冶金工程专业是一门以研究把矿石中的有价金属或其化合物进行提取并加工成材料的应用型学科，主要培养能够在冶金工程领域科学研究与开发应用、工程设计与实施、技术攻关与技术改造、新技术推广与应用、工程规划与冶金企业管理等方面的高级应用型工程科技才。因此，实验教学及面向生产现场的认识实习显得尤为重要。

但是,当前由于实验器材设备昂贵,实验操作的危险性较高,尤其是在生产车间实习期间,生产单位往往从安全角度出发,要求学生对生产工艺过程只能远远观望。诸多因素,导致学生对于生产现场的认识大多只能停留在书本层面,很难对生产流程和设备构造有更进一步的认识。

虚拟仿真技术应用于冶金工程专业实验教学中，以冶金过程为专业背景，利用虚拟仿真技术，搭建了虚拟仿真实验教学平台,同时与武钢、宝钢等众多钢铁企业建立战略合作伙伴关系,利用冶金过程远程数据交互中心,实现生产现场的数据与画面的实时共享与保存,并基于大数据分析技术,将现场生产工艺参数与产品质量构建直接联系。在实验教学方面,能够让学生更加直观地了解生产现场，能够使学生将所学专业知识与工艺参数的设定原则相对应，有效地提高了学生的工程实践能力,大幅度提升了教学质量；在科研方面,利用生产数据共享与分析,能够实现对生产环节的全参数掌控,为生产单位的技术攻关及新产品开发等奠定坚实的工作基础。

冶金工程虚拟仿真实验教学平台建设以现代钢铁制造全流程“铁—钢—轧”为主线，着力建设炼铁仿真模块、炼钢仿真模块、轧钢仿真模块等三大模块，以及基础通识、综合训练、专业设计和创新研究等四个层次的实验教学资源体系，通过完备的冶金虚拟仿真实验中心，使学生能够对整个钢铁工业流程形成全面的认识。有效培养学生工程实践、专业设计和科技创新三种能力。

1. 炼铁虚拟仿真模块

炼铁生产操作虚拟仿真子模块采用3D 动画技术仿真完整的炼铁工艺过程，其设备和场景制作高度仿真，涵盖了全工艺流程的自动化二级监控系统和操控硬件设备（仿真现场操作台），同时采用虚拟现实技术将生产现场的自动化操控系统进行虚拟仿真，实现与虚拟场景和设备的完全互动，可实现高炉动态连续冶炼过程。

2. 炼钢虚拟仿真模块

炼钢生产操作虚拟仿真子模块配合声音、图像、动画及互动实景设备，培养学生熟练掌握炼钢工艺流程。通过反复练习炼钢模拟操作，有效实现学生在生产无法进行的实际操作、了解并学习处理实际操作中的生产事故等，达到熟能生巧的目的，提高学习效率。

3. 轧钢虚拟仿真模块

轧钢生产操作虚拟仿真子模块涵盖了目前冶金企业常见的轧钢生产线，生产工艺流程、自动化控制界面、工艺装备以及操控设备都与现场保持一致，场景采用虚拟现实技术仿真呈现，通过网络通信实现操作设备与虚拟场景的完全互动。轧钢虚拟仿真子模块可以完成对应工艺下的一些实验项目，在实验过程中学生应根据成品尺寸与性能的要求，初步设计实验方案后，输入原料和工艺参数后生产轧制程序表，然后进入操作界面进行仿真操作，最终生成报表并给出评价。

4. 虚拟仿真实验教学模块

虚拟仿真实验教学模块具有高度的仿真性、准确性、规范性、交互性等，主要涵盖认知学习、仿真操作、考核评价、实践创新、工艺设计和教学资源库等六部分。以热轧带钢虚拟仿真系统为例,分别对以上子模块在冶金工程专业中的具体应用进行阐述。

4.1 认识学习

虚拟仿真实验教学平台的认知学习模块主要集合了对热轧带钢生产设备及工艺参数的详细介绍,对主要设备如加热炉、粗轧机、精轧机、工作辊系、层流冷却等,可以进行三维拆解,同时附带该设备的生产现场录像,使学生能够快速掌握设备的结构组成,提升教学效果。并且在一定范围内,还可以实现与其他专业课程的交叉授课,如塑性加工设备等,帮助学生加深对设备构造的理解。

4.2 仿真操作

虚拟仿真实验教学平台的仿真操作模块,将整个生产工艺过程分为4个区域,分别为加热炉区、粗轧区、精轧区、卷取区。

在加热炉区,通过设定加热工艺计算程序,使学生能够掌握制定加热工艺的原则,认识到钢坯中心温度、表面温度与平均温度之间的定量关系。除加热工艺设定外,对蓄热式步进加热炉的炉体构造、关键参数的调整(如空燃比,炉压等)、辅助液压系统、装钢出钢等通过最大程度还原生产现场的具体操作,使学生在排除系统故障和调整参数的过程中,加深对工艺的认识和理解。

对于板带热轧,板形控制是评价产品质量的一项重要指标。在虚拟仿真实验教学平台中,对于板形调整的实训内容也非常丰富。在轧制前准备条件完成后,可以通过观察板带的平坦度曲线,调节弯辊、操作侧和传动侧压下实现对热轧带钢板形的在线调整。此外,针对常见的镰刀弯缺陷,设置了镰刀弯仿真实训,使学生加深对热轧板带缺陷的了解,并能有效掌握消除缺陷的措施。

4.3 考核评价

虚拟仿真实验教学平台的考核评价模块,将主要的操作规程和关键工艺参数作为考核点,一方面可以锻炼学生独立操作能力,另一方面可以检验教学质量,通过考核评价模块,完成对教学效果的定量评价。通过学生对整个生产流程的操作,可以全面了解学生对工艺过程及设备操作的掌握程度。再通过整理学生操作易错点,对未来教学工作的持续改进具有一定的指导意义。

4.4 实践创新

虚拟仿真实验教学平台的实践创新模块,通过计算、设定轧制工艺规程以及轧辊辊型曲线等,使学生能够更好地掌握工艺参数背后的技术细节,为将来的课程设计、毕业设计等教学活动打下基础。

4.5 工艺设计

虚拟仿真实验教学平台的工艺设计模块,以钢材产品的生产车间设计为目标,以产品大纲和年产量为指导,将加热炉、除磷机、粗轧机、精轧机、卷取机等主要设备模块化,以设备的产品规格和年产能力为选择依据,让学生自主进行产品生产线的组装。组装完成后,系统会对车间设计进行评价,并指出生产线中不相匹配的设备,指导学生进行改进。工艺设计模块能够使学生对钢材产品的车间设计更加直观,并对设备选取的反馈更及时,提升学生自主学习能力。

4.6 教学资源库

围绕上述虚拟仿真实验教学平台,在认识学习模块基础上,教师可以对专业知识进行丰富和扩充,并且可以实现资源共享。将传统教学与信息技术结合,提高教学效果。

冶金工程虚拟仿真实验教学平台资源丰富、层次鲜明、由浅入深、操作性强，适用于不同层次的各种相关人员学习，尤其是专业学生通过该系统与工程模拟、动态模型虚实结合的训练既能够加深学生对抽象的、难懂的理论知识的理解；又有利于学生亲自动手进行烧结、炼铁、炼钢、轧钢等方面的综合实验，增强 “钢铁是怎样炼成的”实感，培养学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力和创新能力；还有利于学生进行现代冶金生产操作训练，弥补学生以往到生产现场不能进行生产操作训练和冶金工艺实验的遗憾，缩短了上岗周期，有利于培养学生的工程能力和提升就业竞争力。