虛擬仿真技術在“熱工基礎及設備”課程教學中的應用

高增麗

(山東理工大學 材料科學與工程學院，山東 淄博 255049)

虛擬仿真技術是信息化發展的產物，它集聲音、實驗、圖畫一體，打破時間和空間的限制，是借助計算機生成虛擬系統來模仿另一個真實物理系統的技術，該技術具有沉浸性、直觀性、虛幻性等基本特性[1]。根據所依賴的硬件條件，虛擬仿真技術又可分為 PC 端虛擬仿真技術和具有可穿戴設備的虛擬現實( VR)[2-3]技術。虛擬仿真技術通過對數據實現可視化和多維表達、智能化分析模型、真實模擬環境特性、提供多種交互，手段已日臻完善，并在不同領域得到了不同程度的應用，同時其作為現代信息化教育手段，在教學中起到了非常重要的作用。

1 “熱工基礎及設備”建立虛擬仿真平臺的必要性

1.1 虛擬仿真平臺對于課程教學的必要性

“熱工基礎及設備”是一門實踐性很強的專業基礎課程，教學內容體系包括經典基礎理論以及基礎理論的應用熱工設備兩大知識板塊，所選教材沒有直觀的的熱工設備相關內容，因此，“熱工基礎及設備”的課程教學一直是側重基礎理論的教學，而關于熱工設備因為教材中沒有相關內容，一直處于被忽略的境地，但是對于知識的學習最終是為了“學以致用”，教材中熱工設備內容的缺失，使得學生無法利用所學的理論知識解決實際問題，僅僅是為了應對考試，這與培養應用型的人才的初衷是違背的。鑒于高效教育經費的緊張，高校沒有經費購置相應的設備用于學生教學，而針對山東理工大學的材料學院的材料科學與工程專業的專業基礎課程-“熱工基礎及設備”，更不可能購置課程中涉及的熱工設備，因為該課程的熱工設備大多是大型的工業爐窯，諸如煉鐵高爐、煉鋼轉爐、水泥回轉窯、陶瓷耐火材料隧道窯、浮法玻璃窯等，基礎理論在這些燒成設備的應用對于走上工作崗位的學生經常面對的問題，必須采用必要的信息化教學手段克服實際教學中存在的困難，讓學生掌握熱工設備的相關知識，虛擬仿真是一種直觀有效的教學手段。

1.2 虛擬仿真平臺對于學生認知、生產實習的必要性

在山東理工大學材料科學與工程學院的本科生培養方案中，本科生的認知、生產實習是必要環節，而學生進行認知、生產實習中在現場見到的也多數是熱工窯爐。由于參加實習的人數眾多，加長生產的噪音，學生幾乎聽不到技術人員的講解，再者由于現場存在高溫設備，危險性高，在現場實習的時間短，對于多數學生來說，實習成了一種“走過場”，想學卻學不到東西。在現場走一圈，所見到的也只是熱工設備的外部大體框架，至于內部的具體結構、空氣是如何流入、燃料如何與空氣混合燃燒、煙氣如何流動、大量煙氣余熱如何回收利用等重要的知識學生無法從現場的實習中獲得。因此，利用虛擬仿真手段，剖開熱工設備的內部結構，采用直觀動畫形式生動再現工業爐內部結構、氣體流動、余熱回收過程，是一種直觀有效的手段。通過虛擬仿真平臺，學生在實習前可以了解各種工藝過程，然后在實習過程中將實物與虛擬仿真平臺的內容對應起來，從而可以深刻了解各種熱工設備的結構及工作原理。

2 熱工基礎及設備課程教學虛擬仿真平臺的建設內容

“熱工基礎及設備”課程中所設涉及的材料學院材料科學與工程專業的熱工窯爐，主要包括金屬方向的煉鐵高爐、煉鋼轉爐以及非金屬方向的現代水泥回轉窯、陶瓷耐火材料燒成隧道窯、浮法玻璃窯。

利用現代虛擬仿真技術，將煉鐵高爐的內部結構剖開，以動畫的形式模擬煉鐵過程中煉鐵原料從頂部進入高爐，煤粉與高溫空氣進入高爐并開始燃燒放熱提供煉鐵過程煉鐵過程所學的熱量，煉鐵過程中的高爐煤氣流出高爐，進行余熱回收后進行下一步處理利用，生動向學生講解高爐煉鐵工藝。煉鋼的工藝同煉鐵不同，煉鋼的是去雜質、除碳的過程，熱工設備采用的是轉爐。除了采用虛擬仿真的形式講解煉鐵、煉鋼工藝外，金屬的鑄造成型也是金屬方向課程的重要內容，具體的澆注過程采用動畫的形式呈現出來。

對于材料學院無機非金屬方向的學生，硅酸鹽工業產品的燒成工藝是重要的內容，現代水泥生產的完整工藝設備包括與分解窯、回轉窯、懸浮預熱器、篦式冷卻機，通過虛擬仿真手段向學生講解回轉窯輸運、燒成原理、懸浮預熱器的熱回收與除塵原理。陶瓷與耐火材料的燒成設備都采用隧道窯，窯內物料的碼放原理，氣體在窯內的流動加熱，煙氣對物料的余熱都可以通過虛擬仿真的形式呈現出來。浮法玻璃生產工藝是硅酸鹽窯爐中自動化程度較高的熱工設備，其獨特的高溫煙氣的熱風爐余熱回收過程可以通過虛擬仿真再現出來。

3 結語

虛擬仿真技術應用在熱工基礎及設備的課程教學中，解決了本門課由于教材中熱工設備內容的缺失所帶來的對熱工設備內容講解長期忽略的問題，采用虛擬仿真的形式呈現熱工設備的內部結構，余熱回收的原理與過程，既可以激發學生的學習興趣，又能增強對理論知識的理解運用能力。