摘要： 钢铁冶金生产由于规模庞大、设备大型化、高危险、高消耗、高污染等特点，无法在校内进行实际生产和操作。利用虚拟仿真系统可以实现冶金工程专业真实实验不具备和难以完成的教学功能。文章分析了传统钢铁冶金学教学存在的问题，并从仿真实验、教学方法和教学手段、学生成绩考核方法等方面进行了创新性教学改革探索。结果表明，将虚拟仿真系统运用到钢铁冶金学课程教学中，有利于学生学习兴趣的提高、专业知识及实践技能掌握，学习效果明显改善。
Abstract： Due to its large scale， large equipment， high risk， high consumption and high pollution， iron and steel metallurgy production can not be carried out in school. The use of virtual simulation system can achieve the teaching function that real experiment of metallurgical engineering does not have and difficult to complete. The article analyzes the existing problems in the traditional teaching of iron and steel metallurgy， and carries out the innovative teaching reform from the aspects of simulation experiment， teaching methods， teaching methods and student performance assessment methods. The results show that the application of virtual simulation system to the teaching of steel metallurgy is conducive to the improvement of students" interest in learning， mastery of professional knowledge and practical skills and the improvement of learning effect.
关键词： 虚拟仿真系统；钢铁冶金学；创新教学；仿真实验
Key words： virtual simulation system；iron and steel metallurgy；innovation teaching；simulation experiment
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）04-0209-04
0 引言
虚拟仿真系统是综合利用多种技术，包括计算机仿真、传感技术、光电成像技術、计算机图形学等，创建一个逼真的、具有视、听、触、嗅、味等多种感知的计算机系统。学生通过数学模型模拟真实的生产工艺进行操作，可以更形象、直观地体会真实的生产过程。冶金工程专业是青海大学特色专业之一，国家第三批“卓越工程师教育培养计划”试点专业，利用虚拟仿真系统可以为课程教学改革提供创新平台。
1 课程教学问题
《钢铁冶金学》课程是一门理论性和实践性较强的课程，在讲授基础知识的同时，又需要提升学生解决生产实践问题能力。现有的教学存在一些问题亟待解决。
①课程教学过程中针对性不够清晰。教学目标想兼顾理论知识提升和实践能力提升，但在实际的教学过程中力不从心，使得理论知识和实践能力培养都不尽如人意。
②理论与实际相结合不够完善。《钢铁冶金学》这门课程具有较强的工程背景，但在教学中受到教学大纲和课程安排的制约，学生们的自主研究性学习和训练环节缺乏，使得毕业学生无法适应企业和社会的要求。
③期末考试采用传统的闭卷笔试考试。这种考核方式能够对学生的知识掌握情况做出评价，但是对于培养学生的实践能力、创新能力这一目标还存在一定的差距。除此以外，期末考试时间过于集中，不利于调动学生平时的学习积极性，学生整个学期的学习效果无法仅用一次考试成绩来准确的衡量，且无法对学生的学习进度进行实时监控[1]。
2 钢铁生产虚拟仿真系统简介
钢铁生产虚拟仿真系统是利用3D动画和虚拟现实技术对钢铁生产的主要设备、工艺流程和自动化控制操作系统进行仿真和模拟[2]。该系统实现了冶金行业生产工艺操作的实时仿真，学生在虚拟环境中开展实训，能够完整的、按工艺操作规程进行，时间上与现场达到1：1的匹配，具有完善的操作评价体系及自动打分功能；现场三维漫游，让学生以第一人称视角，多角度、全方位的在虚拟场景中行走，实现真实实验不具备或难以完成的教学功能。
钢铁生产虚拟仿真系统包括：炼铁仿真系统和炼钢仿真系统。炼铁仿真系统模拟2580m3高炉，通过三维模型展示高炉内部结构，同时在线呈现三维炼铁生产过程，该系统可进行槽下配料操作、炉顶布料操作、高炉本体操作、热风炉操作、高炉炉前操作和喷煤操作。学生通过该系统可熟练掌握高炉炼铁的整个冶炼过程，对高炉现场的正常和异常工况进行判断，软件配备的考核系统可满足学生进行虚拟练习的要求。炼铁仿真系统的组成如图1所示。
炼钢仿真系统是利用三维动画技术完成针对炼钢完整工艺流程：铁水预处理、转炉炼钢、LF精炼、板坯连铸完整工艺流程的设备和场景的制作；仿真制作了全工艺流程的自动化二级监控系统和操控硬件设备（仿真现场操作台）；采用虚拟现实技术将生产现场的自动化操控系统进行仿真，通过网络通讯实现与虚拟场景和设备的完成互动；在物理模型、工艺模型驱动下实现符合真实炼钢工艺过程训练。炼钢仿真系统主要进行铁水预处理操作、转炉操作、LF精炼操作和连铸操作。系统组成如图2所示。
3 课程教学改革
从仿真实验、教学方法和教学手段改革、学生成绩考核方法改进等方面进行了基于虚拟仿真系统的创新性教学研究。
3.1 建设仿真实验和实训教材
建设教学内容配套的仿真实验，加强利用虚拟仿真系统的冶金工程专业基础课教材建设。
例如，高炉炼铁过程槽下配料操作中配料计算模块主要是对高炉用料的一个理论计算；根据所用原料、燃料及辅原料的种类和配比，计算出焦批（t）、焦比（kg）、理论渣比、碱度R2、碱度R4、（CaO）%、（MgO）%、（Al2O3）%、综合焦比、燃料比、S负荷、Mn、入炉品位及理论出铁量。按照原料状况及时进行变料计算，可以顺应高炉的变化趋势，达到高炉增产节能的目的。又如，槽下炉顶仿真实验。学习目标：能够完成原燃料准备、称量工作，具备炉顶上料操作能力；教学内容：上料操作、炉顶装料操作；教学重点与难点：设备种类、装料制度进行装料操作。
装料制度决定着炉料在高炉内的分布状况，直接影响高炉上部煤气流的分布，对高炉操作和炉况都有很大的影响[3]。并罐式无钟炉顶布料装置如图3所示，整个上料系统侧视图如图4所示。通过该实验学生掌握炉顶的主要布料设备、布料方式、皮带上料工艺流程以及能够编制特殊炉况的装料方案。
在“转炉炼钢仿真实训”学习过程中，学生在理解转炉炼钢主要原理及具体操作流程后，在熟悉冶炼Q235钢的基础上，指导教师可分配不同钢种冶炼任务，由学生自己计算吹氧量，加入造渣剂、脱氧剂量，合金的加入量等，学生分别通过虚拟界面以及控制界面的配合，冶炼出成分温度合格的钢水，指导教师根据钢水成分、温度、终渣成分等因素对操作进行打分[4]。从而培养学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力和创新能力，还有利于学生进行现代冶金生产操作训练，弥补学生以往到生产现场不能进行生产操作训练和冶金工艺实验的遗憾，缩短了上岗周期，有利于培养学生的工程能力和提升就业[5]。
建设仿真实训教材方面，已编写《钢铁冶金工程实训》和《有色冶金工程实训》，获得青海大学2015年度教材建设基金资助。教材罗列了仿真实训篇，包括炼铁仿真实验、炼钢仿真实验、电解铝生产过程仿真实验等。学生通过仿真操作，可以实现对高温冶金过程的学校了解，进而掌握高温过程钢铁和有色金属冶炼和材料制备的相关原理和技术，配合实际教学过程，更好地培养学生的工程能力和科研素质，达到人才培养目标[6]。
3.2 基于虚拟仿真系统的教学方法、教学手段改革
虚拟仿真系统可以用于课堂演示、学生实验，也可以用于学生课后作业、复习、自学等方面，它可以丰富教学手段、改进教学方法、拓展知识技能。
①钢铁冶金学课程教学环节设计如图5所示。在理论讲解钢铁冶金工艺流程及炼铁、炼钢各环节的工艺制度及操作过程中，可利用虚拟仿真实验室三维教案平台系统和三维动漫进行虚拟仿真演示，如整个钢铁工艺流程；在讲授高炉炼铁原料时可给学生演示上料系统、布料状态下炉顶、旋转布料器的4种布料法；在讲授高炉炼铁设备时可演示高炉内衬、热风炉工作原理等，从而使学生更容易理解钢铁工艺流程和生产设备。
在教学计划安排上，根据课堂教学内容插入仿真实验，让每个学生在机房动手操作，通过动口、动手，亲身参与课堂实验，教师积极引导，耐心帮助，与学生共同研究和探索，充分发挥教师的主导作用，使学生真正成为课堂的主人。例如，炉前出铁仿真实验，以高炉炉前操作为任务载体，结合渣、铁口构造，出铁场平台，学习高炉炉前正常工艺及特殊情况的炉前操作。整个炉前系统包括出铁场、出铁口、泥炮、开铁口机、主沟加盖机、渣铁分离器、鱼雷罐、摆动流嘴等[7]。炉前控制界面和虚拟界面分别如图6（a）、（b）所示。通过炉前实验，学生学会出铁和出渣操作，保证高炉冶炼顺利进行。
②采用“教师授课+仿真演示+仿真操作”相结合的教学手段。在传统教学中，学生习惯教师“灌”学生“受”的教法，学生从入学接受教育起，一直接受“灌注”、“填鸭”式的教学。容易导致学生学习情趣不浓、学习不认真，动手能力和应用知识的能力低下，更是严重缺乏创新精神[8]。通过虚拟虚拟仿真系统演示和学生实际操作，可以提高学生的积极性和主动性。在课堂的教学中可采用教师授课+仿真演示+仿真操作相结合的教学模式，保证教学过程的最优化。
3.3 考核方式的改革
該课题对冶金工程2012级学生“钢铁冶金学”课程考核方法进行了较大改革：实行“平时+实践过程考核+期末理论考试”的考试模式，考核方式采用过程考核与期末考试相结合的方式，课程具体考核如下所示：
①平时成绩。平时成绩权重30%，其中包括课堂交流的表现分和平时作业分、实验作业完成情况、课堂出勤等。
②实践过程考核。实践过程考核成绩权重20%，在虚拟仿真实验室完成。每个班分成若干小组，每个小组由2人组成，实践过程考核成绩根据平时实训完成情况和实训报告评定，实训成绩全部为过程考核。每个实训项目按给出的标准打分，再把每个项目成绩累加求平均值就是实践过程考核成绩。《钢铁冶金学》这门课有6个实训项目（如表1所示），实训项目实践过程成绩就是6个项目成绩的平均分。
③期末理论考核。期末理论考核成绩权重50%。卷面分仍为100分，具体的期末理论考试内容依据课程目标而定，要求能够覆盖课程要求的知识点，且难度适中，努力培养学生分析和解决问题的能力。
这样的考核方式能够让学生积极地参与到课堂学习活动当中，更深入地理解和掌握理论知识，课程实践环节通过将课堂上所学知识实际应用到具体的案例中，让学生真切体会到问题解决的全过程，从而真正掌握所学知识。同时，在实践过程考核环节也培养了同学之间的团队合作意识。
4 虚拟仿真系统应用效果
将虚拟仿真系统应用到冶金工程2012级学生钢铁冶金学教学中，通过一学期的教学实践，对其应用效果和课程教学质量进行问卷调查，调查项目主要有注意引发学习兴趣、注意培养学生分析解决问题的能力、有助于学生理解和掌握课程知识、鼓励学生自主学习及学习效果等方面。调查结果如图7所示。
结果表明，基于虚拟仿真系统的课堂教学改革有利于学生实践技能掌握，教学效果比过去有了明显的改善。
5 结束语
钢铁生产过程具有“高危险、高消耗、高污染”（三高）的特点，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，而虚拟仿真系统的引入，则可对学生进行全面、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，并且在丰富实验教学内容的同时，消除了实验的危险性，显著增加了学生动手操作的机会[5]。该系统为钢铁冶金学课程教学提供了一种新的教学工具和教学手段，通过本课程的教学改革辐射其他同类专业课程，如《连铸连轧技术》、《铁水预处理与钢水炉外精炼》、《轻金属冶金学》等，并对此类课程的改革起到一定的推动作用。基于虚拟仿真系统的教学实践表明，应用虚拟仿真系统教学能充分调动学生的学习积极性，深受学生欢迎，教学效果良好。
参考文献：
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