鋼鐵生產全流程虛擬仿真實踐教學平臺的建設與應用

呂慶功,牟仁玲,許文婧,劉 立,趙志毅,李京社

(北京科技大學 高等工程師學院，北京 100083)

0 引 言

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內容，是創新教學理念、改善教學方式和提高人才培養質量的有效手段[1-4]。虛擬仿真實驗教學中心的建設任務是實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，宗旨是全面提升高校學生創新和實踐能力，核心是共享優質實驗教學資源，重點是建設信息化實驗教學資源[5]。我校依托鋼鐵行業背景和優勢學科資源，按照“校內資源整合、校企協同建設、資源開放共享”的原則，于2013年開始籌建鋼鐵生產全流程虛擬仿真實踐教學平臺(簡稱“虛擬平臺”)，2014年6月投入試運行，2015年10月完成項目驗收，2016年1月被教育部評為“國家級虛擬仿真實驗教學中心”。本文以該虛擬平臺的建設與應用為例，討論虛擬平臺的建設策略、教學環境建設、教學體系構建以及實踐教學應用，促進基于虛擬仿真的工程實踐教學模式創新與改革。

1 虛擬平臺的建設策略

1.1 突出行業特色和學科優勢，產學研協同共建共享資源

教育部《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》(教高司函〔2013〕94號)指出，虛擬仿真實驗教學中心建設要發揮學校學科專業優勢，積極利用企業的開發實力和支持服務能力，充分整合學校信息化實驗教學資源。我校是原冶金部部屬院校，具有鮮明的行業背景特色，在采礦、冶金、材料等學科領域優勢突出，在能源、機械、自動化等學科領域也有較雄厚的實力,故本虛擬平臺建設以鋼鐵行業為背景，以鋼鐵全流程典型生產線為載體和單元開發虛擬仿真實踐教學系統。

同時，虛擬平臺應充分發揮各相關單位和人員的特長，建立合作共贏長效機制。虛擬平臺專職團隊負責實驗室建設、教學管理、教學資源開發與管理等工作；校內科研團隊和專業教師以項目為依托開發、優化和更新仿真模型，同時基于虛擬平臺開展教學和研究工作；企業基地和國家級工程實踐教育中心為虛擬平臺提供生產線原型、生產數據和經驗模型，同時基于虛擬平臺開展員工培訓和技術研究；專業技術公司則以項目為依托完成軟硬件系統集成、虛擬仿真軟件開發、多媒體制作等工作，同時基于虛擬平臺進行員工培訓以及產品的研發、展示和推廣等工作。

1.2 虛擬仿真與專業技術融合，集中呈現構建多學科平臺

虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，是學科專業與信息技術深度融合的產物，也是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容[6-8]。虛擬平臺針對鋼鐵生產“礦-冶-鑄-軋”全流程典型工藝，充分利用虛擬仿真技術，集成采礦、冶金、材料、機械、能源、自動化等多學科教學資源，構建由虛擬場景、組態軟件、虛擬PLC、工藝仿真模型和模擬培訓操作臺組成的虛擬仿真實踐教學環境，高度仿真企業現場的生產條件，使學生在教室就能夠體驗企業實踐。

虛擬平臺采用教學資源集中建設模式，把各個單位、各個學科方向的教學資源和素材集成建設在一個教學空間，由專職團隊進行專業化管理，構建多學科交叉的實踐教學平臺。基于跨專業的綜合資源和評價系統，有利于培養學生對現代復雜流程工業的綜合認知和分析能力。通過模型開發、參數優化、工藝調整等仿真模擬，可以培養學生的分析和解決復雜工程問題的能力。基于虛擬平臺，學生不僅在本專業知識領域得到學習和鍛煉，而且可以學習相關專業接口知識、上下游工序關聯知識以及能源、環境、安全等相關專業知識，從而鍛煉多學科交叉綜合應用能力。

1.3 分層次設置實踐教學功能，構建體系支撐培養方案實施

高等教育實踐教學具有分層遞進的特點[9-11]，這也符合學生循序漸進提高知識水平和實踐能力的基本規律。虛擬平臺建設要充分考慮培養方案和實踐課程體系要求，按照“認知-應用-設計-創新”的遞進關系分層次設置認知學習、實踐操作、設計教學和實踐創新等功能，并設置考核鑒定和教學資源管理等輔助功能。

虛擬平臺應依據學校的實踐教學體系、工程教育培養方案和課程體系要求構建虛擬仿真實踐教學體系，以便切實支撐工程實踐教學、提高實踐教學質量，進而實現教學資源的高效利用和虛擬仿真教學的可持續發展。基于虛擬平臺的虛擬仿真實踐教學體系是學校實踐教學體系的重要組成部分，既要符合學校實踐教學體系的基本要求，又能自成體系，自動自發地發展和完善。

1.4 能力為導向優化教學內容，學生為主體創新教學方法

在我國本科工程教學體系中，存在重知識學習、輕能力培養的現象，主要特征是側重學科基礎知識的傳授，而學生工程實踐訓練不足,實踐教學的目標仍然以驗證理論知識和掌握實驗實訓技能為主，而對責任感、表達能力、創新能力和協作精神沒有硬性要求[12]。虛擬平臺則充分利用了虛擬仿真技術優勢,以鋼鐵生產全流程為對象和載體,在教學資源開發和建設上包含了采礦、冶金、材料、能源、機械、自動化等主體專業內容，以及環保、安全等要素。同時在教學內容方面還考慮素材多樣、實踐互動、團隊協作和量化考核等屬性，從而促進實踐和創新能力的培養。

研究型大學的實踐教學應以教師為主導、學生為主體，學生真正作為主體參與實踐活動的全過程[13-14]。虛擬平臺基于開放的教學資源和功能,提倡教師開展以學生為中心、以成果為導向的實踐教學方法改革和創新，鼓勵教師基于問題、案例和項目開展實踐教學，倡導學生在教師指導下通過獨立思考、主動實踐、方案設計、項目實施、分析歸納等方式進行學習，提高實踐能力，培養創新精神。

2 虛擬仿真實踐教學環境建設

虛擬平臺以鋼鐵生產全流程典型系統為對象和載體，將虛擬仿真技術與采礦、冶金、材料、機械、能源、自動化等專業技術相結合，以軟件、動畫、視頻等方式構建和展示工藝原理、生產過程、設備結構和自動控制等方面的實踐教學內容，形成了由工業組態軟件、虛擬PLC、工藝仿真模型、教學設備和局域網系統組成的高度仿真企業生產的實踐教學環境。

2.1 硬件系統

虛擬平臺有2個虛擬仿真實驗室(見圖1)，教學面積400 m2，仿真操作臺58套，虛擬仿真實踐工位116個，服務器4臺，大型屏幕顯示系統2套，系統功能配置如圖2所示。

圖1 虛擬平臺2個虛擬仿真實驗室

圖2 系統功能圖

服務器主要承擔各仿真單元的數據處理、功能仿真運算，并完成教學資源Web發布任務。教學機包括仿真實訓教學機和虛擬場景教學機，仿真實訓教學機承擔仿真平臺切換、教學課程設計及控制、設備規格變更、工藝參數設定、仿真操作教學功能，并承擔多媒體網絡教學管理職能，虛擬場景教學機承擔監控虛擬生產工況職能，承擔多媒體投放系統切換控制職能，同時還承擔教師對各學生機生產工況瀏覽職能。每個仿真操作臺配備1臺仿真實訓操作機和1臺虛擬場景操作機,仿真實訓操作機承擔工藝參數設定和仿真操作訓練功能，虛擬場景操作機則承擔虛擬仿真生產場景的顯示和監控功能。

為了盡量接近生產現場的場景效果，操作臺按照生產現場操作臺的材質、顏色和尺寸等要求進行制作，每個操作臺配置了1個觸摸屏用于模擬操作按鈕，同時操作臺上醒目位置還保留了1個實物急停按鈕。仿真操作臺布置見圖3。

圖3 仿真操作臺

2.2 軟件系統

虛擬平臺的教學軟件系統是基于C/S架構在工業組態軟件和虛擬PLC環境下進行開發的，其控制邏輯和操作界面與實際生產線的自動化控制系統非常相似，控制對象則由工藝、設備和生產過程仿真模型替代實物對象系統。其中，仿真模型是生產原型、生產數據、生產經驗、專業理論知識、數學建模與虛擬仿真技術等有機集成的產物，是虛擬仿真實踐教學系統開發成功與否的核心和關鍵。

采礦、燒結、高爐煉鐵、轉爐煉鋼、LF精煉、板坯連鑄、方坯連鑄、中厚板軋制、帶鋼熱軋、帶鋼冷軋、高速線材軋制等虛擬仿真實踐教學系統，在教學功能上設置有認知學習、實踐操作、設計教學、創新實踐、考核鑒定和教學資源管理等，教學素材形式包括專業設計軟件、虛擬仿真操控軟件、動畫、視頻等。基于這些系統，學生可以自主進行瀏覽式學習，也可以進行交互體驗式學習，通過改變工藝參數和操作過程，觀察參數和操作對生產的影響，從而深入理解工藝原理和實際生產過程，還可以深入開展設計和創新研究，并對設計和研究的系統和模型進行檢驗和評價，使其創新性成果更具有實效性。圖4以轉爐煉鋼系統為例展示虛擬場景及仿真操控界面。

另外，自動化虛擬仿真實踐教學系統針對鋼鐵生產全流程9個典型控制環節構建了由控制單元、對象模型和虛擬場景等組成的自動化系統設計、模型開發、編程和運行調試環境。其中，高爐布料系統可實現模式識別特征檢測與自適應控制，轉爐氧槍定位調速控制系統可實現快速精確位置控制，連鑄機結晶器液位控制系統可實現引錠桿速度與中間包水口的多變量控制，熱連軋精軋速度控制系統可實現多機架電動機速度協調控制，熱連軋電動飛剪控制系統可實現雙軸運動系統的控制，熱連軋液壓活套高度及張力系統可實現多變量和液壓伺服控制，熱連軋層流冷卻控制系統可實現開關邏輯與前饋控制，冷連軋卷取張力控制系統可實現間接張力系統的閉環控制，板形板厚控制系統可實現多變量系統的解耦控制。該系統為自動化專業學生提供了專業認知和專業實踐的平臺，也為非自動化專業學生提供認知學習自動化系統的平臺。

圖4 轉爐煉鋼虛擬場景及虛擬仿真控制界面

3 虛擬仿真實踐教學體系構建

實踐教學體系是由目標、課程、教師、學生、評價等要素構成的有機聯系的整體,包括實踐教學的目標體系、內容體系、保障體系和評價體系。虛擬仿真實踐教學體系是學校實踐教學體系的重要組成部分，在建設和應用過程中必須按照實踐教學目標、內容和形式的要求進行資源開發、功能配置和教學設計。為保障虛擬仿真實踐教學的可持續發展，虛擬平臺按照“教學資源特色化、教學目標層次化、教學內容系統化、教學方式多元化”的基本原則，構建了“1個流程、4個層次、6個要素、8個結合”的虛擬仿真實踐教學體系。

3.1 1個流程

鋼鐵企業的制造流程是一類開放的、遠離平衡的、不可逆的復雜過程系統，具有諸多功能不同的組成單元、復雜的結構和復雜的運行行為，其動態運行過程具有多層次性(原子和分子、場域及裝置、區段過程、整體流程)、多尺度性、有序性和混沌性(功能、時間、空間等方面)、連接-匹配(靜態)、緩沖-協調(動態)等方面的含義[15]。虛擬平臺以鋼鐵生產全流程為仿真對象和載體，不僅有利于發揮學校的行業背景和學科特色優勢，而且有利于培養學生認知、分析和解決復雜工程問題的能力，同時也為虛擬平臺的資源建設和教學應用提供了基本框架和方向。

3.2 4個層次

工程實踐教學的目標和內容是有層次性的，虛擬平臺作為工程實踐教學的支撐條件，在資源建設方面也需要有層次性，同時在教學應用方面要與培養方案中的各個實踐教學環節緊密銜接。虛擬平臺按照認知、應用、設計和創新4個學習層次進行資源開發和建設，在每套虛擬仿真實踐教學系統中設置了認知學習、操作實踐、設計教學和實踐創新等功能模塊。其中，認知學習功能可支撐認識實習環節，使學生深入了解生產工藝原理、生產過程、設備結構等；操作實踐功能可支撐生產實習環節，使學生親身體驗工藝計算、參數設定和生產操控等，在應用專業知識的同時進一步加深理解；設計教學功能可支撐工程設計和畢業設計環節，學生可虛擬進行生產流程設計、設備選型設計、設備及工藝參數優化設計、工藝平面布置設計等工程設計訓練，為順利開展設計項目打好基礎；創新實踐功能可支撐畢業設計和初步課題研究，學生通過模型開發和參數優化深入認識和探索工藝過程與結果的相關性，深挖創新研發潛力，達到能力拓展的目標。

3.3 6個要素

工藝、設備、自動化、能源、環境、安全等是虛擬平臺教學資源開發和教學實踐中著重關注和體現的6個基本要素。其中，工藝是指從原料到成品的過程和方法的總稱，在鋼鐵生產全流程中對應的專業包括采礦、冶金和材料；設備是鋼鐵生產過程的執行機構，對應的專業是機械工程；自動化是指鋼鐵生產過程的自動控制過程和系統，相當于人類的神經系統和大腦，對應的專業就是自動化；能源對應的專業是能源與動力工程，在鋼鐵生產過程中主要體現為能量傳遞、能源保障供應和能源管理等；環境則關乎鋼鐵生產過程的資源利用和廢物排放，關乎自然資源、自然環境和人類生命福祉，對應的專業是環境工程；安全則是直接關系到鋼鐵生產過程中的人身和財產安全，是工程設計和生產管理中必須關注的因素，對應的專業是安全工程。

上述6個要素涉及我校8個優勢學科專業，體現了現代復雜生產流程的技術要件和特征，非常具有代表性。虛擬平臺在教學資源開發過程中要關注上述6個要素，以確保教學資源的系統性、完整性和科學性。在教學過程中，對于不同專業的學生也要不同側重的關注到上述6個要素，從而保證學生知識掌握的全面性、實用性和創新性，為培養解決復雜工程問題能力提供支撐。同時，學生在掌握上述6個要素的基礎上，還可以結合經濟、管理、物聯網、人工智能等知識進行技術綜合應用學習，構建更加復合的知識和能力結構。

3.4 8個結合

虛擬平臺的建設和應用其實也是資源優化配置的管理過程，基本宗旨就是要充分利用資源，提高教學效果，切實提高學生的實踐和創新能力。“8個結合”體現了教學資源開發、教學設計和師資隊伍建設3個方面的設想和要求，是保障虛擬仿真實踐教學順利實施的基本條件。

在教學資源開發方面:①自主開發與對外委托開發相結合。虛擬平臺可以自主開發一些比較簡單的教學資源，比如PPT、視頻、微課等，也可以采用競賽征集的方式發動學生和老師開發一些教學資源素材，還可以聯合學校現代教育技術中心開發視頻課件、生產視頻等資源。對于比較大型和復雜的教學系統，可以利用基本條件建設經費對外委托專業技術公司進行開發，也可以采購專業的商業軟件。②國內資源與國外資源相結合。虛擬平臺在建設教學資源的同時，還要注重國內外教學資源的共享和應用。我國現已有300個國家級虛擬仿真實驗教學中心，可以通過校際共享來拓寬教學資源范圍,尤其是鋼鐵生產相關的兄弟院校之間，更應建立資源共享機制。我校是冶金行業卓越校聯盟秘書處單位，也是北京市卓越聯盟成員單位，為虛擬平臺共享校外資源提供了便利條件。同時，北美國際鋼鐵大學開發的網絡版鋼鐵生產仿真學習資源是全球免費開放的，也可以作為鋼鐵生產虛擬仿真學習的補充資源，而且可以通過參加基于該資源的國際鋼鐵大賽來加強資源應用效果和國際交流。

在教學設計方面:①虛擬仿真與企業實踐相結合。通過虛擬仿真學習可以全面掌握整個生產流程，學生可了解上下游工序之間的關系，掌握工藝流程中裝備組成與性能、生產過程、模型建立、參數匹配、工藝控制等，培養工程認知和應用能力；通過企業的實際生產過程實習，學生可了解大工業背景、企業文化、實際生產的復雜性、存在的問題等，培養學生發現問題、分析問題的能力；虛擬仿真實踐與企業實踐有機結合，既解決了以往實際現場只是參觀了解、無法深入掌握知識的難題，又不失大工業實踐的體驗，可大大提升工業實踐的效果和質量。②線下學習與線上學習結合。基于虛擬平臺，學生可以在實驗室進行線下學習，同時虛擬平臺建設了門戶網站和線上教學資源管理平臺，學生可以通過互聯網訪問網站進行隨時隨地的學習，打破了教室空間和上課時間的限制，從而實現線下學習和線上學習的結合。③講授教學與自主學習結合。基于虛擬平臺豐富而生動的教學資源，教師可以采用講授的方式進行教學，也可以嘗試采用以教師為主導、學生為主體的自主學習方式，為創新教學方法提供了更多可能性。④課上學習與課下學習相結合。網上教學資源管理平臺的建設為學生課下學習提供了便利條件，教師可充分利用虛擬平臺的教學環境和教學資源條件，嘗試采用基于問題、案例和項目的教學方法，積極進行翻轉課堂、CDIO等教學模式改革。

在師資隊伍方面:①專職教師與兼職教師結合。虛擬平臺教學資源涉及的教學內容非常寬泛，專業跨度又比較大，而教學計劃中的實踐教學學時是有限的，所以全部配置專職教師來完成虛擬仿真實踐教學既不經濟也不現實，采用專兼職結合的方式更具有合理性和可行性；專職教師負責虛擬平臺的教學運行管理、教學資源開發和教學軟件培訓，并承擔部分課程講授和實踐指導工作，兼職教師則主要負責課程講授和實踐指導工作，通過專兼職結合覆蓋教學計劃要求的實踐教學任務。②校內教師與企業教師結合。校內教師大多沒有企業工作經驗，對生產現場也不熟悉，所以在虛擬仿真實踐教學能力方面有所欠缺；請企業有經驗的工程師參與到虛擬仿真實踐教學，不僅可以提高實踐教學效果，還可以對校內教師起到培訓作用，進而從整體上提高實踐教師隊伍的實踐教學水平。

4 虛擬仿真實踐教學應用

虛擬平臺緊密結合工科試驗班6個專業以及校內各學院相關專業的實踐教學環節開展虛擬仿真實踐教學，同時為課題研究、專業課程、通識課程和科普教育提供支撐，還承擔了外國專家課支撐、專業認證支撐、教學交流和接待來訪等任務。

4.1 認識實習與生產實習

為冶金工程、材料科學與工程、能源與動力工程、機械工程、自動化、安全工程、環境工程等專業的學生開展“虛擬仿真+企業實踐”的虛實結合認識實習和生產實習。2015～2017年為2 000多名學生開展了30 000多人時的虛擬仿真實踐學習，相應編寫了虛擬仿真認識實習大綱和虛擬仿真生產實習大綱，同時開設了虛擬仿真實踐課程“工程實踐ⅠA”，已列入工科試驗班教學計劃的實踐類課程。

4.2 課題研究、專業課程、通識課程和科普教育

虛擬平臺與冶金新技術國家重點實驗室、高效軋制國家工程研究中心、國家板帶生產先進裝備工程技術研究中心等保持著密切的合作與交流，開展了大量的模型開發和技術研討工作。為高等工程師學院、材料科學與工程學院、能源與環境工程學院等開設了專業選修課程“鋼鐵生產虛擬仿真實踐A”和“鋼鐵生產虛擬仿真實踐B”，同時為鋼鐵冶金學、材料成形設備與車間設計等專業課程的實踐環節提供支撐。另外，虛擬平臺還為外國語學院MTI研究生開設了鋼鐵生產通識課程，為科大附小、育英學校、北京八中等中小學學生開展了“鋼鐵是怎樣煉成的”科普教育活動。

4.3 外國專家課、專業認證、教學交流和接待來訪

虛擬平臺支撐了外國專家課程國際工程溝通、材料導論和材料與環境等，支撐了采礦工程、冶金工程、材料科學與工程、機械工程、自動化、測控技術與儀器、安全工程、環境工程等專業的工程專業建設與認證，同時為冶金行業卓越工程師培養聯盟開展了工程營活動，為北京市卓越工程師教育培養計劃高校聯盟開設了實踐類共享課程“鋼鐵生產虛擬仿真認知實踐”，接待國內外高校和企事業單位來訪30余起。

5 結 語

虛擬仿真實踐教學體現了學科融合和新工科教學的特點，有利于學生解決復雜工程問題能力的培養。虛擬平臺建設策略的總結和基于虛擬平臺構建的“1個流程、4個層次、6個要素、8個結合”虛擬仿真實踐教學體系對于虛擬平臺的建設、應用和可持續發展具有重要的實用價值和指導意義，也可為虛擬仿真實踐教學模式改革提供參考。虛擬平臺將在教學實踐中進一步優化和完善教學資源、教學方法和師資隊伍，努力將虛擬仿真教學更好地應用到實踐教學環節，為提升實踐教學質量、促進培養目標達成發揮積極作用。