热能与动力工程专业本科生实践仿真教学软件开发与应用
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2016.02.027
0 引言
对于理工科专业大学本科生，实习环节对其实践能力与创新能力的培养至关重要，也是高等教育的必要环节之一。学生在校所学知识以理论为主，比较抽象，通过实习能够使教育回归实践，让学生在实习中掌握理论知识的运用，使知识变活。教育部《全面提高高等教育质量的若干意见》也特别强调要强化实践育人环节，结合专业特点和人才培养要求，分类制订实践教学标准，增加实践教学比重，确保各类专业实践教学必要的学分（学时）。
校外实习基地拥有真正的生产环境和施工现场，本应是学生规范专业技能和素养的理想训练场。然而，“联系实习单位难”却成为高校面临的普遍困境，其主要有两个原因：第一，高校规模扩大，学生数量增加，对实习场地和实习资源的需求增加，导致大多数实习单位无力接待；第二，企业担心大学生实习影响企业生产及其利益获得。企业经营的根本目的是实现利益最大化，接收学生实习所付出的代价要大于收益，在没有政策鼓励和支持的条件下，很少有企业愿意将资金和精力投入到学生实习工作上。当前，高校联系实习企业往往凭借教师与企业的私人关系，还有一些学校因企业经营状况不佳而失去了原来所建的实习基地。这表明，当前环境下企业接收实习生的积极性不高和校企关系松散的现状，严重影响了高校大学生实习工作的顺利开展，且大多达不到应有的实习效果。
鉴于以上原因，大学生实习质量不能保障，使得中国理工科教育普遍存在的突出问题是工程实践能力不足，动手能力较弱，很难适应迅速发展的市场要求和日益激烈的科技竞争需要。以上种种问题要求进一步推进教学改革，尤其是加强学生工程实践能力培养和训练，以满足行业人才的需要。在此指导思想下，我校热能与动力工程专业教师开发了“本科生实践仿真教学软件”，以期能够提高学生的综合素质。
1 软件的设计目的
目前，本专业的实习基地仅有一两家国有大中型企业，而且都是以参观为主，极少动手实践，这样不仅达不到预想的效果，还消耗企业资源。
鉴于以上原因，决定开发虚拟仿真实习场景，通过将本专业典型炉型和设备用三维软件建立实体模型，结合3D漫游、动画演示、模拟控制等方式实现生产现场的虚拟再现。该实习软件可以增强学生对专业炉型的认识、模拟生产操作、理论考试、操作测试等功能。旨在通过学生对本仿真软件系统的学习，在一定程度上与校外参观实习互相弥补，使学生对专业技能掌握得更加牢靠。
另外，该实习软件将燃料燃烧、炉内气体流动、炉内传热传质、工业炉控制系统等过程有机地结合起来，有利于师生针对炉型进行炉内各动力学参数、热力学参数以及控制过程的模拟研究，为炉型结构优化、控制优化及操作优化提供理论依据。
2 软件的主要功能
仿真软件系统主要包括三部分：认识实习部分、模拟操作部分及考核部分。
软件主要仿真内容包括：（1）以冶金和高温陶瓷行业工业炉窑为主，建立典型炉型的三维模型。以实际生产过程为指导，编制各炉型操作系统。主要包括：二级网络任务下达系统、来料工艺设定系统、上料系统、控制系统、卸料系统、炉体操作系统、安全防护系统、质量追踪系统、炉内热过程模型系统，最终达到各系统协同操作、安全连锁，实现工业实际生产的真实再现；（2）冶金行业工业炉窑系统复杂，实际生产过程中容易出现各类故障。通过收集实际生产过程中工业炉窑运行系统相关故障及对应的处理方案，形成专用数据库，编制模拟生产过程随机故障系统；（3）编制考核系统。定期组织学生学习软件，听取学生意见及建议，并做出相应调整，以获得最好的实习效果。考核系统分为三部分：炉型系统认识部分考核、“工业炉窑热工及构造”课程部分内容理论考核、工业炉窑典型炉型模拟操作考核；（4）编制仿真软件模块扩展接口。以便于教师日后对新炉型添加或新功能的开发。
学校在组织学生到企业参观实习时，企业不会因为学生实习而调整生产，因此，学生参观过程中很有可能看不到工业炉设备的动作过程，再加上生产现场噪音较大，即便是有老师讲解，也听不太清。在本仿真软件的认识实习部分，首先以工业炉各系统、各关键设备实体照片展现给学生，并配有文字介绍，可以通过教师讲解或自学的方式了解各系统、各设备的主要功能及操作要求。其次，以3D模型方式将工业炉窑全系统展现给学生，对于关键设备，软件中做了关键剖视图设计，教师可结合炉体及设备三维实体模型向学生讲解各部分的组成及功能，弥补实体照片不能观察系统及设备内部详细构造的缺陷。除此之外，软件中也包含了一些典型炉型实际生产过程的视频，同样，对于现场拍摄不便于直接观察的炉内情形，采用3D模型及动画方式进行展示，学生可将模拟现场与实际现场进行对比，加强对工业炉窑系统的认识。
学生在企业参观实习是绝对不允许动手操作的。首先是因为学生不了解生产工艺过程，很有可能发生误操作，影响企业正常生产；另外，学生大都不了解各设备的操作规程，出于安全考虑，不允许学生对设备动手操作。在认识实习基础上，生产模拟部分实现了对生产操作的实训，人机交互界面由仿真控制界面和虚拟被控场景两部分组成。仿真控制界面中的图形界面、操作手柄图案、操作按钮等的逻辑关系与生产现场保持一致，既有生产总览界面，又有各子系统分界面，便于学生分步骤练习。生产模拟部分主要操作内容包括：开炉前各系统（各气体系统、循环水、冷却水系统等）准备、各安全设施检查、上料系统上料过程、物料在炉内的运动和加热过程、炉内各部分温度控制、压力控制、卸料系统卸料过程以及生产过程中各系统间的安全连锁、相互配合等。教师结合讲解在软件上进行生产过程模拟操作，向学生介绍各系统及设备性能、各系统间相互关系、操作过程注意事项等，并指导学生进行模拟生产操作。实际生产过程中，可能由于气体压力不足或电压波动等突发情况影响企业的正常生产，在本仿真软件中，也将随机产生常见的生产故障，锻炼学生分析问题解决实际问题的能力。通过进行这一系列的模拟生产现场操作，使学生非常直观地学习工业炉的系统组成及生产操作过程。
在仿真软件的考核部分，设计了三种类型的考核内容，包括：认识学习考核、理论考核和操作考核三部分。该软件可对学生的操作即时给出评判结果，计算机详细记录学生在实训平台上的所有操作，后台实时计算。操作完成后，系统在基础知识、操作步骤、资源消耗、产品质量、产量等多方面进行考核，将操作记录和操作结果分类统计，根据指标评价体系，给出量化考核成绩。
3 软件的应用效果
目前，仿真实习技术已成为国际公认的高效现代化教学手段。结合我校热能与动力工程专业特色及学生的培养目标，我校开发的“热能与动力工程专业本科生实践仿真教学软件”很好地解决了学生下厂实习难、效果差等问题。为加强仿真软件实习的教学效果，采用先仿真训练，再下厂实习的模式。实践表明，对于从未见过现场工业炉窑生产的学生而言，到工厂参观实习前进行仿真集训是非常有必要的。通过仿真软件实习，学生已基本了解工业炉系统之间的联动过程以及生产过程中常见的生产故障问题，因此，再到工厂参观实习时，便能更加准确地了解各设备功能，也有助于学生参加工作后更加灵活运用所学专业知识。
