xí)學(xué)生都去過(guò)冶金工廠，但對(duì)工廠只停留在淺層次的認(rèn)識(shí)，要將工廠由思想轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K產(chǎn)物并“運(yùn)行”起來(lái)還缺乏細(xì)致的了解。采用虛擬仿真技術(shù)，可將純?nèi)S交互界面的冶金工廠“搬進(jìn)”課堂，通過(guò)冶金工廠3D漫游以及仿真認(rèn)知系統(tǒng)等可高度還原冶金廠的總平面布置、車(chē)間配置以及管道設(shè)計(jì)等。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以“身臨其境”，置身于虛擬冶金車(chē)間之內(nèi)，從而對(duì)這些車(chē)間的空間布局、整體認(rèn)識(shí)和理解更形象、深刻而全面。

例如，在介紹冶金工廠車(chē)間平面布置原則后，可以讓學(xué)生進(jìn)入某特定情景的冶煉廠。通過(guò)冶金車(chē)間場(chǎng)景的再現(xiàn)，學(xué)生可以體會(huì)到真實(shí)的工作環(huán)境，看到冶煉車(chē)間的總平面布置、車(chē)間配置等，接著讓學(xué)生找出該車(chē)間布置是怎樣體現(xiàn)冶金車(chē)間平面布置原則的。然后，再讓學(xué)生結(jié)合生產(chǎn)實(shí)習(xí)實(shí)際情況，討論分析實(shí)習(xí)車(chē)間平面布置特點(diǎn)，找出其未遵循設(shè)計(jì)原則的弊端與危害，使學(xué)生在“找茬”中體會(huì)學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。通過(guò)理論教學(xué)、仿真教學(xué)與案例教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，可以有效提升學(xué)生工程意識(shí)，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。

（二）工藝流程“無(wú)縫”對(duì)接

利用虛擬仿真教學(xué)資源，可以讓學(xué)生在虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)冶金工藝流程不同工序的“無(wú)縫”對(duì)接，將呆板無(wú)生命的冶煉流程變成鮮活可視化的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，讓學(xué)生切身感受到由原料到產(chǎn)品的神奇過(guò)程，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。

例如通過(guò)虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)銅的轉(zhuǎn)爐吹煉與陽(yáng)極爐精煉的完美銜接。虛擬仿真技術(shù)可以展示銅的轉(zhuǎn)爐吹煉與陽(yáng)極爐精煉現(xiàn)場(chǎng)，然后通過(guò)虛擬操作，轉(zhuǎn)爐吹煉可產(chǎn)出一定品位的粗銅，銅含量一般為98.5% ～99.5%，其余為雜質(zhì)。粗銅再送往陽(yáng)極爐精煉車(chē)間，產(chǎn)出純度更高的陽(yáng)極銅。通過(guò)冶金工藝流程仿真，可實(shí)現(xiàn)不同工序的良好對(duì)接，學(xué)生在逼真的畫(huà)面中感受和理解不同工藝流程的技術(shù)參數(shù)控制與改變對(duì)冶煉結(jié)果的影響，有助于學(xué)生充分了解到冶金工藝流程選擇的影響要素，掌握冶金工藝流程設(shè)計(jì)要點(diǎn)。只是需要注意的是，這種后臺(tái)模型往往是封閉在系統(tǒng)中，學(xué)生常常可以看到冶煉結(jié)果，甚至能理解為什么這么變，但對(duì)于數(shù)值的精準(zhǔn)度卻把握不夠。如果能將這種后臺(tái)模型“拿出來(lái)”，無(wú)疑可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，甚至激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，這對(duì)于提高應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)質(zhì)量是極為有幫助的。

（三）冶煉操作動(dòng)態(tài)模擬

有色金屬冶金專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)存在工藝復(fù)雜、設(shè)備封閉、溫度高、腐蝕重、污染大等特點(diǎn)，再加上大多數(shù)冶金企業(yè)回避安全事故，實(shí)踐周期短，實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量難以保證，以致學(xué)生工程實(shí)踐能力不強(qiáng)、創(chuàng)新意識(shí)不夠，已成為制約應(yīng)用型冶金工程本科人才培養(yǎng)質(zhì)量的瓶頸。借助虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)，可將冶金生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備“搬進(jìn)”課堂，實(shí)現(xiàn)冶煉操作的動(dòng)態(tài)模擬。這種具有虛擬操作的互動(dòng)功能是虛擬仿真技術(shù)最重要也是應(yīng)用最為廣泛的一種功能［5-6］。一般可由控制系統(tǒng)與虛擬場(chǎng)景兩部分組成，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作，并對(duì)操作結(jié)果進(jìn)行逼真反饋。

例如，通過(guò)上位機(jī)操作，可以讓被控虛擬場(chǎng)景隨著仿真操作聯(lián)動(dòng)起來(lái)，及時(shí)逼真反饋冶煉結(jié)果。如鋁電解生產(chǎn)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，涵蓋了虛擬冶金場(chǎng)景、上位機(jī)操作以及冶煉結(jié)果顯示。通過(guò)上位機(jī)操作，可實(shí)現(xiàn)電解鋁冶煉的正常作業(yè)，如更換陽(yáng)極、升降陽(yáng)極、下料、出鋁等冶煉作業(yè)的場(chǎng)景畫(huà)面，學(xué)生可以清晰地看到設(shè)備的立體框架（甚至是內(nèi)部結(jié)構(gòu)）、操作情況等，有助于學(xué)生對(duì)于設(shè)備選型與設(shè)計(jì)的理解與掌握。如果再有后臺(tái)程序方程控制，那么便可及時(shí)顯示不同操作條件下電解鋁的分子比、電解液溫度、鋁水平、電解質(zhì)水平、鋁液純度等相關(guān)技術(shù)參數(shù)，有助于學(xué)生掌握冶金衡算、冶煉操作等對(duì)冶煉結(jié)果、技術(shù)經(jīng)濟(jì)的影響，提升其應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

通過(guò)冶煉操作動(dòng)態(tài)模擬，學(xué)生可以熟悉有色金屬冶金常規(guī)作業(yè)、冶煉環(huán)節(jié)操作設(shè)備、工藝參數(shù)以及技術(shù)指標(biāo)等，彌補(bǔ)學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中“見(jiàn)不到，摸不著，操作不了”的缺憾，提高學(xué)生對(duì)冶金過(guò)程衡算、設(shè)備選型與設(shè)計(jì)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析等的理解與掌握，為提高應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的質(zhì)量提供有力保障。

三、虛擬仿真技術(shù)契入《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》課程教學(xué)的運(yùn)用效果

《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》是一門(mén)與冶金生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)緊密結(jié)合的理論與實(shí)踐一體化課程，學(xué)習(xí)難度較大。將虛擬仿真技術(shù)嵌入本課程，實(shí)現(xiàn)了冶金原理直接呈現(xiàn)、工藝流程“無(wú)縫”對(duì)接、冶煉操作動(dòng)態(tài)模擬、機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)剖析等，取得了良好的教學(xué)效果。

（一）提升了學(xué)生上課積極性與參與性

與傳統(tǒng)教學(xué)相比，植入虛擬仿真教學(xué)之后，可以將冶金工廠“搬進(jìn)”課堂，實(shí)現(xiàn)3D設(shè)備的結(jié)構(gòu)拆裝、冶煉工藝動(dòng)態(tài)仿真等，給學(xué)生帶來(lái)了視、聽(tīng)、觸覺(jué)等多種感知體驗(yàn)，學(xué)生上課積極性明顯提高，課堂氣氛活躍，學(xué)生樂(lè)于參與互動(dòng)，有效改善了該課程往日沉悶的氛圍。教師再根據(jù)教學(xué)目的與任務(wù)稍加驅(qū)動(dòng)，學(xué)生便可較好掌握學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)。

（二）激發(fā)了學(xué)生求知欲望與創(chuàng)新能力

基于虛擬仿真操作，學(xué)生可以運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)，自由搭建項(xiàng)目，設(shè)計(jì)并優(yōu)化出合理的工藝流程，并借助虛擬仿真技術(shù)，自己模擬冶煉，在冶煉中分析隱患、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，找出設(shè)計(jì)工藝的差異及不合理之處。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)的引入，學(xué)生更樂(lè)于自己去尋找問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，使創(chuàng)新能力不斷提高。近幾年，學(xué)生參加國(guó)際網(wǎng)絡(luò)煉鋼大賽都取得了優(yōu)異成績(jī)，2015年更是斬獲了第九屆世界網(wǎng)絡(luò)煉鋼大賽總決賽冠軍。

（三）提高了學(xué)生工程能力和設(shè)計(jì)能力

將邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊苯鸸に嚹Ｐ鸵浦灿谝苯鸱抡娌倏噩F(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了冶煉操作的動(dòng)態(tài)模擬，強(qiáng)化了本課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，解決了市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下學(xué)生動(dòng)手操作難的問(wèn)題，培養(yǎng)了學(xué)生工程實(shí)踐能力。再結(jié)合虛擬仿真軟件的設(shè)計(jì)教學(xué)功能，提高學(xué)生對(duì)設(shè)備和工藝相結(jié)合的認(rèn)識(shí)，達(dá)到了對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，通過(guò)模擬冶煉操作、處理異常工況，學(xué)生職業(yè)崗位能力得到培養(yǎng)，有助于增強(qiáng)其就業(yè)能力。

四、結(jié)語(yǔ)

《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的課程，不僅要傳授學(xué)生理論知識(shí)，更需要培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維以及應(yīng)用基本知識(shí)去解決工程實(shí)踐問(wèn)題的能力。隨著計(jì)算機(jī)及電化教育的深入發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)提供了這樣一個(gè)契機(jī)，可以為《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》提供冶金工廠的3D漫游與仿真認(rèn)知系統(tǒng)、冶金工藝流程的良好對(duì)接、冶煉操作的動(dòng)態(tài)模擬等，使得一些“見(jiàn)不到，摸不著”的東西變得鮮活而具體，促進(jìn)了傳統(tǒng)教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣與探知的欲望，有助于培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力，深化《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》的教學(xué)改革，提高高校本科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

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（編輯：張齊）

基金項(xiàng)目：重慶科技學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“《有色金屬設(shè)計(jì)與計(jì)算》課程改革的研究與實(shí)踐”（201518）。

收稿日期：2015-11-05

作者簡(jiǎn)介：周雪嬌（1984-），女，碩士，重慶科技學(xué)院（重慶401331）冶金與材料工程學(xué)院講師。

中圖分類(lèi)號(hào)：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1999（2016）03-0132-03