钢铁生产全流程虚拟仿真实践教学平台的建设与应用

吕庆功,牟仁玲,许文婧,刘 立,赵志毅,李京社

(北京科技大学 高等工程师学院，北京 100083)

0 引 言

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容，是创新教学理念、改善教学方式和提高人才培养质量的有效手段[1-4]。虚拟仿真实验教学中心的建设任务是实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，宗旨是全面提升高校学生创新和实践能力，核心是共享优质实验教学资源，重点是建设信息化实验教学资源[5]。我校依托钢铁行业背景和优势学科资源，按照“校内资源整合、校企协同建设、资源开放共享”的原则，于2013年开始筹建钢铁生产全流程虚拟仿真实践教学平台(简称“虚拟平台”)，2014年6月投入试运行，2015年10月完成项目验收，2016年1月被教育部评为“国家级虚拟仿真实验教学中心”。本文以该虚拟平台的建设与应用为例，讨论虚拟平台的建设策略、教学环境建设、教学体系构建以及实践教学应用，促进基于虚拟仿真的工程实践教学模式创新与改革。

1 虚拟平台的建设策略

1.1 突出行业特色和学科优势，产学研协同共建共享资源

教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》(教高司函〔2013〕94号)指出，虚拟仿真实验教学中心建设要发挥学校学科专业优势，积极利用企业的开发实力和支持服务能力，充分整合学校信息化实验教学资源。我校是原冶金部部属院校，具有鲜明的行业背景特色，在采矿、冶金、材料等学科领域优势突出，在能源、机械、自动化等学科领域也有较雄厚的实力,故本虚拟平台建设以钢铁行业为背景，以钢铁全流程典型生产线为载体和单元开发虚拟仿真实践教学系统。

同时，虚拟平台应充分发挥各相关单位和人员的特长，建立合作共赢长效机制。虚拟平台专职团队负责实验室建设、教学管理、教学资源开发与管理等工作；校内科研团队和专业教师以项目为依托开发、优化和更新仿真模型，同时基于虚拟平台开展教学和研究工作；企业基地和国家级工程实践教育中心为虚拟平台提供生产线原型、生产数据和经验模型，同时基于虚拟平台开展员工培训和技术研究；专业技术公司则以项目为依托完成软硬件系统集成、虚拟仿真软件开发、多媒体制作等工作，同时基于虚拟平台进行员工培训以及产品的研发、展示和推广等工作。

1.2 虚拟仿真与专业技术融合，集中呈现构建多学科平台

虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，是学科专业与信息技术深度融合的产物，也是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容[6-8]。虚拟平台针对钢铁生产“矿-冶-铸-轧”全流程典型工艺，充分利用虚拟仿真技术，集成采矿、冶金、材料、机械、能源、自动化等多学科教学资源，构建由虚拟场景、组态软件、虚拟PLC、工艺仿真模型和模拟培训操作台组成的虚拟仿真实践教学环境，高度仿真企业现场的生产条件，使学生在教室就能够体验企业实践。

虚拟平台采用教学资源集中建设模式，把各个单位、各个学科方向的教学资源和素材集成建设在一个教学空间，由专职团队进行专业化管理，构建多学科交叉的实践教学平台。基于跨专业的综合资源和评价系统，有利于培养学生对现代复杂流程工业的综合认知和分析能力。通过模型开发、参数优化、工艺调整等仿真模拟，可以培养学生的分析和解决复杂工程问题的能力。基于虚拟平台，学生不仅在本专业知识领域得到学习和锻炼，而且可以学习相关专业接口知识、上下游工序关联知识以及能源、环境、安全等相关专业知识，从而锻炼多学科交叉综合应用能力。

1.3 分层次设置实践教学功能，构建体系支撑培养方案实施

高等教育实践教学具有分层递进的特点[9-11]，这也符合学生循序渐进提高知识水平和实践能力的基本规律。虚拟平台建设要充分考虑培养方案和实践课程体系要求，按照“认知-应用-设计-创新”的递进关系分层次设置认知学习、实践操作、设计教学和实践创新等功能，并设置考核鉴定和教学资源管理等辅助功能。

虚拟平台应依据学校的实践教学体系、工程教育培养方案和课程体系要求构建虚拟仿真实践教学体系，以便切实支撑工程实践教学、提高实践教学质量，进而实现教学资源的高效利用和虚拟仿真教学的可持续发展。基于虚拟平台的虚拟仿真实践教学体系是学校实践教学体系的重要组成部分，既要符合学校实践教学体系的基本要求，又能自成体系，自动自发地发展和完善。

1.4 能力为导向优化教学内容，学生为主体创新教学方法

在我国本科工程教学体系中，存在重知识学习、轻能力培养的现象，主要特征是侧重学科基础知识的传授，而学生工程实践训练不足,实践教学的目标仍然以验证理论知识和掌握实验实训技能为主，而对责任感、表达能力、创新能力和协作精神没有硬性要求[12]。虚拟平台则充分利用了虚拟仿真技术优势,以钢铁生产全流程为对象和载体,在教学资源开发和建设上包含了采矿、冶金、材料、能源、机械、自动化等主体专业内容，以及环保、安全等要素。同时在教学内容方面还考虑素材多样、实践互动、团队协作和量化考核等属性，从而促进实践和创新能力的培养。

研究型大学的实践教学应以教师为主导、学生为主体，学生真正作为主体参与实践活动的全过程[13-14]。虚拟平台基于开放的教学资源和功能,提倡教师开展以学生为中心、以成果为导向的实践教学方法改革和创新，鼓励教师基于问题、案例和项目开展实践教学，倡导学生在教师指导下通过独立思考、主动实践、方案设计、项目实施、分析归纳等方式进行学习，提高实践能力，培养创新精神。

2 虚拟仿真实践教学环境建设

虚拟平台以钢铁生产全流程典型系统为对象和载体，将虚拟仿真技术与采矿、冶金、材料、机械、能源、自动化等专业技术相结合，以软件、动画、视频等方式构建和展示工艺原理、生产过程、设备结构和自动控制等方面的实践教学内容，形成了由工业组态软件、虚拟PLC、工艺仿真模型、教学设备和局域网系统组成的高度仿真企业生产的实践教学环境。

2.1 硬件系统

虚拟平台有2个虚拟仿真实验室(见图1)，教学面积400 m2，仿真操作台58套，虚拟仿真实践工位116个，服务器4台，大型屏幕显示系统2套，系统功能配置如图2所示。

图1 虚拟平台2个虚拟仿真实验室

图2 系统功能图

服务器主要承担各仿真单元的数据处理、功能仿真运算，并完成教学资源Web发布任务。教学机包括仿真实训教学机和虚拟场景教学机，仿真实训教学机承担仿真平台切换、教学课程设计及控制、设备规格变更、工艺参数设定、仿真操作教学功能，并承担多媒体网络教学管理职能，虚拟场景教学机承担监控虚拟生产工况职能，承担多媒体投放系统切换控制职能，同时还承担教师对各学生机生产工况浏览职能。每个仿真操作台配备1台仿真实训操作机和1台虚拟场景操作机,仿真实训操作机承担工艺参数设定和仿真操作训练功能，虚拟场景操作机则承担虚拟仿真生产场景的显示和监控功能。

为了尽量接近生产现场的场景效果，操作台按照生产现场操作台的材质、颜色和尺寸等要求进行制作，每个操作台配置了1个触摸屏用于模拟操作按钮，同时操作台上醒目位置还保留了1个实物急停按钮。仿真操作台布置见图3。

图3 仿真操作台

2.2 软件系统

虚拟平台的教学软件系统是基于C/S架构在工业组态软件和虚拟PLC环境下进行开发的，其控制逻辑和操作界面与实际生产线的自动化控制系统非常相似，控制对象则由工艺、设备和生产过程仿真模型替代实物对象系统。其中，仿真模型是生产原型、生产数据、生产经验、专业理论知识、数学建模与虚拟仿真技术等有机集成的产物，是虚拟仿真实践教学系统开发成功与否的核心和关键。

采矿、烧结、高炉炼铁、转炉炼钢、LF精炼、板坯连铸、方坯连铸、中厚板轧制、带钢热轧、带钢冷轧、高速线材轧制等虚拟仿真实践教学系统，在教学功能上设置有认知学习、实践操作、设计教学、创新实践、考核鉴定和教学资源管理等，教学素材形式包括专业设计软件、虚拟仿真操控软件、动画、视频等。基于这些系统，学生可以自主进行浏览式学习，也可以进行交互体验式学习，通过改变工艺参数和操作过程，观察参数和操作对生产的影响，从而深入理解工艺原理和实际生产过程，还可以深入开展设计和创新研究，并对设计和研究的系统和模型进行检验和评价，使其创新性成果更具有实效性。图4以转炉炼钢系统为例展示虚拟场景及仿真操控界面。

另外，自动化虚拟仿真实践教学系统针对钢铁生产全流程9个典型控制环节构建了由控制单元、对象模型和虚拟场景等组成的自动化系统设计、模型开发、编程和运行调试环境。其中，高炉布料系统可实现模式识别特征检测与自适应控制，转炉氧枪定位调速控制系统可实现快速精确位置控制，连铸机结晶器液位控制系统可实现引锭杆速度与中间包水口的多变量控制，热连轧精轧速度控制系统可实现多机架电动机速度协调控制，热连轧电动飞剪控制系统可实现双轴运动系统的控制，热连轧液压活套高度及张力系统可实现多变量和液压伺服控制，热连轧层流冷却控制系统可实现开关逻辑与前馈控制，冷连轧卷取张力控制系统可实现间接张力系统的闭环控制，板形板厚控制系统可实现多变量系统的解耦控制。该系统为自动化专业学生提供了专业认知和专业实践的平台，也为非自动化专业学生提供认知学习自动化系统的平台。

图4 转炉炼钢虚拟场景及虚拟仿真控制界面

3 虚拟仿真实践教学体系构建

实践教学体系是由目标、课程、教师、学生、评价等要素构成的有机联系的整体,包括实践教学的目标体系、内容体系、保障体系和评价体系。虚拟仿真实践教学体系是学校实践教学体系的重要组成部分，在建设和应用过程中必须按照实践教学目标、内容和形式的要求进行资源开发、功能配置和教学设计。为保障虚拟仿真实践教学的可持续发展，虚拟平台按照“教学资源特色化、教学目标层次化、教学内容系统化、教学方式多元化”的基本原则，构建了“1个流程、4个层次、6个要素、8个结合”的虚拟仿真实践教学体系。

3.1 1个流程

钢铁企业的制造流程是一类开放的、远离平衡的、不可逆的复杂过程系统，具有诸多功能不同的组成单元、复杂的结构和复杂的运行行为，其动态运行过程具有多层次性(原子和分子、场域及装置、区段过程、整体流程)、多尺度性、有序性和混沌性(功能、时间、空间等方面)、连接-匹配(静态)、缓冲-协调(动态)等方面的含义[15]。虚拟平台以钢铁生产全流程为仿真对象和载体，不仅有利于发挥学校的行业背景和学科特色优势，而且有利于培养学生认知、分析和解决复杂工程问题的能力，同时也为虚拟平台的资源建设和教学应用提供了基本框架和方向。

3.2 4个层次

工程实践教学的目标和内容是有层次性的，虚拟平台作为工程实践教学的支撑条件，在资源建设方面也需要有层次性，同时在教学应用方面要与培养方案中的各个实践教学环节紧密衔接。虚拟平台按照认知、应用、设计和创新4个学习层次进行资源开发和建设，在每套虚拟仿真实践教学系统中设置了认知学习、操作实践、设计教学和实践创新等功能模块。其中，认知学习功能可支撑认识实习环节，使学生深入了解生产工艺原理、生产过程、设备结构等；操作实践功能可支撑生产实习环节，使学生亲身体验工艺计算、参数设定和生产操控等，在应用专业知识的同时进一步加深理解；设计教学功能可支撑工程设计和毕业设计环节，学生可虚拟进行生产流程设计、设备选型设计、设备及工艺参数优化设计、工艺平面布置设计等工程设计训练，为顺利开展设计项目打好基础；创新实践功能可支撑毕业设计和初步课题研究，学生通过模型开发和参数优化深入认识和探索工艺过程与结果的相关性，深挖创新研发潜力，达到能力拓展的目标。

3.3 6个要素

工艺、设备、自动化、能源、环境、安全等是虚拟平台教学资源开发和教学实践中着重关注和体现的6个基本要素。其中，工艺是指从原料到成品的过程和方法的总称，在钢铁生产全流程中对应的专业包括采矿、冶金和材料；设备是钢铁生产过程的执行机构，对应的专业是机械工程；自动化是指钢铁生产过程的自动控制过程和系统，相当于人类的神经系统和大脑，对应的专业就是自动化；能源对应的专业是能源与动力工程，在钢铁生产过程中主要体现为能量传递、能源保障供应和能源管理等；环境则关乎钢铁生产过程的资源利用和废物排放，关乎自然资源、自然环境和人类生命福祉，对应的专业是环境工程；安全则是直接关系到钢铁生产过程中的人身和财产安全，是工程设计和生产管理中必须关注的因素，对应的专业是安全工程。

上述6个要素涉及我校8个优势学科专业，体现了现代复杂生产流程的技术要件和特征，非常具有代表性。虚拟平台在教学资源开发过程中要关注上述6个要素，以确保教学资源的系统性、完整性和科学性。在教学过程中，对于不同专业的学生也要不同侧重的关注到上述6个要素，从而保证学生知识掌握的全面性、实用性和创新性，为培养解决复杂工程问题能力提供支撑。同时，学生在掌握上述6个要素的基础上，还可以结合经济、管理、物联网、人工智能等知识进行技术综合应用学习，构建更加复合的知识和能力结构。

3.4 8个结合

虚拟平台的建设和应用其实也是资源优化配置的管理过程，基本宗旨就是要充分利用资源，提高教学效果，切实提高学生的实践和创新能力。“8个结合”体现了教学资源开发、教学设计和师资队伍建设3个方面的设想和要求，是保障虚拟仿真实践教学顺利实施的基本条件。

在教学资源开发方面:①自主开发与对外委托开发相结合。虚拟平台可以自主开发一些比较简单的教学资源，比如PPT、视频、微课等，也可以采用竞赛征集的方式发动学生和老师开发一些教学资源素材，还可以联合学校现代教育技术中心开发视频课件、生产视频等资源。对于比较大型和复杂的教学系统，可以利用基本条件建设经费对外委托专业技术公司进行开发，也可以采购专业的商业软件。②国内资源与国外资源相结合。虚拟平台在建设教学资源的同时，还要注重国内外教学资源的共享和应用。我国现已有300个国家级虚拟仿真实验教学中心，可以通过校际共享来拓宽教学资源范围,尤其是钢铁生产相关的兄弟院校之间，更应建立资源共享机制。我校是冶金行业卓越校联盟秘书处单位，也是北京市卓越联盟成员单位，为虚拟平台共享校外资源提供了便利条件。同时，北美国际钢铁大学开发的网络版钢铁生产仿真学习资源是全球免费开放的，也可以作为钢铁生产虚拟仿真学习的补充资源，而且可以通过参加基于该资源的国际钢铁大赛来加强资源应用效果和国际交流。

在教学设计方面:①虚拟仿真与企业实践相结合。通过虚拟仿真学习可以全面掌握整个生产流程，学生可了解上下游工序之间的关系，掌握工艺流程中装备组成与性能、生产过程、模型建立、参数匹配、工艺控制等，培养工程认知和应用能力；通过企业的实际生产过程实习，学生可了解大工业背景、企业文化、实际生产的复杂性、存在的问题等，培养学生发现问题、分析问题的能力；虚拟仿真实践与企业实践有机结合，既解决了以往实际现场只是参观了解、无法深入掌握知识的难题，又不失大工业实践的体验，可大大提升工业实践的效果和质量。②线下学习与线上学习结合。基于虚拟平台，学生可以在实验室进行线下学习，同时虚拟平台建设了门户网站和线上教学资源管理平台，学生可以通过互联网访问网站进行随时随地的学习，打破了教室空间和上课时间的限制，从而实现线下学习和线上学习的结合。③讲授教学与自主学习结合。基于虚拟平台丰富而生动的教学资源，教师可以采用讲授的方式进行教学，也可以尝试采用以教师为主导、学生为主体的自主学习方式，为创新教学方法提供了更多可能性。④课上学习与课下学习相结合。网上教学资源管理平台的建设为学生课下学习提供了便利条件，教师可充分利用虚拟平台的教学环境和教学资源条件，尝试采用基于问题、案例和项目的教学方法，积极进行翻转课堂、CDIO等教学模式改革。

在师资队伍方面:①专职教师与兼职教师结合。虚拟平台教学资源涉及的教学内容非常宽泛，专业跨度又比较大，而教学计划中的实践教学学时是有限的，所以全部配置专职教师来完成虚拟仿真实践教学既不经济也不现实，采用专兼职结合的方式更具有合理性和可行性；专职教师负责虚拟平台的教学运行管理、教学资源开发和教学软件培训，并承担部分课程讲授和实践指导工作，兼职教师则主要负责课程讲授和实践指导工作，通过专兼职结合覆盖教学计划要求的实践教学任务。②校内教师与企业教师结合。校内教师大多没有企业工作经验，对生产现场也不熟悉，所以在虚拟仿真实践教学能力方面有所欠缺；请企业有经验的工程师参与到虚拟仿真实践教学，不仅可以提高实践教学效果，还可以对校内教师起到培训作用，进而从整体上提高实践教师队伍的实践教学水平。

4 虚拟仿真实践教学应用

虚拟平台紧密结合工科试验班6个专业以及校内各学院相关专业的实践教学环节开展虚拟仿真实践教学，同时为课题研究、专业课程、通识课程和科普教育提供支撑，还承担了外国专家课支撑、专业认证支撑、教学交流和接待来访等任务。

4.1 认识实习与生产实习

为冶金工程、材料科学与工程、能源与动力工程、机械工程、自动化、安全工程、环境工程等专业的学生开展“虚拟仿真+企业实践”的虚实结合认识实习和生产实习。2015～2017年为2 000多名学生开展了30 000多人时的虚拟仿真实践学习，相应编写了虚拟仿真认识实习大纲和虚拟仿真生产实习大纲，同时开设了虚拟仿真实践课程“工程实践ⅠA”，已列入工科试验班教学计划的实践类课程。

4.2 课题研究、专业课程、通识课程和科普教育

虚拟平台与冶金新技术国家重点实验室、高效轧制国家工程研究中心、国家板带生产先进装备工程技术研究中心等保持着密切的合作与交流，开展了大量的模型开发和技术研讨工作。为高等工程师学院、材料科学与工程学院、能源与环境工程学院等开设了专业选修课程“钢铁生产虚拟仿真实践A”和“钢铁生产虚拟仿真实践B”，同时为钢铁冶金学、材料成形设备与车间设计等专业课程的实践环节提供支撑。另外，虚拟平台还为外国语学院MTI研究生开设了钢铁生产通识课程，为科大附小、育英学校、北京八中等中小学学生开展了“钢铁是怎样炼成的”科普教育活动。

4.3 外国专家课、专业认证、教学交流和接待来访

虚拟平台支撑了外国专家课程国际工程沟通、材料导论和材料与环境等，支撑了采矿工程、冶金工程、材料科学与工程、机械工程、自动化、测控技术与仪器、安全工程、环境工程等专业的工程专业建设与认证，同时为冶金行业卓越工程师培养联盟开展了工程营活动，为北京市卓越工程师教育培养计划高校联盟开设了实践类共享课程“钢铁生产虚拟仿真认知实践”，接待国内外高校和企事业单位来访30余起。

5 结 语

虚拟仿真实践教学体现了学科融合和新工科教学的特点，有利于学生解决复杂工程问题能力的培养。虚拟平台建设策略的总结和基于虚拟平台构建的“1个流程、4个层次、6个要素、8个结合”虚拟仿真实践教学体系对于虚拟平台的建设、应用和可持续发展具有重要的实用价值和指导意义，也可为虚拟仿真实践教学模式改革提供参考。虚拟平台将在教学实践中进一步优化和完善教学资源、教学方法和师资队伍，努力将虚拟仿真教学更好地应用到实践教学环节，为提升实践教学质量、促进培养目标达成发挥积极作用。