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摘 要： 作为世界上的钢铁生产大国，中国需要高等工科院校培养大量钢铁领域工程师人才。然而出于经济和安全等原因，钢铁生产相关专业在校大学生在企业的现场实习环节大多无法保证时间和质量，使重要的教育实践环节被迫流于形式。在校园内建设一个整合了钢铁生产全流程的仿真模拟平台，可以作为企业实习的一个重要补充。本文以北京科技大学钢铁生产虚拟仿真平台的建设，介绍学校对虚拟实习的探索。虚拟实习的开展将为学校节省大量的实习经费开支同时保证实习质量，同时还可以使学校协助钢铁生产企业培训新员工及开展校企合作科研工作。
关键词： 虚拟实习 钢铁生产 工科学生 钢铁企业
一、钢铁制造行业实习的现状与困境
实习是工科院校实践教学的主要环节之一，学生通过该教学环节，了解实际的生产过程，加深对理论知识的理解，并增强对生产工艺过程、生产设备、生产组织及其管理等的认识，从而达到扩大知识面、增强感性认识、有效提高学生的创新意识和工程能力的目的[1]。如此重要的教学实践环节，现实中普遍遭遇到的困难是，全国钢铁行业高校数千工科学生暑假期间集中去钢企实习，企业作为以生产为主要职责的单位，没有专门的指导实习的人员，同时出于经济和安全的考虑，只能最大限度地安排学生很短时间的实习，而且多以参观为主。例如采矿工程专业、冶金工程专业、材料成型及控制工程专业的学生在大二及大三年级小学期需要分别开展为期三周和五周的认识实习和生产实习，而实际在企业现场的时间只有短短几天，导致学生无法在有限的时间内对需要了解的工序和技术做深入的学习和动手实践。
还需要考虑的是，由于学校很多实习指导教师本身对于企业的实际生产情况不熟悉，而拥有企业科研合作经历和现场经验的教师工作都忙于科研无法带实习，导致在大批学生集中去企业实习的过程中，无法有效在现场展开指导，错过在现场教育学生进行对照学习提高的机会。而在校内集中开展学生的教学实践环节，则可以最大限度地安排有经验的教师对学生进行指导，从而达到良好的教学效果。但校内目前的教学实践基地都落后于生产实际，且难以进行提高和改善。
同时随着科学技术的进步，钢铁企业的生产已经不再是以人工现场操作为主，而转变为趋于自动化、连续化和集成化，操作人员在中央控制室可通过电子计算机控制设备的运行及生产。为了保证正常生产，学生在实习过程中不可能有机会直接操作，只能在一旁看和听，其主动性和创造性难以发挥，实习效果就较差。所以，有必要探索新的实习教学途径，而虚拟实习可以较好地解决此问题[2]。
二、钢铁生产全流程虚拟实习的设想
所谓虚拟实习，就是应用仿真技术在实验室内进行的模拟实习。现代计算机技术和信息处理技术的高速发展，为模拟仿真技术的实现提供了可能。过程控制系统仿真技术是一门基于过程控制系统动态控制模拟数学模型，并在计算机仿真器上进行试验、操纵、训练或研究的综合性高新技术[3-4]。要实现钢铁生产流程的虚拟实习，首先要考虑的是相关专业的实践特点，并通过虚拟实习平台的建设满足实践要求和提高教学质量。
1.钢铁生产各相关专业的实践教学特点
采矿专业在课程教学中尽管已经采用多种教学手段，但是依然难以达到很好的效果。首先是矿井认识实习，近年来，由于煤矿安全形势严峻，实习安排困难，很多矿区不愿意接收实习。况且，井下实习仅能看到局部情况，学生下井后也往往由于新奇或者恐惧，只顾低头朝前走，一次井下实习不可能完全符合课程实习的要求[5]。
冶金工程专业及材料成型与控制专业实践教学包括实验教学和实习教学，但限于各个高等工科院校的客观条件和社会环境，实践教学效果难以保证，尤其是实习教学。专业课程中的实验环节是提高学生运用所学知识能力的极好手段和平台，但由于实验设备数量和实验场地等方面的不足，学生只能以观摩实验为主，不利于学生对专业知识的理解和应用，大大削弱学生实际动手能力及设备操作与维护能力的培养[6]。现在很多工科高校都在探索在校内的教学环节中增加与教学内容相对应的竞赛和设计环节，例如北京科技大学已经开展了每年一度的模拟炼钢大赛及材料成型车间设计课程等传统优势专业的教学实践活动，很好地加强了教学实践。
2.钢铁生产全流程的特点
钢铁生产是一个大流程，包含采矿、炼铁、炼钢、冷轧、热轧等生产工序。学生拥有并提高钢铁生产全流程的概念对于其在毕业后真正进行生产和研究具有重要的作用。但普通的实习只能使学生局限在一个厂或工序上，很难有全局的概念。同时，钢铁生产的安全性和规模性，使学生较少有机会全盘了解从铁矿石开采到零部件制造完成的整个生产过程，实现采矿、冶金工程、材料成型及控制和机械工程专业的学生同时在一个实验平台上互相合作开展钢铁生产活动，在虚拟的生产过程中了解生产流程上游专业和下游专业的相关知识，是普通实习所无法想象的。因此，将虚拟仿真的技术应用于钢铁生产全流程的实践教学上具有重要意义。
三、钢铁生产虚拟仿真平台的建设
钢铁生产全流程虚拟仿真实践基地是一种新型的实践模式，目前国内一些高职院校有类似的实践课程，但是仅限于某个生产环节如高炉、LF精炼等的实操训练，没有全流程的综合实训系统。另外，这些院校的实验设备只用于对学生实践操作的训练，没有开发设计和研究的平台。在大学中建设钢铁生产流程虚拟仿真实训基地是集教学实践、生产实训、设计仿真为一体的一套教学系统，是北京科技大学在工程实践教育方面的一次创新。
北京科技大学为了实现在校工科学生的虚拟实习目标，提高教学质量，从2013年底开始建设一个现代钢铁生产全流程虚拟仿真系统平台，以整个钢铁生产过程为仿真对象，依据生产过程内在的规律，改进的热力、动力学模型、工艺模型及经验模型等，建立钢铁生产流程的软件虚拟系统和硬件操控系统，全方位地展示整个生产场景与生产过程，形成一个完整的采矿→炼铁→炼钢→轧钢生产过程的虚拟现实仿真实训系统。 每个生产流程由虚拟界面、监控界面和操作终端组成，采用3D动画技术制作工艺流程设备和场景的虚拟界面，采用虚拟现实技术制作全工艺流程的自动化二级监控界面，操作终端仿真生产现场的操作台按照1：1的比例如实设计，通过网络通讯实现虚拟场景、监控界面和设备的互动。
硬件架构设计为网络环境下的计算机集成环境，由若干台网络环境下的计算机分别模拟各个生产流程环节，每个生产流程都由虚拟被控场景、仿真监控界面和真实操控系统组成，通过Ethernet局域网络进行信息交换整体协调，共同模拟整个钢铁生产过程。
系统开发采用模块化，功能改变只需替换模块化软件即可完成，新工艺、新设备实训环境更新只需通过更新软件即可完成。在过程仿真中，按照生产流程分为八个模块，每个模块用来模拟一个独立的生产工序，如炼钢、连铸等。过程仿真的各模块大多具有相似的软件结构，能够实现基础生产过程的仿真。
四、结语
虚拟技术的应用是当今高等教育的必然趋势，可以激发学生的学习兴趣，给学生创造一种身临其境的感觉，很好地解决当前课堂和实践教学中遇到的问题，是提高教学质量的一种有效途径[5]。钢铁生产虚拟仿真平台在建成后拥有较强的研究性教学的训练功能，可对生产过程的合理性进行验证，分析计划生产的极限，研究调度算法；可验证生产过程中的物料、时间平衡，可预测产能情况，可用于配合实现流程工业演练和预测；可支持相关信息系统的调试；可安全、经济地对现实钢铁厂进行设计、分析、考察，如验证工艺方案合理性、验证设备负荷能力和设计的生产能力、新钢种的工艺参数设定等，增强冶金行业的制造执行能力。在对在校工科大学生开展教学实践工作的同时，还适合于钢铁冶炼企业员工的岗位培训，可使员工在极短的时间内就适应真实的现场岗位操作，缩短企业的员工培训周期，极大地节约培训投入资金。当然，钢铁生产虚拟仿真平台的建设费用的投入在千万以上，需要学校的大力支持。对工科大学来讲，作为一个“功在当代，利在千秋”的平台建设，需要针对自己优势专业的实践需求，充分考虑虚拟实习能给学校人才培养带来的强大支持和动力，谨慎思考，果断投入。
参考文献：
[1]林养素主编.重人品、厚基础、强能力、宽适应.广州：华南理工大学出版社，2001.
[2]梁基照，何慧.工科大学生多模式实习方略初探.广州化工，2007，35卷（6）：61.
[3]廖良美，李燕，刘应元，等.模拟实习：理论与实践的桥梁.高等工程教育研究，2003（1）：83-84.
[4]孙克辉，李长庚，盛利元，等.专业性实践教学的改革与探索.高等工程教育研究，2003（2）：87-88.
[5]熊祖强，丁明，赵辉.采矿工程专业虚拟实习及教学技术研究.河南理工大学学报（社会科学版），2009.7，第10卷（3）：544-547.
[6]倪红卫，张华，王炜，马国军，熊玮，何环宇.冶金工程专业学生工程能力培养的实践与创新.武汉科技大学学报（社会科学版），2012.8，第14卷（4）：453-456.
关键词： 虚拟实习 钢铁生产 工科学生 钢铁企业
一、钢铁制造行业实习的现状与困境
实习是工科院校实践教学的主要环节之一，学生通过该教学环节，了解实际的生产过程，加深对理论知识的理解，并增强对生产工艺过程、生产设备、生产组织及其管理等的认识，从而达到扩大知识面、增强感性认识、有效提高学生的创新意识和工程能力的目的[1]。如此重要的教学实践环节，现实中普遍遭遇到的困难是，全国钢铁行业高校数千工科学生暑假期间集中去钢企实习，企业作为以生产为主要职责的单位，没有专门的指导实习的人员，同时出于经济和安全的考虑，只能最大限度地安排学生很短时间的实习，而且多以参观为主。例如采矿工程专业、冶金工程专业、材料成型及控制工程专业的学生在大二及大三年级小学期需要分别开展为期三周和五周的认识实习和生产实习，而实际在企业现场的时间只有短短几天，导致学生无法在有限的时间内对需要了解的工序和技术做深入的学习和动手实践。
还需要考虑的是，由于学校很多实习指导教师本身对于企业的实际生产情况不熟悉，而拥有企业科研合作经历和现场经验的教师工作都忙于科研无法带实习，导致在大批学生集中去企业实习的过程中，无法有效在现场展开指导，错过在现场教育学生进行对照学习提高的机会。而在校内集中开展学生的教学实践环节，则可以最大限度地安排有经验的教师对学生进行指导，从而达到良好的教学效果。但校内目前的教学实践基地都落后于生产实际，且难以进行提高和改善。
同时随着科学技术的进步，钢铁企业的生产已经不再是以人工现场操作为主，而转变为趋于自动化、连续化和集成化，操作人员在中央控制室可通过电子计算机控制设备的运行及生产。为了保证正常生产，学生在实习过程中不可能有机会直接操作，只能在一旁看和听，其主动性和创造性难以发挥，实习效果就较差。所以，有必要探索新的实习教学途径，而虚拟实习可以较好地解决此问题[2]。
二、钢铁生产全流程虚拟实习的设想
所谓虚拟实习，就是应用仿真技术在实验室内进行的模拟实习。现代计算机技术和信息处理技术的高速发展，为模拟仿真技术的实现提供了可能。过程控制系统仿真技术是一门基于过程控制系统动态控制模拟数学模型，并在计算机仿真器上进行试验、操纵、训练或研究的综合性高新技术[3-4]。要实现钢铁生产流程的虚拟实习，首先要考虑的是相关专业的实践特点，并通过虚拟实习平台的建设满足实践要求和提高教学质量。
1.钢铁生产各相关专业的实践教学特点
采矿专业在课程教学中尽管已经采用多种教学手段，但是依然难以达到很好的效果。首先是矿井认识实习，近年来，由于煤矿安全形势严峻，实习安排困难，很多矿区不愿意接收实习。况且，井下实习仅能看到局部情况，学生下井后也往往由于新奇或者恐惧，只顾低头朝前走，一次井下实习不可能完全符合课程实习的要求[5]。
冶金工程专业及材料成型与控制专业实践教学包括实验教学和实习教学，但限于各个高等工科院校的客观条件和社会环境，实践教学效果难以保证，尤其是实习教学。专业课程中的实验环节是提高学生运用所学知识能力的极好手段和平台，但由于实验设备数量和实验场地等方面的不足，学生只能以观摩实验为主，不利于学生对专业知识的理解和应用，大大削弱学生实际动手能力及设备操作与维护能力的培养[6]。现在很多工科高校都在探索在校内的教学环节中增加与教学内容相对应的竞赛和设计环节，例如北京科技大学已经开展了每年一度的模拟炼钢大赛及材料成型车间设计课程等传统优势专业的教学实践活动，很好地加强了教学实践。
2.钢铁生产全流程的特点
钢铁生产是一个大流程，包含采矿、炼铁、炼钢、冷轧、热轧等生产工序。学生拥有并提高钢铁生产全流程的概念对于其在毕业后真正进行生产和研究具有重要的作用。但普通的实习只能使学生局限在一个厂或工序上，很难有全局的概念。同时，钢铁生产的安全性和规模性，使学生较少有机会全盘了解从铁矿石开采到零部件制造完成的整个生产过程，实现采矿、冶金工程、材料成型及控制和机械工程专业的学生同时在一个实验平台上互相合作开展钢铁生产活动，在虚拟的生产过程中了解生产流程上游专业和下游专业的相关知识，是普通实习所无法想象的。因此，将虚拟仿真的技术应用于钢铁生产全流程的实践教学上具有重要意义。
三、钢铁生产虚拟仿真平台的建设
钢铁生产全流程虚拟仿真实践基地是一种新型的实践模式，目前国内一些高职院校有类似的实践课程，但是仅限于某个生产环节如高炉、LF精炼等的实操训练，没有全流程的综合实训系统。另外，这些院校的实验设备只用于对学生实践操作的训练，没有开发设计和研究的平台。在大学中建设钢铁生产流程虚拟仿真实训基地是集教学实践、生产实训、设计仿真为一体的一套教学系统，是北京科技大学在工程实践教育方面的一次创新。
北京科技大学为了实现在校工科学生的虚拟实习目标，提高教学质量，从2013年底开始建设一个现代钢铁生产全流程虚拟仿真系统平台，以整个钢铁生产过程为仿真对象，依据生产过程内在的规律，改进的热力、动力学模型、工艺模型及经验模型等，建立钢铁生产流程的软件虚拟系统和硬件操控系统，全方位地展示整个生产场景与生产过程，形成一个完整的采矿→炼铁→炼钢→轧钢生产过程的虚拟现实仿真实训系统。 每个生产流程由虚拟界面、监控界面和操作终端组成，采用3D动画技术制作工艺流程设备和场景的虚拟界面，采用虚拟现实技术制作全工艺流程的自动化二级监控界面，操作终端仿真生产现场的操作台按照1：1的比例如实设计，通过网络通讯实现虚拟场景、监控界面和设备的互动。
硬件架构设计为网络环境下的计算机集成环境，由若干台网络环境下的计算机分别模拟各个生产流程环节，每个生产流程都由虚拟被控场景、仿真监控界面和真实操控系统组成，通过Ethernet局域网络进行信息交换整体协调，共同模拟整个钢铁生产过程。
系统开发采用模块化，功能改变只需替换模块化软件即可完成，新工艺、新设备实训环境更新只需通过更新软件即可完成。在过程仿真中，按照生产流程分为八个模块，每个模块用来模拟一个独立的生产工序，如炼钢、连铸等。过程仿真的各模块大多具有相似的软件结构，能够实现基础生产过程的仿真。
四、结语
虚拟技术的应用是当今高等教育的必然趋势，可以激发学生的学习兴趣，给学生创造一种身临其境的感觉，很好地解决当前课堂和实践教学中遇到的问题，是提高教学质量的一种有效途径[5]。钢铁生产虚拟仿真平台在建成后拥有较强的研究性教学的训练功能，可对生产过程的合理性进行验证，分析计划生产的极限，研究调度算法；可验证生产过程中的物料、时间平衡，可预测产能情况，可用于配合实现流程工业演练和预测；可支持相关信息系统的调试；可安全、经济地对现实钢铁厂进行设计、分析、考察，如验证工艺方案合理性、验证设备负荷能力和设计的生产能力、新钢种的工艺参数设定等，增强冶金行业的制造执行能力。在对在校工科大学生开展教学实践工作的同时，还适合于钢铁冶炼企业员工的岗位培训，可使员工在极短的时间内就适应真实的现场岗位操作，缩短企业的员工培训周期，极大地节约培训投入资金。当然，钢铁生产虚拟仿真平台的建设费用的投入在千万以上，需要学校的大力支持。对工科大学来讲，作为一个“功在当代，利在千秋”的平台建设，需要针对自己优势专业的实践需求，充分考虑虚拟实习能给学校人才培养带来的强大支持和动力，谨慎思考，果断投入。
参考文献：
[1]林养素主编.重人品、厚基础、强能力、宽适应.广州：华南理工大学出版社，2001.
[2]梁基照，何慧.工科大学生多模式实习方略初探.广州化工，2007，35卷（6）：61.
[3]廖良美，李燕，刘应元，等.模拟实习：理论与实践的桥梁.高等工程教育研究，2003（1）：83-84.
[4]孙克辉，李长庚，盛利元，等.专业性实践教学的改革与探索.高等工程教育研究，2003（2）：87-88.
[5]熊祖强，丁明，赵辉.采矿工程专业虚拟实习及教学技术研究.河南理工大学学报（社会科学版），2009.7，第10卷（3）：544-547.
[6]倪红卫，张华，王炜，马国军，熊玮，何环宇.冶金工程专业学生工程能力培养的实践与创新.武汉科技大学学报（社会科学版），2012.8，第14卷（4）：453-456.