材料綠色制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)施

王亞麗　崔素萍　龔先政

［摘 要］ 綠色制造是對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)改造升級(jí)的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)人才提出了更高的要求，現(xiàn)有材料制備與性能實(shí)踐平臺(tái)無(wú)法與實(shí)際材料制造過(guò)程有效結(jié)合，實(shí)踐課程無(wú)法滿足學(xué)生都能進(jìn)行親身實(shí)踐，因此需要建立虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。依托材料專業(yè)工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)建了一系列先進(jìn)的、貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的典型材料制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，形成了典型材料綠色制造虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建了具有資源節(jié)約和環(huán)境友好特色的實(shí)踐教學(xué)體系，為培養(yǎng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的創(chuàng)新型人才奠定了基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］ 材料綠色制造；虛擬仿真；實(shí)踐教學(xué)；創(chuàng)新能力

［基金項(xiàng)目］ 2020年度新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“材料專業(yè)綠色化信息化改造升級(jí)的探索與實(shí)踐”（E-CL20201901）；2020年度北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)課題“典型材料制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共建與整合優(yōu)化研究”（ER2020B042）

［作者簡(jiǎn)介］ 王亞麗（1978—），女，河北邢臺(tái)人，博士，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部教授（通信作者），博士生導(dǎo)師，主要從事水泥熟料化學(xué)和水化化學(xué)研究；崔素萍（1964—），女，山西榆次人，博士，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水泥和水泥基材料研究；龔先政（1967—），男，四川蒼溪人，博士，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生命周期分析科學(xué)數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)研究。

［中圖分類號(hào)］ G424.31 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）07-0001-04 ［收稿日期］ 2022-06-10

《中國(guó)制造2025》的基本方針是“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”，促進(jìn)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，而基于綠色制造的傳統(tǒng)制造業(yè)的改造升級(jí)和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)等對(duì)人才提出了更高的要求，強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)、工藝、裝備推廣應(yīng)用，全面推行清潔生產(chǎn)，學(xué)生需要掌握資源、材料、加工制造、環(huán)境、信息等多種學(xué)科知識(shí)。應(yīng)對(duì)新經(jīng)濟(jì)的調(diào)整和產(chǎn)業(yè)變革需求，在教育部的積極推進(jìn)下，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智慧物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)融合的新學(xué)科建設(shè)受到越來(lái)越多的關(guān)注［1-4］。為貫徹落實(shí)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，教育部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4號(hào)），教育部發(fā)布了《關(guān)于開展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》（教高函〔2018〕5號(hào)）。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是采用虛擬仿真現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、數(shù)字化、智能化技術(shù)等手段，根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求設(shè)計(jì)出用于輔助教學(xué)的虛擬場(chǎng)景、虛擬環(huán)境、虛擬儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)線路或回路、實(shí)驗(yàn)器件及構(gòu)件庫(kù)、演示和判別理論，以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程和標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)符合教學(xué)目標(biāo)的情境問題，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性，并主動(dòng)總結(jié)和驗(yàn)證結(jié)果［5-9］。我國(guó)材料綠色制造業(yè)高速發(fā)展自動(dòng)化、智能化的生產(chǎn)流程限制了現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，學(xué)生即使到了生產(chǎn)一線也只能走馬觀花，或者在全自動(dòng)中控室面對(duì)跳動(dòng)的數(shù)據(jù)，無(wú)法進(jìn)行材料生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵工藝參數(shù)的采集與分析，現(xiàn)有材料制備與性能實(shí)踐平臺(tái)無(wú)法與實(shí)際材料制造過(guò)程有效結(jié)合，因此要將實(shí)踐教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)高度融合，構(gòu)建材料綠色制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，提高學(xué)生對(duì)材料流程專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知度。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)需求

基于綠色制造的傳統(tǒng)制造業(yè)的改造升級(jí)和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)等對(duì)人才提出了更高的要求，應(yīng)該具備“?！焙汀巴ā眱煞矫娴哪芰??！皩！笔侵笇I(yè)方面的能力，包括理論分析與抽象能力、問題理解與求解能力、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力、系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)能力、系統(tǒng)應(yīng)用與管理能力、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與動(dòng)手能力及持續(xù)學(xué)習(xí)與改進(jìn)能力等?！巴ā笔侵缚缥幕臏贤芰Α㈨?xiàng)目組織與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、經(jīng)營(yíng)管理能力、創(chuàng)新能力及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力等。面向生態(tài)城市建設(shè)和材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)具有材料與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展理念，具備人文社會(huì)科學(xué)素養(yǎng)，以及堅(jiān)實(shí)的自然科學(xué)基礎(chǔ)、工程基礎(chǔ)和材料科學(xué)與工程專業(yè)知識(shí)，能夠應(yīng)用工程原理在解決與材料相關(guān)的復(fù)雜工程問題中發(fā)揮有效作用的人才。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和科研能力等綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。知識(shí)源于實(shí)踐，能力來(lái)自實(shí)踐。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一方面可以幫助和促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，突出理論知識(shí)的應(yīng)用性；另一方面可以使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)和理論的對(duì)比中找到差距，加深理解，幫助其分析問題。在新工科和“資源節(jié)約、環(huán)境友好”的背景下，材料專業(yè)應(yīng)該從專業(yè)、課程和知識(shí)體系等方面討論新結(jié)構(gòu)，提出新工科在教學(xué)等方面需要新方法，改革以強(qiáng)化工程應(yīng)用能力為目標(biāo)的“資源節(jié)約與環(huán)境友好型”材料實(shí)踐教學(xué)體系。教育部明確了示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的目標(biāo)及內(nèi)容，并提出了以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念、準(zhǔn)確適宜的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學(xué)方式方法、先進(jìn)可靠的實(shí)驗(yàn)研發(fā)技術(shù)等8項(xiàng)具體要求。以資源節(jié)約與環(huán)境友好為主導(dǎo)的“虛實(shí)結(jié)合，仿真互動(dòng)”深度融合的典型材料制造虛擬仿真項(xiàng)目十分必要。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)

依托北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部材料專業(yè)工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，以學(xué)生為主體，以社會(huì)需求為導(dǎo)向，以全面工程教育為手段，以能力和素質(zhì)培養(yǎng)為核心，設(shè)計(jì)一系列先進(jìn)的貼近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的，以資源節(jié)約與環(huán)境友好為主導(dǎo)的“虛實(shí)結(jié)合，仿真互動(dòng)”深度融合的材料綠色制造虛擬仿真項(xiàng)目，打造典型材料生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、設(shè)計(jì)研究虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建新工科背景下“兩型社會(huì)”（資源節(jié)約型社會(huì)、環(huán)境友好型社會(huì)）的材料類工程實(shí)踐教學(xué)體系，結(jié)合實(shí)際的工程課題，借助虛擬項(xiàng)目進(jìn)行工程人才培養(yǎng)，培養(yǎng)出高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)際化大都市所需的具有較強(qiáng)實(shí)踐能力、扎實(shí)工程基礎(chǔ)的專業(yè)創(chuàng)新型人才，為國(guó)家的創(chuàng)新人才培養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮重要的作用。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容

我校虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容包括材料生命周期工程實(shí)踐平臺(tái)，以企業(yè)的實(shí)際運(yùn)行情況開發(fā)數(shù)字技術(shù)與專業(yè)融合的虛擬仿真實(shí)踐項(xiàng)目，以及線上線下相結(jié)合的全過(guò)程、多場(chǎng)景的教學(xué)模式。

（一）研制了數(shù)字技術(shù)與專業(yè)融合的虛擬仿真實(shí)踐項(xiàng)目

通過(guò)深入分析材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)的實(shí)習(xí)、實(shí)踐教學(xué)需求強(qiáng)烈和實(shí)踐教學(xué)基地不足的矛盾，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬仿真開展實(shí)踐教學(xué)。將資源節(jié)約和環(huán)境友好的元素融入材料的“四要素”，更新、改進(jìn)并提升材料制備、材料加工、材料性能測(cè)試和材料結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容。材料綠色制造虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目通過(guò)模擬工廠的真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境，輔以動(dòng)畫、虛擬場(chǎng)景、高清視頻等多種表現(xiàn)形式，培養(yǎng)學(xué)生解決工程及科學(xué)研究問題的能力與素質(zhì)，同時(shí)熟悉材料生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及安全、衛(wèi)生、環(huán)境等法律法規(guī)，增強(qiáng)理論課的實(shí)踐效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)傳統(tǒng)專業(yè)的吸引力。我校設(shè)計(jì)了“水泥企業(yè)3D實(shí)景生產(chǎn)系統(tǒng)”（見圖1）。該系統(tǒng)基于水泥生產(chǎn)企業(yè)實(shí)景測(cè)繪，以動(dòng)畫、漫游、虛擬場(chǎng)景等多角度地呈現(xiàn)了水泥生產(chǎn)設(shè)備、物流及工藝的相互關(guān)系。我校建立了“水泥熟料生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)”（見圖2）。該系統(tǒng)以設(shè)備仿真操作、過(guò)程控制參數(shù)仿真、操作呈現(xiàn)、操作過(guò)程評(píng)價(jià)等交互方式進(jìn)行仿真訓(xùn)練，并加強(qiáng)學(xué)生對(duì)水泥生產(chǎn)流程的認(rèn)知和操作控制。我校完成了“水泥生產(chǎn)熱工系統(tǒng)物質(zhì)流/能量流測(cè)試與計(jì)算虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（見圖3）。在線模擬虛擬環(huán)境下的水泥生產(chǎn)線關(guān)鍵熱工參數(shù)的溫度、壓力、表面散熱、煙氣成分、粉塵含量的測(cè)試、數(shù)據(jù)獲取、計(jì)算等過(guò)程。一系列的以材料全生命周期評(píng)價(jià)為核心的從專業(yè)基礎(chǔ)到工程應(yīng)用的多層次實(shí)踐教學(xué)體系，提升了學(xué)生運(yùn)用材料學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)解決具體工程問題的能力。

（二）創(chuàng)建了融合數(shù)字技術(shù)的材料生命周期工程實(shí)踐平臺(tái)

我校依托工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，建立了融合數(shù)字技術(shù)的材料生命周期工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。相關(guān)教學(xué)團(tuán)隊(duì)逐漸加強(qiáng)科研成果與教學(xué)研究的有機(jī)結(jié)合，將現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范與行業(yè)認(rèn)證綠色制度等融入相關(guān)課程的理論與實(shí)踐教學(xué)，通過(guò)將企業(yè)實(shí)際的綠色制造設(shè)計(jì)研發(fā)與管理運(yùn)行數(shù)據(jù)以教學(xué)案例庫(kù)的形式進(jìn)行整合優(yōu)化（見圖4），并依托專業(yè)軟件建立融合材料生態(tài)設(shè)計(jì)、清潔生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)選、綠色產(chǎn)品評(píng)估認(rèn)證等綠色制造全流程一體化的理論實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)均來(lái)自教師承擔(dān)的國(guó)家重大專項(xiàng)、國(guó)家自然基金項(xiàng)目、企業(yè)合作等項(xiàng)目，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，形成自主學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。在實(shí)驗(yàn)中提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)向綜合型、設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)過(guò)渡，從而滿足多階段學(xué)習(xí)、多方式實(shí)踐，使學(xué)生在信息獲取能力、基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、?chuàng)新能力、總結(jié)分析能力、團(tuán)隊(duì)合作能力等方面都得到提升。

（三）建立了基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)和基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導(dǎo)式、開放式教學(xué)相結(jié)合的虛擬仿真教學(xué)模式

虛擬仿真教學(xué)是信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合的產(chǎn)物，拓展了學(xué)生的學(xué)習(xí)資源和空間，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)模式，特別是可以虛擬仿真危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了不能開設(shè)這樣課程的不足。開創(chuàng)了線上線下教學(xué)相結(jié)合的個(gè)性化、智能化、泛在化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)和基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導(dǎo)式、開放式教學(xué)相結(jié)合，借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)下的虛擬仿真技術(shù)，通過(guò)信息技術(shù)與專業(yè)知識(shí)的有機(jī)結(jié)合，豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。虛擬場(chǎng)景下的全流程、多工位動(dòng)態(tài)仿真，必將扭轉(zhuǎn)學(xué)生對(duì)材料制造工藝的傳統(tǒng)認(rèn)知，學(xué)生通過(guò)完成教學(xué)項(xiàng)目，能有效調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，既掌握了實(shí)踐技能，又掌握了相關(guān)安全知識(shí)；既學(xué)習(xí)了課程，又學(xué)習(xí)了工作方法幫助解決問題，能夠充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

四、材料綠色制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)施效果

材料綠色制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以學(xué)生為主體，以社會(huì)需求為導(dǎo)向，以全面工程教育為手段，以能力和素質(zhì)培養(yǎng)為核心，鼓勵(lì)學(xué)生利用虛擬仿真平臺(tái)和材料制備與性能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，通過(guò)策劃、設(shè)計(jì)和創(chuàng)造，進(jìn)行創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)課、校內(nèi)生產(chǎn)實(shí)習(xí)等教學(xué)科研實(shí)踐活動(dòng)，實(shí)踐訓(xùn)練受益學(xué)生1000多人。學(xué)生依托材料專業(yè)工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，分析和解決了材料生產(chǎn)和實(shí)踐中遇到的問題，將設(shè)計(jì)方法和思路在該教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、申報(bào)專利、發(fā)表論文。材料綠色制造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)施將培養(yǎng)一批具有較強(qiáng)工程能力、扎實(shí)專業(yè)知識(shí)的創(chuàng)新型人才，為國(guó)家建設(shè)和社會(huì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］李漢挺，劉利斌.基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)環(huán)境下高校智慧校園的建設(shè)［J］.中國(guó)新通信，2017，19（15）：72.

［2］李雄，孫路遙.虛擬仿真教學(xué)的內(nèi)涵、設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.中國(guó)教育信息化，2019（6）：21-25.

［3］劉亞豐，余龍江，盧群偉，等.教育信息化背景下虛擬仿真教學(xué)資源建設(shè)［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2018，16（2）：195-198.

［4］王海山.虛擬仿真教學(xué)在高校實(shí)訓(xùn)培訓(xùn)中的探索［J］.教育教學(xué)論壇，2019（51）：161-162.

［5］李雄，孫路遙.虛擬仿真教學(xué)的內(nèi)涵、設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.中國(guó)教育信息化，2019（6）：21-25.

［6］胡東萍，張延玲.虛擬仿真教學(xué)在應(yīng)用型本科中的應(yīng)用［J］.亞太教育，2016（18）：63-63.

［7］陳吉朋，劉英，許林云，等.高射程噴霧機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2020（18）：150-154.

［8］熊宏齊.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)助推理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合改革與創(chuàng)新［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，37（5）：1-4+16.

［9］王嘉晨，劉璐，王小鋒，等.虛擬仿真技術(shù)對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索［J］.廣州化工，2020，48（8）：148-150.

Construction and Implementation of Virtual Simulation Experiment Teaching Platform for Material Green Manufacturing

WANG Ya-li， CUI Su-ping， GONG Xian-zheng

（Faculty of Materials and Manufacturing， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： Green manufacturing is a strategic emerging industry for the transformation and upgrading of traditional manufacturing industry， which puts forward higher requirements for talents. The existing material preparation and performance practice platform cannot effectively combine with the actual material manufacturing process， and the practice course cannot meet the needs of each student to carry out personal practice. It is urgent to establish an experimental teaching platform combined with virtual reality. Relying on the engineering practice teaching platform of material specialty and the national engineering laboratory of industrial big data application technology， a series of advanced virtual simulation experiment teaching projects of typical material manufacturing close to the industrial site are created. The virtual simulation practice teaching platform of typical material green manufacturing is formed， and the practice teaching system with the characteristics of resource saving and environment friendly is constructed， which lays a foundation for cultivating innovative talents needed for the development of high-tech industry in Beijing and international metropolis.

Key words： material green manufacturing; virtual simulation; practice teaching; innovation ability