冶金工程專業(yè)融入虛擬仿真的生產(chǎn)實(shí)習(xí)新模式探索

（安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院 安徽·馬鞍山 243002）

0 引言

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是冶金工程專業(yè)本科教學(xué)計(jì)劃中重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是在符合培養(yǎng)目標(biāo)的前提下設(shè)置的教學(xué)計(jì)劃，能起到完善理論教學(xué)的作用。通過(guò)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，不僅有助于學(xué)生鞏固、擴(kuò)大和加深所學(xué)理論知識(shí)的程度，獲得組織和管理生產(chǎn)的初步知識(shí)，在畢業(yè)前從應(yīng)用層面掌握冶金產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，還可以檢查專業(yè)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，對(duì)推進(jìn)教學(xué)改革和拓寬教師業(yè)務(wù)能力具有積極作用。近年來(lái)，在科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的外部環(huán)境下，國(guó)家大力推進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展和“中國(guó)制造2025”等一系列戰(zhàn)略，各界已達(dá)成了“新工科”建設(shè)共識(shí)，這為冶金工程等傳統(tǒng)工科的發(fā)展提供了新機(jī)遇，也對(duì)學(xué)科建設(shè)與人才培養(yǎng)提出了新要求。為提高冶金工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)質(zhì)量和達(dá)到培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的卓越冶金人才的目的，需要分析目前冶金工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并按照“新工科”建設(shè)目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)模式改革。

1 冶金工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程教學(xué)中的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)相關(guān)冶金類院校和承擔(dān)生產(chǎn)實(shí)習(xí)任務(wù)的企業(yè)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前冶金工程專業(yè)本科生生產(chǎn)實(shí)習(xí)過(guò)程中存在一些影響教學(xué)效果和質(zhì)量的客觀因素。例如，近年來(lái)國(guó)營(yíng)、集體所有制企業(yè)經(jīng)營(yíng)模式轉(zhuǎn)變及高校擴(kuò)招，使得冶金工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)面臨實(shí)習(xí)基地發(fā)展規(guī)模和學(xué)生人數(shù)增長(zhǎng)不成比例，實(shí)習(xí)環(huán)境不能適應(yīng)實(shí)踐教學(xué)的要求，實(shí)習(xí)時(shí)間安排相對(duì)集中、實(shí)習(xí)過(guò)程時(shí)間較短，實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師及學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)踐能力欠缺，實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)短缺等諸多困難。此外，鑒于冶金行業(yè)的特殊性（如高溫、設(shè)備龐大等），實(shí)習(xí)企業(yè)考慮到安全生產(chǎn)、技術(shù)保密等因素，僅安排學(xué)生在實(shí)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單觀摩而非實(shí)際操作，并不能很好地讓學(xué)生了解冶金設(shè)備的結(jié)構(gòu)及具體冶煉生產(chǎn)流程。以安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程專業(yè)為例，本學(xué)年共147名本科生參與生產(chǎn)實(shí)習(xí)，包括普通本科班共130人和卓越工程師班17人，由10位實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師帶隊(duì)采用分組輪流的模式安排在中國(guó)寶武馬鋼集團(tuán)進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)。面對(duì)如此大規(guī)模的實(shí)習(xí)隊(duì)伍，馬鋼集團(tuán)只能在不影響正常生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)上，由技術(shù)人員對(duì)煉鐵、煉鋼和軋鋼等幾個(gè)典型的生產(chǎn)工藝講述后，安排學(xué)生簡(jiǎn)單參觀高爐、轉(zhuǎn)爐、連鑄等冶煉工藝現(xiàn)場(chǎng)。這種走馬觀花式的教學(xué)模式既嚴(yán)重影響了學(xué)生對(duì)待生產(chǎn)實(shí)習(xí)的積極性，又無(wú)法讓學(xué)生真正意義上掌握冶金產(chǎn)品冶煉過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。在為期4-5周的集中性生產(chǎn)實(shí)習(xí)之后，實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師根據(jù)出勤情況和撰寫的實(shí)習(xí)報(bào)告對(duì)學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)進(jìn)行考評(píng)，這種考核方式缺乏科學(xué)性和客觀公正性。總體來(lái)說(shuō)，本年度生產(chǎn)實(shí)習(xí)的整體教學(xué)效果不佳，遠(yuǎn)未達(dá)到教學(xué)目的，最終將造成學(xué)生在實(shí)踐能力培養(yǎng)中的缺失。

現(xiàn)階段冶金工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)現(xiàn)狀和面臨的困境一直是困擾冶金教學(xué)工作者的難題。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有的傳統(tǒng)、單一的實(shí)習(xí)模式進(jìn)行改革，探索其他形式的實(shí)習(xí)模式，打破空間、時(shí)間限制，為學(xué)生建立一個(gè)靈活的、通過(guò)自主學(xué)習(xí)獲得知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)方式。

2 探索虛擬仿真融入冶金工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)的新模式

2.1 冶金工程生產(chǎn)實(shí)習(xí)融入虛擬仿真的意義

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)眾多高校開(kāi)始建立與專業(yè)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)基地用于相關(guān)專業(yè)的教學(xué)和科研。建立冶金過(guò)程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)基地是通過(guò)將多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建典型的冶金生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)設(shè)備及布局等立體模型，從而創(chuàng)造一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，真實(shí)再現(xiàn)冶金生產(chǎn)車間環(huán)境和各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的情景，實(shí)現(xiàn)對(duì)冶金生產(chǎn)操作過(guò)程的模擬，例如儀器儀表的操作，設(shè)備開(kāi)停、運(yùn)行、事故處理等操作。

安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院自2013年起開(kāi)始冶金過(guò)程生產(chǎn)仿真實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的研究和論證，歷時(shí)5年完成了冶金過(guò)程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)基地的建設(shè)工作。目前，該基地?fù)碛刑摂M實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目22個(gè)、虛擬現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)線3條、與馬鋼集團(tuán)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互中心1個(gè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冶金全流程和配套設(shè)備的虛擬仿真，能同時(shí)容納150名師生開(kāi)展相關(guān)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。

利用學(xué)校建設(shè)的冶金過(guò)程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)基地打造校內(nèi)教學(xué)實(shí)習(xí)工廠，將虛擬仿真技術(shù)融入生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)活動(dòng)，可有效解決冶金工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)中遇到的困難和問(wèn)題。學(xué)生在進(jìn)入企業(yè)觀摩學(xué)習(xí)前先對(duì)一系列靈活、連貫的冶金產(chǎn)品冶煉過(guò)程進(jìn)行模擬，能緩解企業(yè)面對(duì)龐大實(shí)習(xí)隊(duì)伍長(zhǎng)時(shí)間集中性實(shí)習(xí)所帶來(lái)的壓力。在冶金過(guò)程虛擬實(shí)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生是虛擬體系的主體，實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師起監(jiān)控及輔助作用，以交互性實(shí)踐教學(xué)的方式激發(fā)學(xué)生對(duì)待生產(chǎn)實(shí)習(xí)的積極性。在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)冶金產(chǎn)品冶煉的操作過(guò)程，給學(xué)生在避免安全風(fēng)險(xiǎn)的前提下創(chuàng)造實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，有助于其掌握合格產(chǎn)品生產(chǎn)的操作要領(lǐng)。

2.2 融入虛擬仿真的“LSWD”生產(chǎn)實(shí)習(xí)新模式簡(jiǎn)介

為促進(jìn)生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)手段現(xiàn)代化，有效突破傳統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)模式的局限性，在安徽省級(jí)重點(diǎn)教改課題（2017jyxm0165）和安徽工業(yè)大學(xué)校級(jí)教改課題（2019jy13）項(xiàng)目資助下，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)以冶金行業(yè)典型產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程為對(duì)象，提出了一種“LSWD”生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)新模式。該模式的實(shí)施能彌補(bǔ)傳統(tǒng)企業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)學(xué)生無(wú)法親自動(dòng)手操作的不足，使學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)的冶金工藝路線、控制方式及常規(guī)故障處理等操作有了更深的理解和掌握，有助于將學(xué)生在課堂學(xué)到的理論知識(shí)提升至應(yīng)用層次。

第一部分，在虛擬仿真實(shí)習(xí)前，安排學(xué)生自主學(xué)習(xí)冶金行業(yè)的現(xiàn)狀和前景，以及冶金產(chǎn)品冶煉工藝和設(shè)備的特點(diǎn)。指導(dǎo)教師將冶金產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程分解為多個(gè)環(huán)節(jié)，如將鋼鐵的冶煉可分為鐵前、煉鐵、煉鋼（包含鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐煉鋼、爐外精煉、連鑄）等三個(gè)模塊，讓學(xué)生以觀看視頻的方式學(xué)習(xí)各環(huán)節(jié)冶金過(guò)程虛擬仿真系統(tǒng)操作方法。邀請(qǐng)具有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)技術(shù)人員講解工藝流程和原理、設(shè)備構(gòu)造和使用方法、以及其他相關(guān)擴(kuò)展理論知識(shí)。

第二部分，在虛擬仿真實(shí)習(xí)中，從生產(chǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互中心調(diào)取企業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，安排學(xué)生參照規(guī)范操作與實(shí)際冶金生產(chǎn)過(guò)程相同的虛擬仿真系統(tǒng)，利用虛擬的冶金設(shè)備對(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬生產(chǎn)。

第三部分，在虛擬仿真實(shí)習(xí)后，安排學(xué)生進(jìn)入企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)觀摩。安排學(xué)生進(jìn)入企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)觀摩。讓學(xué)生以在操作虛擬仿真系統(tǒng)時(shí)遇到的困惑為導(dǎo)向?qū)?shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察，鼓勵(lì)學(xué)生與技術(shù)人員交流解決困惑。

第四部分，將實(shí)習(xí)學(xué)生分為兩組，先以組內(nèi)討論的形式讓學(xué)生對(duì)冶金產(chǎn)生冶煉流程和冶金設(shè)備運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行討論，再以組間提問(wèn)的方式讓兩組學(xué)生之間答疑彼此實(shí)習(xí)時(shí)遇到的問(wèn)題，最后由指導(dǎo)教師和技術(shù)人員進(jìn)行歸納總結(jié)。

3 “LSWD”生產(chǎn)實(shí)習(xí)新模式實(shí)施步驟及要點(diǎn)

3.1 組織相關(guān)指導(dǎo)教師以“發(fā)揮專長(zhǎng)，各司其職”的模式學(xué)習(xí)并掌握冶金過(guò)程虛擬仿真系統(tǒng)

目前冶金過(guò)程虛擬仿真系統(tǒng)剛剛建成，需要給指導(dǎo)老師了解、練習(xí)和掌握的過(guò)程。我校建設(shè)的冶金過(guò)程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)基地中的冶金過(guò)程虛擬仿真系統(tǒng)為每一道冶金產(chǎn)品冶煉工序配備了相應(yīng)的“操作視頻”和“使用手冊(cè)”。指導(dǎo)老師需要先閱讀“使用手冊(cè)”對(duì)冶金過(guò)程虛擬仿真系統(tǒng)有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，了解系統(tǒng)操作的基本原理和注意事項(xiàng)，然后跟隨“操作視頻”對(duì)系統(tǒng)反復(fù)操作，做到靈活掌握。冶金工程專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)間長(zhǎng)涉及的工藝環(huán)節(jié)多，因此根據(jù)指導(dǎo)老師的研究方向或者是擅長(zhǎng)方向配備專門的“虛擬生產(chǎn)實(shí)習(xí)”指導(dǎo)教師。除此之外，還可以多與冶金兄弟院校學(xué)習(xí)交流，盡快的建立起一支合格、高校的冶金工程生產(chǎn)實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師隊(duì)伍。

3.2 組織實(shí)施“校內(nèi)虛擬生產(chǎn)實(shí)習(xí)”與“校外現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)”結(jié)合的“LSWD”生產(chǎn)實(shí)習(xí)新模式

以我校冶金工程專業(yè)鋼鐵冶金方向?qū)W生為例，該方向?qū)W生的實(shí)習(xí)由“煉鐵工藝”（2周）和“煉鋼工藝”（2周）兩塊組成。在生產(chǎn)實(shí)習(xí)的教學(xué)大綱中要求學(xué)生在企業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)對(duì)鐵前、煉鐵、煉鋼（從鐵水預(yù)處理到連鑄）等三個(gè)模塊進(jìn)行生產(chǎn)體驗(yàn)操作，但正如前文分析的實(shí)習(xí)承擔(dān)企業(yè)、學(xué)校和學(xué)生中存在的問(wèn)題，逐漸讓生產(chǎn)實(shí)習(xí)走向形式化，其本質(zhì)由生產(chǎn)逐漸變化為參觀。基于此，對(duì)目前生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程的教學(xué)大綱進(jìn)行修改、完善和優(yōu)化，將“煉鐵工藝”和“煉鋼工藝”各2周的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)壓縮為各1周，在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)前添加為期2周的虛擬仿真生產(chǎn)實(shí)習(xí)，保持總實(shí)習(xí)時(shí)間不變。上述步驟可以讓學(xué)生先通過(guò)冶金過(guò)程虛擬仿真系統(tǒng)模擬鋼鐵產(chǎn)品的冶煉過(guò)程，了解生產(chǎn)設(shè)備原理樣機(jī)冶煉工藝之間的銜接關(guān)系，然后再通過(guò)感官性更強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)觀摩鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境，達(dá)到提升生產(chǎn)實(shí)習(xí)效果的目的。

3.3 總結(jié)“LSWD”新模式下的生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化教學(xué)模式和考核評(píng)價(jià)體系

以2017級(jí)冶金工程專業(yè)本科生為試點(diǎn)編寫“LSWD”新模式生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)手冊(cè)，并根據(jù)試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)教學(xué)大綱、教學(xué)手冊(cè)進(jìn)行補(bǔ)充和完善。此外，鑒于教學(xué)模式的改變，對(duì)應(yīng)的考核方式也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，需要相應(yīng)的增加對(duì)學(xué)生冶金過(guò)程虛擬仿真實(shí)踐操作能力的考核。這樣的科學(xué)合理的“雙向評(píng)估”方式是提高生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)效果的有利保證。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段冶金工程專業(yè)的本科實(shí)習(xí)受時(shí)間和空間的限制，探索融入虛擬仿真技術(shù)的冶金工程專業(yè)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)新模式與培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的“新工程”建設(shè)理念相符。本文提出的基于虛擬仿真技術(shù)的冶金工程專業(yè)“LSWD”生產(chǎn)實(shí)習(xí)新模式既能提升生產(chǎn)實(shí)習(xí)的教學(xué)效果，也能為學(xué)生創(chuàng)造更多的冶金產(chǎn)品冶煉實(shí)際操作機(jī)會(huì)，有助于將本科階段學(xué)習(xí)的理論知識(shí)提升至應(yīng)用層次，幫助其在畢業(yè)之后更快更好的融入到實(shí)際工作當(dāng)中。