材料绿色制造虚拟仿真实验教学平台的建设与实施

［摘 要］ 绿色制造是对传统制造业改造升级的战略性新兴产业，对人才提出了更高的要求，现有材料制备与性能实践平台无法与实际材料制造过程有效结合，实践课程无法满足学生都能进行亲身实践，因此需要建立虚实结合的实验教学平台。依托材料专业工程实践教学平台和工业大数据应用技术国家工程实验室，创建了一系列先进的、贴近工业现场的典型材料制造虚拟仿真实验教学项目，形成了典型材料绿色制造虚拟仿真实践教学平台，构建了具有资源节约和环境友好特色的实践教学体系，为培养高新技术产业发展所需的创新型人才奠定了基础。

［关键词］ 材料绿色制造；虚拟仿真；实践教学；创新能力

［基金项目］ 2020年度新工科研究与实践项目“材料专业绿色化信息化改造升级的探索与实践”（E-CL20201901）；2020年度北京工业大学教育教学课题“典型材料制造虚拟仿真实验教学项目共建与整合优化研究”（ER2020B042）

［作者简介］ 王亚丽（1978—），女，河北邢台人，博士，北京工业大学材料与制造学部教授（通信作者），博士生导师，主要从事水泥熟料化学和水化化学研究；崔素萍（1964—），女，山西榆次人，博士，北京工业大学材料与制造学部教授，博士生导师，主要从事水泥和水泥基材料研究；龚先政（1967—），男，四川苍溪人，博士，北京工业大学材料与制造学部教授，博士生导师，主要从事生命周期分析科学数据和大数据应用技术研究。

［中图分类号］ G424.31 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）07-0001-04 ［收稿日期］ 2022-06-10

《中国制造2025》的基本方针是“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”，促进制造业数字化、网络化、智能化，而基于绿色制造的传统制造业的改造升级和发展战略性新兴产业等对人才提出了更高的要求，强调要加强节能环保技术、工艺、装备推广应用，全面推行清洁生产，学生需要掌握资源、材料、加工制造、环境、信息等多种学科知识。应对新经济的调整和产业变革需求，在教育部的积极推进下，大数据、云计算、智慧物联网等信息化技术融合的新学科建设受到越来越多的关注［1-4］。为贯彻落实《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》，教育部办公厅发布了《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》（教高厅〔2017〕4号），教育部发布了《关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》（教高函〔2018〕5号）。

虚拟仿真实验是采用虚拟仿真现实、人机交互、数字化、智能化技术等手段，根据理论与实验教学的需求设计出用于辅助教学的虚拟场景、虚拟环境、虚拟仪器设备、实验线路或回路、实验器件及构件库、演示和判别理论，以及实验过程和标准等内容，创设符合教学目标的情境问题，调动学生参与实验教学的积极性，并主动总结和验证结果［5-9］。我国材料绿色制造业高速发展自动化、智能化的生产流程限制了现场教学，学生即使到了生产一线也只能走马观花，或者在全自动中控室面对跳动的数据，无法进行材料生产过程关键工艺参数的采集与分析，现有材料制备与性能实践平台无法与实际材料制造过程有效结合，因此要将实践教学与虚拟仿真教学高度融合，构建材料绿色制造虚拟仿真实验教学平台，提高学生对材料流程专业知识的认知度。

一、虚拟仿真实验教学平台的建设需求

基于绿色制造的传统制造业的改造升级和发展战略性新兴产业等对人才提出了更高的要求，应该具备“专”和“通”两方面的能力。“专”是指专业方面的能力，包括理论分析与抽象能力、问题理解与求解能力、系统分析与设计能力、系统开发与实现能力、系统应用与管理能力、实践经验与动手能力及持续学习与改进能力等。“通”是指跨文化的沟通能力、项目组织与团队协作能力、经营管理能力、创新能力及国际竞争能力等。面向生态城市建设和材料产业发展需求，培养具有材料与环境协调发展理念，具备人文社会科学素养，以及坚实的自然科学基础、工程基础和材料科学与工程专业知识，能够应用工程原理在解决与材料相关的复杂工程问题中发挥有效作用的人才。实验教学是学校培养学生实践和科研能力等综合素质的重要环节。知识源于实践，能力来自实践。加强实验教学，一方面可以帮助和促进学生对理论知识的理解，突出理论知识的应用性；另一方面可以使学生在实验和理论的对比中找到差距，加深理解，帮助其分析问题。在新工科和“资源节约、环境友好”的背景下，材料专业应该从专业、课程和知识体系等方面讨论新结构，提出新工科在教学等方面需要新方法，改革以强化工程应用能力为目标的“资源节约与环境友好型”材料实践教学体系。教育部明确了示范性虚拟仿真实验教学项目建设的目标及内容，并提出了以学生为中心的实验教学理念、准确适宜的实验教学内容、创新多样的教学方式方法、先进可靠的实验研发技术等8项具体要求。以资源节约与环境友好为主导的“虚实结合，仿真互动”深度融合的典型材料制造虚拟仿真项目十分必要。

二、虚拟仿真实验教学平台的建设目标

依托北京工业大学材料与制造学部材料专业工程实践教学平台和工业大数据应用技术国家工程实验室，以学生为主体，以社会需求为导向，以全面工程教育为手段，以能力和素质培养为核心，设计一系列先进的贴近工业现场的，以资源节约与环境友好为主导的“虚实结合，仿真互动”深度融合的材料绿色制造虚拟仿真项目，打造典型材料生产流程的基础实验、综合实验、实习实训、设计研究虚拟仿真实践教学平台，构建新工科背景下“两型社会”（资源节约型社会、环境友好型社会）的材料类工程实践教学体系，结合实际的工程课题，借助虚拟项目进行工程人才培养，培养出高新技术产业发展和国际化大都市所需的具有较强实践能力、扎实工程基础的专业创新型人才，为国家的创新人才培养和经济建设发挥重要的作用。

三、虚拟仿真实验教学平台的建设内容

我校虚拟仿真实验教学平台的建设内容包括材料生命周期工程实践平台，以企业的实际运行情况开发数字技术与专业融合的虚拟仿真实践项目，以及线上线下相结合的全过程、多场景的教学模式。

（一）研制了数字技术与专业融合的虚拟仿真实践项目

通过深入分析材料科学与工程专业的学生培养的实习、实践教学需求强烈和实践教学基地不足的矛盾，结合计算机模拟仿真开展实践教学。将资源节约和环境友好的元素融入材料的“四要素”，更新、改进并提升材料制备、材料加工、材料性能测试和材料结构分析的基础实验课程内容。材料绿色制造虚拟仿真教学项目通过模拟工厂的真实生产环境，辅以动画、虚拟场景、高清视频等多种表现形式，培养学生解决工程及科学研究问题的能力与素质，同时熟悉材料生产过程中的相关标准，以及安全、卫生、环境等法律法规，增强理论课的实践效果，提高学生的学习兴趣，增强传统专业的吸引力。我校设计了“水泥企业3D实景生产系统”（见图1）。该系统基于水泥生产企业实景测绘，以动画、漫游、虚拟场景等多角度地呈现了水泥生产设备、物流及工艺的相互关系。我校建立了“水泥熟料生产线仿真系统”（见图2）。该系统以设备仿真操作、过程控制参数仿真、操作呈现、操作过程评价等交互方式进行仿真训练，并加强学生对水泥生产流程的认知和操作控制。我校完成了“水泥生产热工系统物质流/能量流测试与计算虚拟仿真实验”（见图3）。在线模拟虚拟环境下的水泥生产线关键热工参数的温度、压力、表面散热、烟气成分、粉尘含量的测试、数据获取、计算等过程。一系列的以材料全生命周期评价为核心的从专业基础到工程应用的多层次实践教学体系，提升了学生运用材料学科的基础知识解决具体工程问题的能力。

（二）创建了融合数字技术的材料生命周期工程实践平台

我校依托工业大数据应用技术国家工程实验室，建立了融合数字技术的材料生命周期工程实践教学平台。相关教学团队逐渐加强科研成果与教学研究的有机结合，将现行的国家标准、设计规范与行业认证绿色制度等融入相关课程的理论与实践教学，通过将企业实际的绿色制造设计研发与管理运行数据以教学案例库的形式进行整合优化（见图4），并依托专业软件建立融合材料生态设计、清洁生产技术优选、绿色产品评估认证等绿色制造全流程一体化的理论实践教学平台。实验均来自教师承担的国家重大专项、国家自然基金项目、企业合作等项目，调动学生的主动性和积极性，形成自主学习的良好习惯。在实验中提升学生发现问题并解决问题的能力，根据实际情况及时调整实验教学模式，实现向综合型、设计型、创新型实验过渡，从而满足多阶段学习、多方式实践，使学生在信息获取能力、基本实验能力、创新能力、总结分析能力、团队合作能力等方面都得到提升。

（三）建立了基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合的虚拟仿真教学模式

虚拟仿真教学是信息技术与实验教学深度融合的产物，拓展了学生的学习资源和空间，丰富了学生的学习模式，特别是可以虚拟仿真危险实验，弥补了不能开设这样课程的不足。开创了线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学模式，将基于网络的远程教学和基于翻转课堂的引导式、开放式教学相结合，借助网络平台下的虚拟仿真技术，通过信息技术与专业知识的有机结合，丰富了教学内容，提高了学生的学习兴趣。虚拟场景下的全流程、多工位动态仿真，必将扭转学生对材料制造工艺的传统认知，学生通过完成教学项目，能有效调动学习的积极性，既掌握了实践技能，又掌握了相关安全知识；既学习了课程，又学习了工作方法帮助解决问题，能够充分发掘学生的创造潜能，提高了学生解决实际问题的能力。

四、材料绿色制造虚拟仿真实验教学平台实施效果

材料绿色制造虚拟仿真实验教学平台以学生为主体，以社会需求为导向，以全面工程教育为手段，以能力和素质培养为核心，鼓励学生利用虚拟仿真平台和材料制备与性能创新创业实训平台，通过策划、设计和创造，进行创新型实验课、校内生产实习等教学科研实践活动，实践训练受益学生1000多人。学生依托材料专业工程实践教学平台和工业大数据应用技术国家工程实验室，分析和解决了材料生产和实践中遇到的问题，将设计方法和思路在该教学平台进行实验验证、申报专利、发表论文。材料绿色制造虚拟仿真实验教学平台的实施将培养一批具有较强工程能力、扎实专业知识的创新型人才，为国家建设和社会发展做出贡献。

参考文献

［1］李汉挺，刘利斌.基于物联网、云计算、大数据环境下高校智慧校园的建设［J］.中国新通信，2017，19（15）：72.

［2］李雄，孙路遥.虚拟仿真教学的内涵、设计及应用［J］.中国教育信息化，2019（6）：21-25.

［3］刘亚丰，余龙江，卢群伟，等.教育信息化背景下虚拟仿真教学资源建设［J］.实验科学与技术，2018，16（2）：195-198.

［4］王海山.虚拟仿真教学在高校实训培训中的探索［J］.教育教学论坛，2019（51）：161-162.

［5］李雄，孙路遥.虚拟仿真教学的内涵、设计及应用［J］.中国教育信息化，2019（6）：21-25.

［6］胡东萍，张延玲.虚拟仿真教学在应用型本科中的应用［J］.亚太教育，2016（18）：63-63.

［7］陈吉朋，刘英，许林云，等.高射程喷雾机优化设计虚拟仿真实验平台开发［J］.实验科学与技术，2020（18）：150-154.

［8］熊宏齐.虚拟仿真实验教学助推理论教学与实验教学的融合改革与创新［J］.实验技术与管理，2020，37（5）：1-4+16.

［9］王嘉晨，刘璐，王小锋，等.虚拟仿真技术对改进实验教学的探索［J］.广州化工，2020，48（8）：148-150.

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