水泥生产热工系统物质流/能量流测试虚拟仿真教学项目设计与实现

王亚丽 崔素萍 龚先政 李小青

摘要 文章针对自动化、智能化的水泥生产流程限制现场实践教学的现状，通过模拟水泥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，使学生在虚拟生产环境下对水泥生产温度、压力、表面散热、烟气成分、粉尘含量进行模拟、计算，深入了解水泥生产过程的物质流/能量流转换，熟知水泥生产流程中热工参数的测试分析手段和节能措施及效果评价等知识原理，提高学生的学习兴趣和对材料流程专业知识的认知度，增强科学研究问题的能力。

关键词 水泥生产；物质流/能量流；虚拟仿真；实验教学

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.019

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化工程的主要教学内容，为学生进行探索式的独立实践、协作式学习和创造性实践活动提供先进的技术手段[1-3]。教育部下发了《教育部办公厅关于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）和《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、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、实验过程及标准等内容，创设符合教学目标的情境问题，调动学生积极性参与实验教学，主动总结和验证结果[4-5]。

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，实训效果受到影响。同时水泥生产现场高温、高尘、高风险的环境，学生安全无法保障，现场实践教学也易引起实际生产的工艺参数波动，但是实验室的纯理论教授无法激发学生的学习热情，因此有必要将实践教学与虚拟仿真教学高度融合，从而提高学生对材料流程专业知识的认知度。

1虚拟仿真教学的必要性及实验目标

水泥工业流程的各作业工序间相互独立又互成反馈，是一个系统工程，不具备现场教学条件，并且涉及高危或极端环境，无法与实际工程结合，学生不能上手操作，不能理解工艺参数变化对产品的影响，而纯理论教学往往效果不理想[1]。实验的必要性如下：

第一，专业人才需求与实践教学平台无法满足工程训练的矛盾。“新工科”建设对于材料专业的工程实践教学体系提出了更高的要求，现有實践教学平台无法与实际工程结合，实践课程无法满足学生进行贴近工程实际的训练，特别是水泥生产过程中物质与热能转换、测试手段和节能措施等知识的实践更是无法实现。

第二，水泥流程工业连续稳定运行无法满足学生对不同复杂工程场景的体验，无法进行材料生产过程关键工艺参数的采集与分析，实训效果受到影响，同时现场实践教学易引起实际生产的工艺参数波动，实验室的纯理论教授无法满足学生亲身实践的需求，学习激情不高。

水泥生产热工系统物质流/能量流测试虚拟仿真教学项目以水泥企业生产线的水泥窑高温热反应系统为对象，进行热工性能参数测试与计算分析的虚拟仿真教学实验。设立温度、压力、表面散热、烟气成分、烟尘采样收集、热工参数计算与环境影响分析等水泥制造过程热工物质流、能量流等热工性能参数性能测试与平衡计算的虚拟仿真教学实验，学生在虚拟的生产环境中进行水泥生产热工系统物质流/能量流测试与计算实验，提高学生发现、提出、解决问题的综合能力与素质。虚拟仿真教学的实验目标如下：①模拟水泥工厂的真实生产环境，进行水泥生产流程、关键设备运转仿真和工艺控制仿真，辅以动画、虚拟场景、高清视频等多种表现形式，提高学生对材料流程专业知识的认知度。②通过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，掌握水泥生产热工性能测试，增强理论课的实践效果。③培养学生结合材料生产实际场景计算分析生产数据，针对水泥制备过程中复杂的物理化学反应与热能量转化工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

实验教学目标的达成提升了学生运用深厚的材料学科基础知识解决具体工程问题的能力，有助于学生毕业后在材料科技型企业（研究、设计院）、生产型企业、咨询服务型企业等从事新产品研究、技术开发、工艺设计、技术改造、工程应用等方面的工作奠定相应的基础。该虚拟仿真实验打造跨学科、高水平具有资源节约和环境友好特色的实践教学体系，提高学生的工程实践能力、科研创新能力，培养具有较高实践能力、工程基础、较强专业知识背景的创新人才。

2虚拟仿真教学设计思路

虚拟仿真实验模拟自动化、智能化水泥工厂的真实生产环境，创建了虚拟环境下的水泥生产工艺认知、温度、压力、气体成分、烟尘采样、表面散热、热工计算及性能分析7个实验模块。学生在虚拟场景中操作，如同亲临实境，感受互动。关键热工参数测量完成后，分析水泥制备过程中复杂的物理化学反应与热能量转化工程实践对环境、社会可持续发展的影响[2]。

模块一水泥生产工艺认知，按生产流程顺序，虚拟仿真从原料进厂至成品出厂的全部生产过程、主要设备和物料、气体流向，让学生多次重复亲历实际水泥生产工艺流程，分析水泥生产设备、物料流、能量流及工艺的相互关系，用相关科学原理识别和判断材料制备各类工艺参数相互影响的复杂工程问题的关键环节。

模块二至模块六的学习，培养学生针对材料生产实践中组成―工艺―性能―环境影响之间相互矛盾与冲突问题，完成水泥生产线关键热工参数测试的方案设计，能够选择与使用恰当的测试手段对不同参数的测试设备选择、环境影响评估等问题进行分析和计算。仿真实验中所用的仪器设备均按1∶1的比例模拟真实环境中的热工参数测试设备。无论是选择电脑单机运行还是多个终端并行访问该实验系统，均可自由操控仿真仪器，突破了实体实验时设备不足、不能满足每位学生逐一亲身实验、实验周期长的教学瓶颈。

通过模块七热工计算及性能分析的学习，使学生了解专业相关领域的技术标准体系、产业政策，合理评价复杂工程问题的专业实践对环境和社会可持续发展的影响，学生熟悉材料热工测试过程中的相关标准、安全、卫生、环境等法律法规。

3实验教学方法

水泥生产热工系统物质流/能量流测试与计算虚拟仿真形成了线上线下相结合的全过程多场景教学模式，包含设备选择、测试部位点选、测试方法比较、测试过程、数据采集级计算分析的全过程，实现了学生知识体系的完整性。在仿真平台上，虚拟仿真实验教学一共设置了“认知学习”“操作练习”“实验考核”三个模块系统。各系统的功能如下：

认知学习系统：点击“背景知识”，了解实验背景、实验目的、实验原理和实验任务。实验前要求学生在课前先进行预习，学生考核合格后方可进行实验。点击“测量设备”，了解常用测试设备原理及应用，可依次点击设备进行切换查看。点击“生产线认知”，了解水泥生产线物质和能量流动路径及测量点位情况[3]。

操作练习系统：进入“操作练习”模块，点击“任务列表”，选择“温度测量”“压力测量”“气体成分测量”“烟尘采样分析”“表面散热测量”“热工分析”进行水泥生产热工系统关键工艺参数测量，记录测量数据。练习系统设置提示帮助模块，引导学生完成实验。

操作考核系统：进入“操作考核”模块，操作考核模块无操作提示，学生独立完成水泥生产热工性能测试与计算虚拟仿真的全流程仿真实验，提交全过程的测量数据。考核模式下在关键知识点处设置考核题，点击“提交”后，评判出分数并记录考核题得分。实验完成在线提交虚拟仿真实验报告，包括实验目的、实验原理、实验数据、结果分析和结论，提交教师评阅。

实验共设置3个课时的教学内容。

第一课时：教师布置水泥生产线物质和能量流动路径基础知识的预习任务，引导学生主动学习，提前认知热工系统测量设备，结合理论课内容初步掌握热工系统测量实验方法。学生在规定时间登录仿真平台预习，教师评阅学生预习情况，合格后解锁进入后面的环节，不合格的给予反馈，要求再次复习直至合格。

第二课时：学生学习仿真实验并进行关键热工参数的虚拟实验，分别完成温度、压力、表面散热、烟气成分、粉尘含量的操作测试过程。

第三课时：关键热工参数测量完成后，根据采集的热工参数，计算水泥制备过程中复杂的物质流、能量流变化，分析生产过程对环境、社会可持续发展的影响。所有环节完成之后，学生撰写实验报告，并在线提交给任课教师，由教师进行考核评估，系统给出总评成绩。

实验具备完善的评价标准，能实现客观、公正的评价。考核模式包含操作考核、参数选择考核、考核题等部分，考核得分由这三部分得分综合判定。操作考核模块无操作提示，学生自主完成整个实验操作过程。参数选择考核，考核模式下，学生需要根据已知参数计算出需要设置的参数进行实验，根据最终计算出的热工数据进行评分。考核模式下虚拟实验过程中，在关键知识点处设置考核题，点击“提交”后，评判出分数并记录在考核题得分。

该教学方式创建了创新融合数字技术的全流程多场景水泥热工测试系统实践平台，推动大数据、虚拟仿真技术在核心课程学习过程中的应用。

4仿真实验的预期效果

本仿真实验已面向北京工业大学材料科学与工程专业、资源循环科学与工程专业三年级学生的制造类、环境评价类课程和工作实习开放，累计服务的学生已将近500人次，同时面向社会进行培训服务，服务社会300余人，为北京市建设和社会发展做出贡献。从长远来看，本实验项目借助网络平台下的虚拟仿真技术，为传统专业的教学实践提供了一个契机，极大地丰富了教学内容，提高了学生的学习兴趣[4]。虚拟场景下的全流程、多工位动态仿真，扭转了学生对材料制造工艺的传统认知，开发了数字化技术融合的材料制造实践教学项目，培养了学生应用数字技术解决工业流程问题的能力[5]。

实验根据实际情况，拓展了实验教学内容广度和深度、延伸了实验教学的时间和空间，从而能够满足多阶段学习、多方式实践，使学生在信息获取、社会责任感、创新精神、综合实践、团队合作能力等多方面都得到提高。

课程还培养了学生通过虚拟仿真实验掌握材料生产流程，与能源、资源、环境了相关参数的获取与数据分析技能，树立绿色发展信念、担当绿色发展责任。结合课程讲述水泥绿色制造与循环利用对于缓解资源耗竭、保护环境的重要性，阐述我国政府在生态文明建设、循环型社会构建方面的顶层政策设计及其在材料产业中的应用和发展，让學生在学习知识的同时深入了解国家大政方针，树立大国意识和文化自信，实现中华民族的伟大复兴。

基金项目：教育部新工科研究与实践项目（ECL20201901）；北京高等教育本科教学改革创新项目（201910005002）；北京工业大学教育教学课题（ER2022SJB01）。

参考文献

[1]盛洁静，王冬雪，杨波，等.实践教学网络平台在高校教改中的研究与应用[J].实验室科学，2019，22（2）：224-226.

[2]张春明，杨天鸿.虚拟仿真教学实验中心教与学互动设计与实现[J].实验科学与技术，2020，22（2）：97-104.

[3]彭刚伟，刘光虹，胡敬平.仿真模拟技术在化学平衡实验教学的研究.[J].实验科学与技术，2021（19）：145-149.

[4]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.

[5]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.