王亞麗　崔素萍　龔先政

［摘 要］ 綠色制造是對傳統(tǒng)制造業(yè)改造升級的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，對人才提出了更高的要求，現(xiàn)有材料制備與性能實踐平臺無法與實際材料制造過程有效結(jié)合，實踐課程無法滿足學生都能進行親身實踐，因此需要建立虛實結(jié)合的實驗教學平臺。依托材料專業(yè)工程實踐教學平臺和工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，創(chuàng)建了一系列先進的、貼近工業(yè)現(xiàn)場的典型材料制造虛擬仿真實驗教學項目，形成了典型材料綠色制造虛擬仿真實踐教學平臺，構(gòu)建了具有資源節(jié)約和環(huán)境友好特色的實踐教學體系，為培養(yǎng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的創(chuàng)新型人才奠定了基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］ 材料綠色制造；虛擬仿真；實踐教學；創(chuàng)新能力

［基金項目］ 2020年度新工科研究與實踐項目“材料專業(yè)綠色化信息化改造升級的探索與實踐”（E-CL20201901）；2020年度北京工業(yè)大學教育教學課題“典型材料制造虛擬仿真實驗教學項目共建與整合優(yōu)化研究”（ER2020B042）

［作者簡介］ 王亞麗（1978—），女，河北邢臺人，博士，北京工業(yè)大學材料與制造學部教授（通信作者），博士生導師，主要從事水泥熟料化學和水化化學研究；崔素萍（1964—），女，山西榆次人，博士，北京工業(yè)大學材料與制造學部教授，博士生導師，主要從事水泥和水泥基材料研究；龔先政（1967—），男，四川蒼溪人，博士，北京工業(yè)大學材料與制造學部教授，博士生導師，主要從事生命周期分析科學數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)研究。

［中圖分類號］ G424.31 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）07-0001-04 ［收稿日期］ 2022-06-10

《中國制造2025》的基本方針是“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”，促進制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，而基于綠色制造的傳統(tǒng)制造業(yè)的改造升級和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)等對人才提出了更高的要求，強調(diào)要加強節(jié)能環(huán)保技術(shù)、工藝、裝備推廣應(yīng)用，全面推行清潔生產(chǎn)，學生需要掌握資源、材料、加工制造、環(huán)境、信息等多種學科知識。應(yīng)對新經(jīng)濟的調(diào)整和產(chǎn)業(yè)變革需求，在教育部的積極推進下，大數(shù)據(jù)、云計算、智慧物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)融合的新學科建設(shè)受到越來越多的關(guān)注［1-4］。為貫徹落實《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，教育部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)的通知》（教高廳〔2017〕4號），教育部發(fā)布了《關(guān)于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)工作的通知》（教高函〔2018〕5號）。

虛擬仿真實驗是采用虛擬仿真現(xiàn)實、人機交互、數(shù)字化、智能化技術(shù)等手段，根據(jù)理論與實驗教學的需求設(shè)計出用于輔助教學的虛擬場景、虛擬環(huán)境、虛擬儀器設(shè)備、實驗線路或回路、實驗器件及構(gòu)件庫、演示和判別理論，以及實驗過程和標準等內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)符合教學目標的情境問題，調(diào)動學生參與實驗教學的積極性，并主動總結(jié)和驗證結(jié)果［5-9］。我國材料綠色制造業(yè)高速發(fā)展自動化、智能化的生產(chǎn)流程限制了現(xiàn)場教學，學生即使到了生產(chǎn)一線也只能走馬觀花，或者在全自動中控室面對跳動的數(shù)據(jù)，無法進行材料生產(chǎn)過程關(guān)鍵工藝參數(shù)的采集與分析，現(xiàn)有材料制備與性能實踐平臺無法與實際材料制造過程有效結(jié)合，因此要將實踐教學與虛擬仿真教學高度融合，構(gòu)建材料綠色制造虛擬仿真實驗教學平臺，提高學生對材料流程專業(yè)知識的認知度。

一、虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)需求

基于綠色制造的傳統(tǒng)制造業(yè)的改造升級和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)等對人才提出了更高的要求，應(yīng)該具備“?！焙汀巴ā眱煞矫娴哪芰??！皩！笔侵笇I(yè)方面的能力，包括理論分析與抽象能力、問題理解與求解能力、系統(tǒng)分析與設(shè)計能力、系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)能力、系統(tǒng)應(yīng)用與管理能力、實踐經(jīng)驗與動手能力及持續(xù)學習與改進能力等。“通”是指跨文化的溝通能力、項目組織與團隊協(xié)作能力、經(jīng)營管理能力、創(chuàng)新能力及國際競爭能力等。面向生態(tài)城市建設(shè)和材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)具有材料與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展理念，具備人文社會科學素養(yǎng)，以及堅實的自然科學基礎(chǔ)、工程基礎(chǔ)和材料科學與工程專業(yè)知識，能夠應(yīng)用工程原理在解決與材料相關(guān)的復(fù)雜工程問題中發(fā)揮有效作用的人才。實驗教學是學校培養(yǎng)學生實踐和科研能力等綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。知識源于實踐，能力來自實踐。加強實驗教學，一方面可以幫助和促進學生對理論知識的理解，突出理論知識的應(yīng)用性；另一方面可以使學生在實驗和理論的對比中找到差距，加深理解，幫助其分析問題。在新工科和“資源節(jié)約、環(huán)境友好”的背景下，材料專業(yè)應(yīng)該從專業(yè)、課程和知識體系等方面討論新結(jié)構(gòu)，提出新工科在教學等方面需要新方法，改革以強化工程應(yīng)用能力為目標的“資源節(jié)約與環(huán)境友好型”材料實踐教學體系。教育部明確了示范性虛擬仿真實驗教學項目建設(shè)的目標及內(nèi)容，并提出了以學生為中心的實驗教學理念、準確適宜的實驗教學內(nèi)容、創(chuàng)新多樣的教學方式方法、先進可靠的實驗研發(fā)技術(shù)等8項具體要求。以資源節(jié)約與環(huán)境友好為主導的“虛實結(jié)合，仿真互動”深度融合的典型材料制造虛擬仿真項目十分必要。

二、虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)目標

依托北京工業(yè)大學材料與制造學部材料專業(yè)工程實踐教學平臺和工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，以學生為主體，以社會需求為導向，以全面工程教育為手段，以能力和素質(zhì)培養(yǎng)為核心，設(shè)計一系列先進的貼近工業(yè)現(xiàn)場的，以資源節(jié)約與環(huán)境友好為主導的“虛實結(jié)合，仿真互動”深度融合的材料綠色制造虛擬仿真項目，打造典型材料生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)實驗、綜合實驗、實習實訓、設(shè)計研究虛擬仿真實踐教學平臺，構(gòu)建新工科背景下“兩型社會”（資源節(jié)約型社會、環(huán)境友好型社會）的材料類工程實踐教學體系，結(jié)合實際的工程課題，借助虛擬項目進行工程人才培養(yǎng)，培養(yǎng)出高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際化大都市所需的具有較強實踐能力、扎實工程基礎(chǔ)的專業(yè)創(chuàng)新型人才，為國家的創(chuàng)新人才培養(yǎng)和經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮重要的作用。

三、虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)內(nèi)容

我校虛擬仿真實驗教學平臺的建設(shè)內(nèi)容包括材料生命周期工程實踐平臺，以企業(yè)的實際運行情況開發(fā)數(shù)字技術(shù)與專業(yè)融合的虛擬仿真實踐項目，以及線上線下相結(jié)合的全過程、多場景的教學模式。

（一）研制了數(shù)字技術(shù)與專業(yè)融合的虛擬仿真實踐項目

通過深入分析材料科學與工程專業(yè)的學生培養(yǎng)的實習、實踐教學需求強烈和實踐教學基地不足的矛盾，結(jié)合計算機模擬仿真開展實踐教學。將資源節(jié)約和環(huán)境友好的元素融入材料的“四要素”，更新、改進并提升材料制備、材料加工、材料性能測試和材料結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)實驗課程內(nèi)容。材料綠色制造虛擬仿真教學項目通過模擬工廠的真實生產(chǎn)環(huán)境，輔以動畫、虛擬場景、高清視頻等多種表現(xiàn)形式，培養(yǎng)學生解決工程及科學研究問題的能力與素質(zhì)，同時熟悉材料生產(chǎn)過程中的相關(guān)標準，以及安全、衛(wèi)生、環(huán)境等法律法規(guī)，增強理論課的實踐效果，提高學生的學習興趣，增強傳統(tǒng)專業(yè)的吸引力。我校設(shè)計了“水泥企業(yè)3D實景生產(chǎn)系統(tǒng)”（見圖1）。該系統(tǒng)基于水泥生產(chǎn)企業(yè)實景測繪，以動畫、漫游、虛擬場景等多角度地呈現(xiàn)了水泥生產(chǎn)設(shè)備、物流及工藝的相互關(guān)系。我校建立了“水泥熟料生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)”（見圖2）。該系統(tǒng)以設(shè)備仿真操作、過程控制參數(shù)仿真、操作呈現(xiàn)、操作過程評價等交互方式進行仿真訓練，并加強學生對水泥生產(chǎn)流程的認知和操作控制。我校完成了“水泥生產(chǎn)熱工系統(tǒng)物質(zhì)流/能量流測試與計算虛擬仿真實驗”（見圖3）。在線模擬虛擬環(huán)境下的水泥生產(chǎn)線關(guān)鍵熱工參數(shù)的溫度、壓力、表面散熱、煙氣成分、粉塵含量的測試、數(shù)據(jù)獲取、計算等過程。一系列的以材料全生命周期評價為核心的從專業(yè)基礎(chǔ)到工程應(yīng)用的多層次實踐教學體系，提升了學生運用材料學科的基礎(chǔ)知識解決具體工程問題的能力。

（二）創(chuàng)建了融合數(shù)字技術(shù)的材料生命周期工程實踐平臺

我校依托工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，建立了融合數(shù)字技術(shù)的材料生命周期工程實踐教學平臺。相關(guān)教學團隊逐漸加強科研成果與教學研究的有機結(jié)合，將現(xiàn)行的國家標準、設(shè)計規(guī)范與行業(yè)認證綠色制度等融入相關(guān)課程的理論與實踐教學，通過將企業(yè)實際的綠色制造設(shè)計研發(fā)與管理運行數(shù)據(jù)以教學案例庫的形式進行整合優(yōu)化（見圖4），并依托專業(yè)軟件建立融合材料生態(tài)設(shè)計、清潔生產(chǎn)技術(shù)優(yōu)選、綠色產(chǎn)品評估認證等綠色制造全流程一體化的理論實踐教學平臺。實驗均來自教師承擔的國家重大專項、國家自然基金項目、企業(yè)合作等項目，調(diào)動學生的主動性和積極性，形成自主學習的良好習慣。在實驗中提升學生發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力，根據(jù)實際情況及時調(diào)整實驗教學模式，實現(xiàn)向綜合型、設(shè)計型、創(chuàng)新型實驗過渡，從而滿足多階段學習、多方式實踐，使學生在信息獲取能力、基本實驗?zāi)芰?、?chuàng)新能力、總結(jié)分析能力、團隊合作能力等方面都得到提升。

（三）建立了基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學和基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導式、開放式教學相結(jié)合的虛擬仿真教學模式

虛擬仿真教學是信息技術(shù)與實驗教學深度融合的產(chǎn)物，拓展了學生的學習資源和空間，豐富了學生的學習模式，特別是可以虛擬仿真危險實驗，彌補了不能開設(shè)這樣課程的不足。開創(chuàng)了線上線下教學相結(jié)合的個性化、智能化、泛在化實驗教學模式，將基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學和基于翻轉(zhuǎn)課堂的引導式、開放式教學相結(jié)合，借助網(wǎng)絡(luò)平臺下的虛擬仿真技術(shù)，通過信息技術(shù)與專業(yè)知識的有機結(jié)合，豐富了教學內(nèi)容，提高了學生的學習興趣。虛擬場景下的全流程、多工位動態(tài)仿真，必將扭轉(zhuǎn)學生對材料制造工藝的傳統(tǒng)認知，學生通過完成教學項目，能有效調(diào)動學習的積極性，既掌握了實踐技能，又掌握了相關(guān)安全知識；既學習了課程，又學習了工作方法幫助解決問題，能夠充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高了學生解決實際問題的能力。

四、材料綠色制造虛擬仿真實驗教學平臺實施效果

材料綠色制造虛擬仿真實驗教學平臺以學生為主體，以社會需求為導向，以全面工程教育為手段，以能力和素質(zhì)培養(yǎng)為核心，鼓勵學生利用虛擬仿真平臺和材料制備與性能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓平臺，通過策劃、設(shè)計和創(chuàng)造，進行創(chuàng)新型實驗課、校內(nèi)生產(chǎn)實習等教學科研實踐活動，實踐訓練受益學生1000多人。學生依托材料專業(yè)工程實踐教學平臺和工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，分析和解決了材料生產(chǎn)和實踐中遇到的問題，將設(shè)計方法和思路在該教學平臺進行實驗驗證、申報專利、發(fā)表論文。材料綠色制造虛擬仿真實驗教學平臺的實施將培養(yǎng)一批具有較強工程能力、扎實專業(yè)知識的創(chuàng)新型人才，為國家建設(shè)和社會發(fā)展做出貢獻。

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Construction and Implementation of Virtual Simulation Experiment Teaching Platform for Material Green Manufacturing

WANG Ya-li， CUI Su-ping， GONG Xian-zheng

（Faculty of Materials and Manufacturing， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： Green manufacturing is a strategic emerging industry for the transformation and upgrading of traditional manufacturing industry， which puts forward higher requirements for talents. The existing material preparation and performance practice platform cannot effectively combine with the actual material manufacturing process， and the practice course cannot meet the needs of each student to carry out personal practice. It is urgent to establish an experimental teaching platform combined with virtual reality. Relying on the engineering practice teaching platform of material specialty and the national engineering laboratory of industrial big data application technology， a series of advanced virtual simulation experiment teaching projects of typical material manufacturing close to the industrial site are created. The virtual simulation practice teaching platform of typical material green manufacturing is formed， and the practice teaching system with the characteristics of resource saving and environment friendly is constructed， which lays a foundation for cultivating innovative talents needed for the development of high-tech industry in Beijing and international metropolis.

Key words： material green manufacturing; virtual simulation; practice teaching; innovation ability