呂慶功,牟仁玲,許文婧,劉 立,趙志毅,李京社

(北京科技大學(xué) 高等工程師學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是創(chuàng)新教學(xué)理念、改善教學(xué)方式和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效手段[1-4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)任務(wù)是實(shí)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能，宗旨是全面提升高校學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力，核心是共享優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，重點(diǎn)是建設(shè)信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源[5]。我校依托鋼鐵行業(yè)背景和優(yōu)勢學(xué)科資源，按照“校內(nèi)資源整合、校企協(xié)同建設(shè)、資源開放共享”的原則，于2013年開始籌建鋼鐵生產(chǎn)全流程虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)(簡稱“虛擬平臺(tái)”)，2014年6月投入試運(yùn)行，2015年10月完成項(xiàng)目驗(yàn)收，2016年1月被教育部評(píng)為“國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”。本文以該虛擬平臺(tái)的建設(shè)與應(yīng)用為例，討論虛擬平臺(tái)的建設(shè)策略、教學(xué)環(huán)境建設(shè)、教學(xué)體系構(gòu)建以及實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用，促進(jìn)基于虛擬仿真的工程實(shí)踐教學(xué)模式創(chuàng)新與改革。

1 虛擬平臺(tái)的建設(shè)策略

1.1 突出行業(yè)特色和學(xué)科優(yōu)勢，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同共建共享資源

教育部《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》(教高司函〔2013〕94號(hào))指出，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)要發(fā)揮學(xué)校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，積極利用企業(yè)的開發(fā)實(shí)力和支持服務(wù)能力，充分整合學(xué)校信息化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。我校是原冶金部部屬院校，具有鮮明的行業(yè)背景特色，在采礦、冶金、材料等學(xué)科領(lǐng)域優(yōu)勢突出，在能源、機(jī)械、自動(dòng)化等學(xué)科領(lǐng)域也有較雄厚的實(shí)力,故本虛擬平臺(tái)建設(shè)以鋼鐵行業(yè)為背景，以鋼鐵全流程典型生產(chǎn)線為載體和單元開發(fā)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)。

同時(shí)，虛擬平臺(tái)應(yīng)充分發(fā)揮各相關(guān)單位和人員的特長，建立合作共贏長效機(jī)制。虛擬平臺(tái)專職團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、教學(xué)管理、教學(xué)資源開發(fā)與管理等工作；校內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)和專業(yè)教師以項(xiàng)目為依托開發(fā)、優(yōu)化和更新仿真模型，同時(shí)基于虛擬平臺(tái)開展教學(xué)和研究工作；企業(yè)基地和國家級(jí)工程實(shí)踐教育中心為虛擬平臺(tái)提供生產(chǎn)線原型、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，同時(shí)基于虛擬平臺(tái)開展員工培訓(xùn)和技術(shù)研究；專業(yè)技術(shù)公司則以項(xiàng)目為依托完成軟硬件系統(tǒng)集成、虛擬仿真軟件開發(fā)、多媒體制作等工作，同時(shí)基于虛擬平臺(tái)進(jìn)行員工培訓(xùn)以及產(chǎn)品的研發(fā)、展示和推廣等工作。

1.2 虛擬仿真與專業(yè)技術(shù)融合，集中呈現(xiàn)構(gòu)建多學(xué)科平臺(tái)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，也是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容[6-8]。虛擬平臺(tái)針對鋼鐵生產(chǎn)“礦-冶-鑄-軋”全流程典型工藝，充分利用虛擬仿真技術(shù)，集成采礦、冶金、材料、機(jī)械、能源、自動(dòng)化等多學(xué)科教學(xué)資源，構(gòu)建由虛擬場景、組態(tài)軟件、虛擬PLC、工藝仿真模型和模擬培訓(xùn)操作臺(tái)組成的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，高度仿真企業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)條件，使學(xué)生在教室就能夠體驗(yàn)企業(yè)實(shí)踐。

虛擬平臺(tái)采用教學(xué)資源集中建設(shè)模式，把各個(gè)單位、各個(gè)學(xué)科方向的教學(xué)資源和素材集成建設(shè)在一個(gè)教學(xué)空間，由專職團(tuán)隊(duì)進(jìn)行專業(yè)化管理，構(gòu)建多學(xué)科交叉的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)?；诳鐚I(yè)的綜合資源和評(píng)價(jià)系統(tǒng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生對現(xiàn)代復(fù)雜流程工業(yè)的綜合認(rèn)知和分析能力。通過模型開發(fā)、參數(shù)優(yōu)化、工藝調(diào)整等仿真模擬，可以培養(yǎng)學(xué)生的分析和解決復(fù)雜工程問題的能力?；谔摂M平臺(tái)，學(xué)生不僅在本專業(yè)知識(shí)領(lǐng)域得到學(xué)習(xí)和鍛煉，而且可以學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)接口知識(shí)、上下游工序關(guān)聯(lián)知識(shí)以及能源、環(huán)境、安全等相關(guān)專業(yè)知識(shí)，從而鍛煉多學(xué)科交叉綜合應(yīng)用能力。

1.3 分層次設(shè)置實(shí)踐教學(xué)功能，構(gòu)建體系支撐培養(yǎng)方案實(shí)施

高等教育實(shí)踐教學(xué)具有分層遞進(jìn)的特點(diǎn)[9-11]，這也符合學(xué)生循序漸進(jìn)提高知識(shí)水平和實(shí)踐能力的基本規(guī)律。虛擬平臺(tái)建設(shè)要充分考慮培養(yǎng)方案和實(shí)踐課程體系要求，按照“認(rèn)知-應(yīng)用-設(shè)計(jì)-創(chuàng)新”的遞進(jìn)關(guān)系分層次設(shè)置認(rèn)知學(xué)習(xí)、實(shí)踐操作、設(shè)計(jì)教學(xué)和實(shí)踐創(chuàng)新等功能，并設(shè)置考核鑒定和教學(xué)資源管理等輔助功能。

虛擬平臺(tái)應(yīng)依據(jù)學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)體系、工程教育培養(yǎng)方案和課程體系要求構(gòu)建虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系，以便切實(shí)支撐工程實(shí)踐教學(xué)、提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的高效利用和虛擬仿真教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展。基于虛擬平臺(tái)的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系是學(xué)校實(shí)踐教學(xué)體系的重要組成部分，既要符合學(xué)校實(shí)踐教學(xué)體系的基本要求，又能自成體系，自動(dòng)自發(fā)地發(fā)展和完善。

1.4 能力為導(dǎo)向優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生為主體創(chuàng)新教學(xué)方法

在我國本科工程教學(xué)體系中，存在重知識(shí)學(xué)習(xí)、輕能力培養(yǎng)的現(xiàn)象，主要特征是側(cè)重學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的傳授，而學(xué)生工程實(shí)踐訓(xùn)練不足,實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)仍然以驗(yàn)證理論知識(shí)和掌握實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)技能為主，而對責(zé)任感、表達(dá)能力、創(chuàng)新能力和協(xié)作精神沒有硬性要求[12]。虛擬平臺(tái)則充分利用了虛擬仿真技術(shù)優(yōu)勢,以鋼鐵生產(chǎn)全流程為對象和載體,在教學(xué)資源開發(fā)和建設(shè)上包含了采礦、冶金、材料、能源、機(jī)械、自動(dòng)化等主體專業(yè)內(nèi)容，以及環(huán)保、安全等要素。同時(shí)在教學(xué)內(nèi)容方面還考慮素材多樣、實(shí)踐互動(dòng)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和量化考核等屬性，從而促進(jìn)實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

研究型大學(xué)的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，學(xué)生真正作為主體參與實(shí)踐活動(dòng)的全過程[13-14]。虛擬平臺(tái)基于開放的教學(xué)資源和功能,提倡教師開展以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向的實(shí)踐教學(xué)方法改革和創(chuàng)新，鼓勵(lì)教師基于問題、案例和項(xiàng)目開展實(shí)踐教學(xué)，倡導(dǎo)學(xué)生在教師指導(dǎo)下通過獨(dú)立思考、主動(dòng)實(shí)踐、方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施、分析歸納等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

2 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)環(huán)境建設(shè)

虛擬平臺(tái)以鋼鐵生產(chǎn)全流程典型系統(tǒng)為對象和載體，將虛擬仿真技術(shù)與采礦、冶金、材料、機(jī)械、能源、自動(dòng)化等專業(yè)技術(shù)相結(jié)合，以軟件、動(dòng)畫、視頻等方式構(gòu)建和展示工藝原理、生產(chǎn)過程、設(shè)備結(jié)構(gòu)和自動(dòng)控制等方面的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，形成了由工業(yè)組態(tài)軟件、虛擬PLC、工藝仿真模型、教學(xué)設(shè)備和局域網(wǎng)系統(tǒng)組成的高度仿真企業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境。

2.1 硬件系統(tǒng)

虛擬平臺(tái)有2個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室(見圖1)，教學(xué)面積400 m2，仿真操作臺(tái)58套，虛擬仿真實(shí)踐工位116個(gè)，服務(wù)器4臺(tái)，大型屏幕顯示系統(tǒng)2套，系統(tǒng)功能配置如圖2所示。

圖1 虛擬平臺(tái)2個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室

圖2 系統(tǒng)功能圖

服務(wù)器主要承擔(dān)各仿真單元的數(shù)據(jù)處理、功能仿真運(yùn)算，并完成教學(xué)資源Web發(fā)布任務(wù)。教學(xué)機(jī)包括仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)機(jī)和虛擬場景教學(xué)機(jī)，仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)機(jī)承擔(dān)仿真平臺(tái)切換、教學(xué)課程設(shè)計(jì)及控制、設(shè)備規(guī)格變更、工藝參數(shù)設(shè)定、仿真操作教學(xué)功能，并承擔(dān)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理職能，虛擬場景教學(xué)機(jī)承擔(dān)監(jiān)控虛擬生產(chǎn)工況職能，承擔(dān)多媒體投放系統(tǒng)切換控制職能，同時(shí)還承擔(dān)教師對各學(xué)生機(jī)生產(chǎn)工況瀏覽職能。每個(gè)仿真操作臺(tái)配備1臺(tái)仿真實(shí)訓(xùn)操作機(jī)和1臺(tái)虛擬場景操作機(jī),仿真實(shí)訓(xùn)操作機(jī)承擔(dān)工藝參數(shù)設(shè)定和仿真操作訓(xùn)練功能，虛擬場景操作機(jī)則承擔(dān)虛擬仿真生產(chǎn)場景的顯示和監(jiān)控功能。

為了盡量接近生產(chǎn)現(xiàn)場的場景效果，操作臺(tái)按照生產(chǎn)現(xiàn)場操作臺(tái)的材質(zhì)、顏色和尺寸等要求進(jìn)行制作，每個(gè)操作臺(tái)配置了1個(gè)觸摸屏用于模擬操作按鈕，同時(shí)操作臺(tái)上醒目位置還保留了1個(gè)實(shí)物急停按鈕。仿真操作臺(tái)布置見圖3。

圖3 仿真操作臺(tái)

2.2 軟件系統(tǒng)

虛擬平臺(tái)的教學(xué)軟件系統(tǒng)是基于C/S架構(gòu)在工業(yè)組態(tài)軟件和虛擬PLC環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)的，其控制邏輯和操作界面與實(shí)際生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制系統(tǒng)非常相似，控制對象則由工藝、設(shè)備和生產(chǎn)過程仿真模型替代實(shí)物對象系統(tǒng)。其中，仿真模型是生產(chǎn)原型、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)理論知識(shí)、數(shù)學(xué)建模與虛擬仿真技術(shù)等有機(jī)集成的產(chǎn)物，是虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)成功與否的核心和關(guān)鍵。

采礦、燒結(jié)、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)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(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，在教學(xué)功能上設(shè)置有認(rèn)知學(xué)習(xí)、實(shí)踐操作、設(shè)計(jì)教學(xué)、創(chuàng)新實(shí)踐、考核鑒定和教學(xué)資源管理等，教學(xué)素材形式包括專業(yè)設(shè)計(jì)軟件、虛擬仿真操控軟件、動(dòng)畫、視頻等?；谶@些系統(tǒng)，學(xué)生可以自主進(jìn)行瀏覽式學(xué)習(xí)，也可以進(jìn)行交互體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，通過改變工藝參數(shù)和操作過程，觀察參數(shù)和操作對生產(chǎn)的影響，從而深入理解工藝原理和實(shí)際生產(chǎn)過程，還可以深入開展設(shè)計(jì)和創(chuàng)新研究，并對設(shè)計(jì)和研究的系統(tǒng)和模型進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，使其創(chuàng)新性成果更具有實(shí)效性。圖4以轉(zhuǎn)爐煉鋼系統(tǒng)為例展示虛擬場景及仿真操控界面。

另外，自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)針對鋼鐵生產(chǎn)全流程9個(gè)典型控制環(huán)節(jié)構(gòu)建了由控制單元、對象模型和虛擬場景等組成的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模型開發(fā)、編程和運(yùn)行調(diào)試環(huán)境。其中，高爐布料系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別特征檢測與自適應(yīng)控制，轉(zhuǎn)爐氧槍定位調(diào)速控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)快速精確位置控制，連鑄機(jī)結(jié)晶器液位控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)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(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多機(jī)架電動(dòng)機(jī)速度協(xié)調(diào)控制，熱連軋電動(dòng)飛剪控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)雙軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制，熱連軋液壓活套高度及張力系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多變量和液壓伺服控制，熱連軋層流冷卻控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)開關(guān)邏輯與前饋控制，冷連軋卷取張力控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)間接張力系統(tǒng)的閉環(huán)控制，板形板厚控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多變量系統(tǒng)的解耦控制。該系統(tǒng)為自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生提供了專業(yè)認(rèn)知和專業(yè)實(shí)踐的平臺(tái)，也為非自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生提供認(rèn)知學(xué)習(xí)自動(dòng)化系統(tǒng)的平臺(tái)。

圖4 轉(zhuǎn)爐煉鋼虛擬場景及虛擬仿真控制界面

3 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建

實(shí)踐教學(xué)體系是由目標(biāo)、課程、教師、學(xué)生、評(píng)價(jià)等要素構(gòu)成的有機(jī)聯(lián)系的整體,包括實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)體系、內(nèi)容體系、保障體系和評(píng)價(jià)體系。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系是學(xué)校實(shí)踐教學(xué)體系的重要組成部分，在建設(shè)和應(yīng)用過程中必須按照實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容和形式的要求進(jìn)行資源開發(fā)、功能配置和教學(xué)設(shè)計(jì)。為保障虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展，虛擬平臺(tái)按照“教學(xué)資源特色化、教學(xué)目標(biāo)層次化、教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化、教學(xué)方式多元化”的基本原則，構(gòu)建了“1個(gè)流程、4個(gè)層次、6個(gè)要素、8個(gè)結(jié)合”的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系。

3.1 1個(gè)流程

鋼鐵企業(yè)的制造流程是一類開放的、遠(yuǎn)離平衡的、不可逆的復(fù)雜過程系統(tǒng)，具有諸多功能不同的組成單元、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的運(yùn)行行為，其動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程具有多層次性(原子和分子、場域及裝置、區(qū)段過程、整體流程)、多尺度性、有序性和混沌性(功能、時(shí)間、空間等方面)、連接-匹配(靜態(tài))、緩沖-協(xié)調(diào)(動(dòng)態(tài))等方面的含義[15]。虛擬平臺(tái)以鋼鐵生產(chǎn)全流程為仿真對象和載體，不僅有利于發(fā)揮學(xué)校的行業(yè)背景和學(xué)科特色優(yōu)勢，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知、分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，同時(shí)也為虛擬平臺(tái)的資源建設(shè)和教學(xué)應(yīng)用提供了基本框架和方向。

3.2 4個(gè)層次

工程實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)和內(nèi)容是有層次性的，虛擬平臺(tái)作為工程實(shí)踐教學(xué)的支撐條件，在資源建設(shè)方面也需要有層次性，同時(shí)在教學(xué)應(yīng)用方面要與培養(yǎng)方案中的各個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)緊密銜接。虛擬平臺(tái)按照認(rèn)知、應(yīng)用、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新4個(gè)學(xué)習(xí)層次進(jìn)行資源開發(fā)和建設(shè)，在每套虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)中設(shè)置了認(rèn)知學(xué)習(xí)、操作實(shí)踐、設(shè)計(jì)教學(xué)和實(shí)踐創(chuàng)新等功能模塊。其中，認(rèn)知學(xué)習(xí)功能可支撐認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，使學(xué)生深入了解生產(chǎn)工藝原理、生產(chǎn)過程、設(shè)備結(jié)構(gòu)等；操作實(shí)踐功能可支撐生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，使學(xué)生親身體驗(yàn)工藝計(jì)算、參數(shù)設(shè)定和生產(chǎn)操控等，在應(yīng)用專業(yè)知識(shí)的同時(shí)進(jìn)一步加深理解；設(shè)計(jì)教學(xué)功能可支撐工程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生可虛擬進(jìn)行生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型設(shè)計(jì)、設(shè)備及工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝平面布置設(shè)計(jì)等工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練，為順利開展設(shè)計(jì)項(xiàng)目打好基礎(chǔ)；創(chuàng)新實(shí)踐功能可支撐畢業(yè)設(shè)計(jì)和初步課題研究，學(xué)生通過模型開發(fā)和參數(shù)優(yōu)化深入認(rèn)識(shí)和探索工藝過程與結(jié)果的相關(guān)性，深挖創(chuàng)新研發(fā)潛力，達(dá)到能力拓展的目標(biāo)。

3.3 6個(gè)要素

工藝、設(shè)備、自動(dòng)化、能源、環(huán)境、安全等是虛擬平臺(tái)教學(xué)資源開發(fā)和教學(xué)實(shí)踐中著重關(guān)注和體現(xiàn)的6個(gè)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(chǎn)全流程中對應(yīng)的專業(yè)包括采礦、冶金和材料；設(shè)備是鋼鐵生產(chǎn)過程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對應(yīng)的專業(yè)是機(jī)械工程；自動(dòng)化是指鋼鐵生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制過程和系統(tǒng)，相當(dāng)于人類的神經(jīng)系統(tǒng)和大腦，對應(yīng)的專業(yè)就是自動(dòng)化；能源對應(yīng)的專業(yè)是能源與動(dòng)力工程，在鋼鐵生產(chǎn)過程中主要體現(xiàn)為能量傳遞、能源保障供應(yīng)和能源管理等；環(huán)境則關(guān)乎鋼鐵生產(chǎn)過程的資源利用和廢物排放，關(guān)乎自然資源、自然環(huán)境和人類生命福祉，對應(yīng)的專業(yè)是環(huán)境工程；安全則是直接關(guān)系到鋼鐵生產(chǎn)過程中的人身和財(cái)產(chǎn)安全，是工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理中必須關(guān)注的因素，對應(yīng)的專業(yè)是安全工程。

上述6個(gè)要素涉及我校8個(gè)優(yōu)勢學(xué)科專業(yè)，體現(xiàn)了現(xiàn)代復(fù)雜生產(chǎn)流程的技術(shù)要件和特征，非常具有代表性。虛擬平臺(tái)在教學(xué)資源開發(fā)過程中要關(guān)注上述6個(gè)要素，以確保教學(xué)資源的系統(tǒng)性、完整性和科學(xué)性。在教學(xué)過程中，對于不同專業(yè)的學(xué)生也要不同側(cè)重的關(guān)注到上述6個(gè)要素，從而保證學(xué)生知識(shí)掌握的全面性、實(shí)用性和創(chuàng)新性，為培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題能力提供支撐。同時(shí)，學(xué)生在掌握上述6個(gè)要素的基礎(chǔ)上，還可以結(jié)合經(jīng)濟(jì)、管理、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等知識(shí)進(jìn)行技術(shù)綜合應(yīng)用學(xué)習(xí)，構(gòu)建更加復(fù)合的知識(shí)和能力結(jié)構(gòu)。

3.4 8個(gè)結(jié)合

虛擬平臺(tái)的建設(shè)和應(yīng)用其實(shí)也是資源優(yōu)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(xué)效果，切實(shí)提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。“8個(gè)結(jié)合”體現(xiàn)了教學(xué)資源開發(fā)、教學(xué)設(shè)計(jì)和師資隊(duì)伍建設(shè)3個(gè)方面的設(shè)想和要求，是保障虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)順利實(shí)施的基本條件。

在教學(xué)資源開發(fā)方面:①自主開發(fā)與對外委托開發(fā)相結(jié)合。虛擬平臺(tái)可以自主開發(fā)一些比較簡單的教學(xué)資源，比如PPT、視頻、微課等，也可以采用競賽征集的方式發(fā)動(dòng)學(xué)生和老師開發(fā)一些教學(xué)資源素材，還可以聯(lián)合學(xué)校現(xiàn)代教育技術(shù)中心開發(fā)視頻課件、生產(chǎn)視頻等資源。對于比較大型和復(fù)雜的教學(xué)系統(tǒng)，可以利用基本條件建設(shè)經(jīng)費(fèi)對外委托專業(yè)技術(shù)公司進(jìn)行開發(fā)，也可以采購專業(yè)的商業(yè)軟件。②國內(nèi)資源與國外資源相結(jié)合。虛擬平臺(tái)在建設(shè)教學(xué)資源的同時(shí)，還要注重國內(nèi)外教學(xué)資源的共享和應(yīng)用。我國現(xiàn)已有300個(gè)國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，可以通過校際共享來拓寬教學(xué)資源范圍,尤其是鋼鐵生產(chǎn)相關(guān)的兄弟院校之間，更應(yīng)建立資源共享機(jī)制。我校是冶金行業(yè)卓越校聯(lián)盟秘書處單位，也是北京市卓越聯(lián)盟成員單位，為虛擬平臺(tái)共享校外資源提供了便利條件。同時(shí)，北美國際鋼鐵大學(xué)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)版鋼鐵生產(chǎn)仿真學(xué)習(xí)資源是全球免費(fèi)開放的，也可以作為鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真學(xué)習(xí)的補(bǔ)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(qiáng)資源應(yīng)用效果和國際交流。

在教學(xué)設(shè)計(jì)方面:①虛擬仿真與企業(yè)實(shí)踐相結(jié)合。通過虛擬仿真學(xué)習(xí)可以全面掌握整個(gè)生產(chǎn)流程，學(xué)生可了解上下游工序之間的關(guān)系，掌握工藝流程中裝備組成與性能、生產(chǎn)過程、模型建立、參數(shù)匹配、工藝控制等，培養(yǎng)工程認(rèn)知和應(yīng)用能力；通過企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)過程實(shí)習(xí)，學(xué)生可了解大工業(yè)背景、企業(yè)文化、實(shí)際生產(chǎn)的復(fù)雜性、存在的問題等，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力；虛擬仿真實(shí)踐與企業(yè)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，既解決了以往實(shí)際現(xiàn)場只是參觀了解、無法深入掌握知識(shí)的難題，又不失大工業(yè)實(shí)踐的體驗(yàn)，可大大提升工業(yè)實(shí)踐的效果和質(zhì)量。②線下學(xué)習(xí)與線上學(xué)習(xí)結(jié)合?；谔摂M平臺(tái)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行線下學(xué)習(xí)，同時(shí)虛擬平臺(tái)建設(shè)了門戶網(wǎng)站和線上教學(xué)資源管理平臺(tái)，學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問網(wǎng)站進(jìn)行隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)，打破了教室空間和上課時(shí)間的限制，從而實(shí)現(xiàn)線下學(xué)習(xí)和線上學(xué)習(xí)的結(jié)合。③講授教學(xué)與自主學(xué)習(xí)結(jié)合。基于虛擬平臺(tái)豐富而生動(dòng)的教學(xué)資源，教師可以采用講授的方式進(jìn)行教學(xué)，也可以嘗試采用以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的自主學(xué)習(xí)方式，為創(chuàng)新教學(xué)方法提供了更多可能性。④課上學(xué)習(xí)與課下學(xué)習(xí)相結(jié)合。網(wǎng)上教學(xué)資源管理平臺(tái)的建設(shè)為學(xué)生課下學(xué)習(xí)提供了便利條件，教師可充分利用虛擬平臺(tái)的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)資源條件，嘗試采用基于問題、案例和項(xiàng)目的教學(xué)方法，積極進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂、CDIO等教學(xué)模式改革。

在師資隊(duì)伍方面:①專職教師與兼職教師結(jié)合。虛擬平臺(tái)教學(xué)資源涉及的教學(xué)內(nèi)容非常寬泛，專業(yè)跨度又比較大，而教學(xué)計(jì)劃中的實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)是有限的，所以全部配置專職教師來完成虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)既不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)，采用專兼職結(jié)合的方式更具有合理性和可行性；專職教師負(fù)責(zé)虛擬平臺(tái)的教學(xué)運(yùn)行管理、教學(xué)資源開發(fā)和教學(xué)軟件培訓(xùn)，并承擔(dān)部分課程講授和實(shí)踐指導(dǎo)工作，兼職教師則主要負(fù)責(zé)課程講授和實(shí)踐指導(dǎo)工作，通過專兼職結(jié)合覆蓋教學(xué)計(jì)劃要求的實(shí)踐教學(xué)任務(wù)。②校內(nèi)教師與企業(yè)教師結(jié)合。校內(nèi)教師大多沒有企業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)，對生產(chǎn)現(xiàn)場也不熟悉，所以在虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)能力方面有所欠缺；請企業(yè)有經(jīng)驗(yàn)的工程師參與到虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，不僅可以提高實(shí)踐教學(xué)效果，還可以對校內(nèi)教師起到培訓(xùn)作用，進(jìn)而從整體上提高實(shí)踐教師隊(duì)伍的實(shí)踐教學(xué)水平。

4 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用

虛擬平臺(tái)緊密結(jié)合工科試驗(yàn)班6個(gè)專業(yè)以及校內(nèi)各學(xué)院相關(guān)專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)開展虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，同時(shí)為課題研究、專業(yè)課程、通識(shí)課程和科普教育提供支撐，還承擔(dān)了外國專家課支撐、專業(yè)認(rèn)證支撐、教學(xué)交流和接待來訪等任務(wù)。

4.1 認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)與生產(chǎn)實(shí)習(xí)

為冶金工程、材料科學(xué)與工程、能源與動(dòng)力工程、機(jī)械工程、自動(dòng)化、安全工程、環(huán)境工程等專業(yè)的學(xué)生開展“虛擬仿真+企業(yè)實(shí)踐”的虛實(shí)結(jié)合認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)。2015～2017年為2 000多名學(xué)生開展了30 000多人時(shí)的虛擬仿真實(shí)踐學(xué)習(xí)，相應(yīng)編寫了虛擬仿真認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)大綱和虛擬仿真生產(chǎn)實(shí)習(xí)大綱，同時(shí)開設(shè)了虛擬仿真實(shí)踐課程“工程實(shí)踐ⅠA”，已列入工科試驗(yàn)班教學(xué)計(jì)劃的實(shí)踐類課程。

4.2 課題研究、專業(yè)課程、通識(shí)課程和科普教育

虛擬平臺(tái)與冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、高效軋制國家工程研究中心、國家板帶生產(chǎn)先進(jìn)裝備工程技術(shù)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(fā)和技術(shù)研討工作。為高等工程師學(xué)院、材料科學(xué)與工程學(xué)院、能源與環(huán)境工程學(xué)院等開設(shè)了專業(yè)選修課程“鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)踐A”和“鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)踐B”，同時(shí)為鋼鐵冶金學(xué)、材料成形設(shè)備與車間設(shè)計(jì)等專業(yè)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)提供支撐。另外，虛擬平臺(tái)還為外國語學(xué)院MTI研究生開設(shè)了鋼鐵生產(chǎn)通識(shí)課程，為科大附小、育英學(xué)校、北京八中等中小學(xué)學(xué)生開展了“鋼鐵是怎樣煉成的”科普教育活動(dòng)。

4.3 外國專家課、專業(yè)認(rèn)證、教學(xué)交流和接待來訪

虛擬平臺(tái)支撐了外國專家課程國際工程溝通、材料導(dǎo)論和材料與環(huán)境等，支撐了采礦工程、冶金工程、材料科學(xué)與工程、機(jī)械工程、自動(dòng)化、測控技術(shù)與儀器、安全工程、環(huán)境工程等專業(yè)的工程專業(yè)建設(shè)與認(rèn)證，同時(shí)為冶金行業(yè)卓越工程師培養(yǎng)聯(lián)盟開展了工程營活動(dòng)，為北京市卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃高校聯(lián)盟開設(shè)了實(shí)踐類共享課程“鋼鐵生產(chǎn)虛擬仿真認(rèn)知實(shí)踐”，接待國內(nèi)外高校和企事業(yè)單位來訪30余起。

5 結(jié) 語

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體現(xiàn)了學(xué)科融合和新工科教學(xué)的特點(diǎn)，有利于學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。虛擬平臺(tái)建設(shè)策略的總結(jié)和基于虛擬平臺(tái)構(gòu)建的“1個(gè)流程、4個(gè)層次、6個(gè)要素、8個(gè)結(jié)合”虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系對于虛擬平臺(tái)的建設(shè)、應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展具有重要的實(shí)用價(jià)值和指導(dǎo)意義，也可為虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式改革提供參考。虛擬平臺(tái)將在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步優(yōu)化和完善教學(xué)資源、教學(xué)方法和師資隊(duì)伍，努力將虛擬仿真教學(xué)更好地應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，為提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成發(fā)揮積極作用。