礦物加工虛擬仿真教學(xué)平臺在實踐教學(xué)中的應(yīng)用

吳蓬 邱俊 朱向楠

10.3969/j.issn.1671-489X.2020.21.044

摘? 要 隨著計算機虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，將現(xiàn)實工廠按1∶1建立3D模型后搬進實驗室，使學(xué)生隨時隨地進行身臨其境般的沉浸式學(xué)習(xí)，打破現(xiàn)場實踐受時間和空間限制的問題，將有助于改善實踐教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生對專業(yè)知識的掌握能力和解決分析問題的能力。

關(guān)鍵詞 礦物加工;虛擬仿真;實踐教學(xué);仿真教學(xué)平臺

中圖分類號：G434? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）21-0044-02

1 仿真教學(xué)平臺建設(shè)背景

實踐教學(xué)是應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，是理論與實踐相結(jié)合的紐帶，在大學(xué)人才培養(yǎng)過程中具有重要意義[1]。礦物加工工程專業(yè)學(xué)生在實習(xí)過程中，由于生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備尺寸大、噪音大、安全隱患大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法查看等原因，在現(xiàn)場的學(xué)習(xí)只能走馬觀花，遠距離觀看設(shè)備局部，對設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)備配置等無法全面認(rèn)識，現(xiàn)場實踐教學(xué)效果較差。虛擬仿真技術(shù)可有效解決這些難題。同時，教育部也頒布了相關(guān)文件，積極推進現(xiàn)代信息技術(shù)與實踐教學(xué)項目的深度融合，拓展實驗內(nèi)容的廣度和深度，增強實踐教學(xué)效果，并將國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)納入“十三五”規(guī)劃[2-4]。

山東科技大學(xué)為提高礦物加工工程專業(yè)學(xué)生的實踐教學(xué)質(zhì)量，提高實習(xí)效率，豐富實踐教學(xué)手段，以中鋼集團山東礦業(yè)公司實習(xí)基地工廠原型的整體設(shè)計，根據(jù)本專業(yè)實習(xí)教學(xué)大綱要求，利用現(xiàn)代仿真軟件開發(fā)平臺開發(fā)工廠級的礦物加工工程專業(yè)學(xué)生實踐教學(xué)仿真軟件，通過三維仿真及虛擬現(xiàn)實技術(shù)最大限度地模擬鐵礦資源回收各個工藝過程和具體作業(yè)的真實現(xiàn)場[5]，能夠讓學(xué)生可視化參與熟悉工廠資源生產(chǎn)工藝及設(shè)備的識別與操作，學(xué)習(xí)設(shè)備的工作方式及工作原理，并且學(xué)習(xí)方式不受時間與空間限制，有助于提高學(xué)生對專業(yè)知識的理解深度[6-7]。

2 仿真教學(xué)平臺的使用方法

在使用本仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)前，要求學(xué)生較系統(tǒng)地完成礦石學(xué)、工藝礦物學(xué)、破碎磨礦、重選、磁電選礦、浮選、礦石可選性研究、固液分離、安全生產(chǎn)概論等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，已經(jīng)掌握本專業(yè)的基本理論，在專業(yè)能力方面要求學(xué)生對礦石性質(zhì)、分選原理以及各種設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用都有較深的理解。

利用該實踐教學(xué)仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺隨時隨地進行自主學(xué)習(xí)。通過虛擬的三維仿真工廠模型[8]，學(xué)生身臨其境般對整個鐵礦資源回收工廠的生產(chǎn)工藝流程、工廠主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理以及工廠的整體布置等實踐教學(xué)內(nèi)容進行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)方式不受時間與空間限制;并且可以隨時留下學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)的問題，由專門的線上教師負責(zé)答疑。教師可利用系統(tǒng)中仿真考核模塊進行線上的仿真考試，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)和學(xué)習(xí)效果，由此可督促學(xué)生學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[9]。根據(jù)具體實踐教學(xué)要求，利用該系統(tǒng)可選擇三種不同的教學(xué)模式。

教學(xué)演示模式? 教師演示仿真系統(tǒng)操作過程及注意事項，并對學(xué)習(xí)內(nèi)容以流程圖的方式演示鐵礦資源回收工廠的整體布置、工藝流程及主要設(shè)備等相關(guān)學(xué)習(xí)內(nèi)容;學(xué)生在此過程中主要是聽和看，該模式的好處在于學(xué)生能夠快速掌握系統(tǒng)的操作使用方法和建立對系統(tǒng)功能的總體印象。

單人任務(wù)模式? 學(xué)生以第一視角進入系統(tǒng)（見圖1），可以實現(xiàn)鐵礦資源生產(chǎn)工廠的全景漫游，認(rèn)識工廠各類主要設(shè)備，跟蹤全流程生產(chǎn)作業(yè)等，通過NPC任務(wù)模式（見圖2）學(xué)習(xí)工廠的安全操作規(guī)程、工藝流程、主要設(shè)備簡介等知識點;進入車間后，能夠?qū)υO(shè)備進行360°觀察學(xué)習(xí)，并能夠啟動停止設(shè)備，對設(shè)備進行拆解安裝，同時對常見的故障進行分析判斷。

多人協(xié)同模式? 多個學(xué)生扮演不同的崗位角色分別進行操作，通過聯(lián)網(wǎng)協(xié)同進行協(xié)同操作，訓(xùn)練學(xué)生的團隊協(xié)作能力。在仿真實踐學(xué)習(xí)過程中，NPC任務(wù)模式限制要求學(xué)生必須按照步驟操作，每一步都關(guān)聯(lián)在一起，學(xué)生回答完成相關(guān)的專業(yè)問題后才可以進入下一步的學(xué)習(xí)。具體學(xué)習(xí)步驟主要包括工廠概況、工廠生產(chǎn)安全規(guī)程、工廠分車間安全操作規(guī)程、工廠原料性質(zhì)、破碎車間工藝流程、破碎車間設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理、磨礦分選車間工藝流程、磨礦分選設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理、精礦脫水工藝流程、尾礦處理工藝流程、產(chǎn)品指標(biāo)及用途[10]。

3 實踐教學(xué)結(jié)果評價

該工廠生產(chǎn)仿真系統(tǒng)啟動時，用戶可根據(jù)教學(xué)計劃類型自由選擇教學(xué)方式，系統(tǒng)啟動后可自由切換學(xué)習(xí)項目，具體可根據(jù)具體實習(xí)的要求及實習(xí)內(nèi)容不同，由指導(dǎo)教師利用該仿真系統(tǒng)對所有學(xué)習(xí)內(nèi)容進行面對面的集中教學(xué)指導(dǎo)，讓學(xué)生掌握該仿真系統(tǒng)的使用方法、學(xué)習(xí)內(nèi)容以及具體要求等。學(xué)生也可以選擇獨立的線下學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)該仿真系統(tǒng)所列的相關(guān)實習(xí)內(nèi)容。同時，學(xué)生可以利用該系統(tǒng)在線進行自主學(xué)習(xí)，與教師站管理端采用TCP/IP方式連接，進行線上分散學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的方式及學(xué)習(xí)內(nèi)容靈活多變。

利用該仿真系統(tǒng)可以對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進行集中考核，考核內(nèi)容包括原料性質(zhì)、安全生產(chǎn)規(guī)程、工藝流程的操作和描述、主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理、產(chǎn)品指標(biāo)及用途、工廠及生產(chǎn)車間的設(shè)計原則。

學(xué)生最終考試成績包括平時和現(xiàn)場考試兩個成績，所占比例分別為60%和40%。考試方式采用現(xiàn)場集中考試，指導(dǎo)教師實時監(jiān)控考試狀況并統(tǒng)計記錄考試成績;平時成績?nèi)”鞠到y(tǒng)管理統(tǒng)計的不同學(xué)生的每次培訓(xùn)成績的平均值，以上兩個成績綜合評定確定為學(xué)生最后的考核成績。

4 結(jié)語

礦物加工虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可有效解決現(xiàn)場實踐過程中存在的諸多問題，打破實踐教學(xué)受時間和空間限制的問題，將一些先進的計算機仿真技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)，使得現(xiàn)場一些無法展現(xiàn)的內(nèi)容具體形象化，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，改善實踐教學(xué)的效果。

參考文獻

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