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基于虚拟仿真技术的煤粉综合性能实验教学平台开发
摘要：基于虚拟仿真技术开发了煤粉综合性能虚拟实验教学平台，涵盖了煤可磨性指数测定、煤粉爆炸性测定、煤粉着火点测定、煤粉粒度分析和煤粉堆积角测定5个模块的虚拟实验，实现对煤粉性能的综合评估。该虚拟实验教学平台提供了高度仿真和安全可靠的实验环境，帮助学生加深对煤粉综合性能的理解与应用，提升了实际操作能力。
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虚拟仿真实验是通过虚拟仿真技术创建实验教学场景，顺应了教育信息化的发展趋势[1-2]。任向 宇等人构建了涵盖实验室安全教育、基础实验教 学资源、综合设计性实验模拟，以及学习与考核4 个模块的医学微生物虚拟仿真实验平台[3]。刘菲菲 等探索了虚实结合的土木综合实验混合式教学模 式，充分调动了学生的积极性和主动性，提高了 学生的实验体验[4]。张智明等人针对汽车专业液压 传动课程设计开发了液压元件剖视和拆装、液压 试验台、液压回路，以及液压助力转向装置的虚 拟实验，提高了教学质量和教学效果[5]。
研究煤粉综合性能对确保产品质量、提高生产效率及保障安全生产至关重要，为了提升学生对煤粉性能实验的理解和应用能力，本文开发了一个以煤的可磨性指数测定、煤粉爆炸性测定、煤粉着火点测定、煤粉粒度分析和煤粉堆积角测定为核心的综合性能实验教学平台。利用虚拟实验平台，学生能够在仿真的实验环境中完成各项操作，深入了解煤粉的特性及其在工业应用中的作用。
一、虚拟实验教学平台建设必要性
信息技术的高速发展给实验教学模式创新带来了新的机遇和挑战[6-7]。习近平总书记强调：“因 应信息技术的发展，推动教育变革和创新”[8]。中 共二十大揭示了推进教育数字化是加快建设教育 强国的重要内容，教育部高等教育司在2023年工 作要点中指出：要深化实验教学改革，加快“虚仿 2.0”建 设 [9]。虚拟仿真实验教学系统是信息技术与 实验教学深度融合的体现，不仅创新了教学方式， 也为学生提供了更多实践机会。
（一）传统实验教学的不足
传统的实验教学模式下，学校、老师、学生三方花费大量的人力、物力和财力完成实验教学，可能长时间处于高危或极端的实验环境[10-11]。为 综合评估煤粉性能，需要进行多个实验，实验过 程复杂、周期过长。此外，教师需要综合协调实 验设备、实验材料等实验资源，学生只能在限定 的时间和地点完成实验内容，不能保证每位学生 全程动手参与，无法满足实验需求，课堂效率和 教学效果大打折扣。
（二）虚拟仿真实验的优势
煤粉综合性能虚拟实验教学平台利用三维建模、人机交互、计算机图形学和二次开发等技术，模拟了真实的实验场景，并通过逼真、立体的表现形式直观展现了实验过程，突破了实验教学对设备、场地等客观条件的依赖，为学生提供了一个安全的实验环境[12-13]。学生可以在任何时间、 任何地点自主安排实验，在虚拟环境中进行各种 实际操作，激发了学习兴趣，提高了参与度和实 际动手能力、解决问题能力。
二、虚拟实验教学平台设计
煤粉的综合性能可从可磨性指数、爆炸性、燃烧性指数、粒度分布及流动性指数等方面进行评价，对于煤粉的制备、燃烧、输送、灰渣排放等具有重要意义。为了提高学生实践能力、实验设计能力及理论知识综合应用能力，熟练掌握煤粉性能的测定方法，煤粉综合性能虚拟实验教学平台设计了5个实验项目，煤可磨性指数测定、煤 粉爆炸性测定、煤粉着火点测定、煤粉粒度分析 和煤粉堆积角测定。
（一）煤粉可磨性指数测定
在高炉喷吹系统中，煤粉的可磨性用来反映煤被粉碎的难易程度，是一种与煤的硬度、强度、韧度、脆度、煤的变质程度和煤中所含矿物质的性质和数量有关的综合物理量[14-15]。
煤粉的可磨性对粉煤制备系统、磨煤机的产率和耗电量，以及高炉的生产效益至关重要。在仿真训练中，煤粉的可磨性指数测定采用哈德格罗夫法，详细介绍了实验原理、实验设备、实验步骤和数据处理方法，帮助学生掌握哈氏磨煤机、标准振筛机、圆盘式破碎机和烘箱等实验设备的用途及使用方法，完成煤样制备、称量、装料、磨煤、停机取样、筛分等一系列实验过程，规范实验操作，并根据实验数据计算得出哈德格罗夫可磨性系数。
（二）煤粉爆炸性测定
高炉喷吹用煤粉的粒度80%以上为小于 0.074mm的细粉，这样细的粉尘悬浮在空气中达 到一定浓度或长期堆放在密闭容器内（储煤罐）一 旦遇到火源就有着火和爆炸的危险，对煤粉特别 是烟煤和褐煤进行爆炸性检测是高炉喷吹煤粉前 必须做的一项测试[16-17]。
煤粉的爆炸性测定虚拟仿真系统中可进行无烟煤、褐煤和烟煤等单一煤种或混合煤种的虚拟实验，并利用虚拟效果模拟煤粉火焰效果。实验过程采用长管式煤粉爆炸仪，火源温度采用自动控制，火焰长度用光电管测视，并配有数码管，可自动显示火焰长度，以火焰返回的长度作为爆炸性强弱的标志，每种试样需要测试5次。通过煤 粉的爆炸性测定虚拟实验，使学生掌握煤的爆炸性 检测方法，提高动手能力、综合运用知识的能力。
（三）煤炭着火点测定
将煤加热到开始燃烧的温度叫做煤的着火点（也叫着火温度），着火点与煤的挥发分含量、变质程度有着重要的关系[17]。通常利用测定原煤着 火点和氧化煤着火点的差异来推测煤的自燃倾向， 以便在储存煤和输送系统中采取必要的安全措施， 避免煤炭自燃，减少环境污染和经济损失。
在虚拟仿真实验中，煤炭着火点测定采用光电控制法，即直接加热煤样使其发生爆燃。通过文字描述和原理动画的形式展示煤炭着火点的测定原理和实施步骤，并重点介绍了煤粉着火点测定仪的结构组成、设备参数和使用方法，帮助学生了解煤的着火点，学会用煤粉着火点测定仪测定煤的着火温度。
（四）煤粉粒度分析
粒度分布通常是指某一粒径或某一粒径范围的颗粒在整个粉体中所占的比例，煤粉粒度分析在钢铁领域的应用有助于优化原材料选择、提高生产效率、确保产品质量，进而推动钢铁行业的技术和质量水平的提升[18]。
煤粉的粒度分析虚拟实验采用干筛法进行，此外还提供了膨润土、石灰石、白云石、生石灰、蛇纹石、巴西矿、混合矿、印度矿等多种实验原料，实验配备了0.074mm、0.1mm、0.25mm、0.5mm、 1mm等多种孔径的标准套筛，筛分在标准振筛机 中进行。丰富的原料和多规格筛网提高了实验的 灵活性和多样性，有助于学生了解筛分法测定粉 体粒度分布的原理和方法，掌握数据处理技巧， 绘制粒度累积分布曲线和频率分布曲线。
（五）煤粉堆积角测定
煤粉在生产和输送过程中需要具备一定的流动性，以确保设备正常运行。堆积角是指煤粉在自由落体条件下形成的圆锥形堆积体的最终坡度，是衡量煤粉流动性的一个指标[19]。测定煤粉堆积 角有助于预防和减少因为流动性差引起的堵塞和 流动问题，这对于提高系统稳定性和可靠性非常 关键。
煤粉堆积角虚拟实验采用注入角测定方法，在堆积角测定仪中进行。该实验旨在帮助学生了解煤粉堆积角的意义，熟悉堆积角测定仪的设备原理和使用方法，掌握煤粉堆积角的测定方法。
三、案例分析
以煤粉的爆炸性测定实验为例。
学生进入虚拟实验平台后，首先登录系统账户，在主界面可以选择相应的实验模块。学生点击煤粉爆炸性测定实验后，可以学习实验目的、实验原理和实验设备等内容，了解开展煤粉爆炸性测定实验的背景及意义。通过图示掌握实验设备的工作原理和操作方法，为后续的操作提供理论支持。
开展虚拟实验时，系统会在画面下方设置提示，引导学生依次完成实验步骤。学生可以根据自己的学习情况，随时进行实验考核。在考核过程中，系统将隐藏实验步骤的提示，要求学生在没有提示的情况下完成实验。系统将全程记录学生的操作，并给予相应的实验分数。
实验完成后，学生能够自由查看实验过程记录，通过分析实验操作得分情况，可以针对性地对知识点进行补充练习，有助于查漏补缺，提高实践能力。
参考文献:
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基金资助:国家重点研发计划项目(2023YFB3712400);
文章来源:王晓晨,孙友昭,杨荃,等.基于虚拟仿真技术的煤粉综合性能实验教学平台开发[J].中国冶金教育,2024,(06):57-59.
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2025-02-08我要评论
期刊名称：中国现代教育装备
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专业分类：教育
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2024-12-25
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