高炉炼铁计算机辅助教学系统的探讨

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.03.004 第16卷第3期 北京科技大学学报 Vol.16 No.3 1994年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1994 高炉炼铁计算机辅助教学系统的探讨 杨尚宝)杨天钧1) 徐金梧2 1)北京科技大学冶金系，北京1000832)北京科技大学机械系 摘要探讨了高炉炼铁计算机辅助敕学系统的系统功能，提出了多媒体计算机辅助散学系统的硬 件配置方案和高炉炼铁CAI课件的设计方法， 关葡词高炉炼铁，计算机辅助教学/多媒体技术，课件 中图分类号TF54,TP391.7 Study on Computer Assisted Instruction System for Ironmaking in Blast Furnce Yang Shangbaoi)Yang Tianjun Xu Jinwu2) 1)Department of Metallurgy.USTB,Beijing 100083.PRC 2)Department of Mechanical Engineering ABSTRUCT The system function of computer assisted instruction system for ironmaking in blast furnace was developed.The configuration of the CAI system made of multimedia compu- ter was designed and the method to design the CAI course ware for ironmaking in BF was giv- en in the same time. KEY WORDS blast furnace ironmaking,computer aided instruction/multimedia,course ware 根据现代教育理论，程序化教学和人格化教学是非常有效的教学方法，随着计算机的发 展，人们开始研究用计算机程序来实现这种教学，即实现计算机辅助教学(Computer Assisted Instruction,简称CAI)CAI是一种全新的教学方法，它有着传统的课堂教学所无法比拟的 教学效果，并且，最有效地实现了程序化教学和人格化教学理论， 本研究对高炉炼铁知识方面的计算机辅助教学系统进行了探讨， 1 系统环境 1.1硬件配置 本系统采用SGI工作站作为工作平台，同时配有CD-ROM驱动器、放大器和音响 1993-10-25收稿 第一作者男29岁博士

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 山犯 高炉炼铁计算机辅助教学系统的探讨 杨 尚宝 ’ 杨天 钧 ’ 徐金梧 ’ 北 京科技大学冶金 系 ， 北 京 以 北京科技大学机械系 摘要 探讨 了高炉炼铁计算机辅助教学系统的系统功能 提 出了多媒体计算机辅助教学系统的硬 件配 方案和 高炉炼铁 课件的设计方法 关钻词 高炉炼铁 计算机辅助教学 多媒体技术 ， 课件 中圈分类号 另 ， 叮皿 夕 ’ 可 。 ’ 五 。 ’ 众 ‘ 花 ， ， 飞 刃 ， 众 坦 址切 司 咱 以们 ， 囚 眺 如 · 坦 巴 明 如 」坦 们巴 ‘ 坦 ， 如司 ， 根 据现代教育理 论 ， 程序化教学和 人格化教学是非 常有效 的教学方法 ， 随着计算机 的 发 展 ， 人们 开始研究用计算机程 序来实现这种教学 ， 即实现计算机辅助教学 喇 ， 简称 赶 是 一 种全新 的教 学方 法 ， 它 有 着传 统 的课 堂 教 学 所 无 法 比拟 的 教学效果 ， 并且 ， 最 有效地 实现 了程序化教 学 和人格化教学理论 本研究 对高炉炼 铁知 识 方 面 的计算机 辅助教 学 系统进行 了探讨 系统环境 硬 件配里 本 系 统 采 用 工 作 站 作 为 工 作 平 台 ， 同 时 配 有 一 驱 动 器 、 放 大 器 和 音 响 卯 一 一 收稿 第 一 作 者 男 岁 博 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．03．004

Vol.16 No.3 杨尚宝等：高炉炼铁计算机辅助教学系统的探讨 .217. 效果的RGB彩色监视器，以组成多媒体用户系统，并在此基础上配置与多媒体有关的外设， 从而构成多媒体计算机硬件系统，见图1.另外，还可根据需要配置若干台386计算机作为个人 终端.本系统既可独立的建立教学培训系统，也可根据需要，通过通讯方式与其他系统联网 彩色监视器 摄像机 祝 录像机 数字化 视 工作站 频 单色监视器 舒响数字化器 音响设备 扫描风 硬盆机 用户系统 图1炼铁CA系统配置 Fig.1 Configuration of CAI system for ironmaking 1.2支持软件 采用Unix操作系统，并用C语言和Prolog语言进行混合编程. 2 系统功能 本系统分为3个层次：基础培训系统层、操作培训系统层、研究开发系统层，见图2. 2.1冶金理论学习单元 (1)冶金计算与图表 数据库一常用冶金基本数据（△H、△S、△G、熔点、粘度、表面张力、传热系数等） 图形库一常用冶金性能和关系图（铁碳相图、等粘度图、碱度与脱硫关系图等） 函数库一常用冶金公式或经验式（△G计算式、碱度计算式、雷诺数计算式、配料 计算式等) 软件包一冶金计算模型（高炉热平衡及物料平衡计算、高炉优化配料计算、高炉 布料计算、软融带椎断模型等) 工具包一常用数学方法工具包· (2)冶金基础理论 主要包括冶金物理化学基础理论、冶金传输原理基础知识和高炉炼铁基本原理· 在治金计算与图表模块中，通过菜单选择可以查取常用的冶金数据和图表；通过函数调 用可作一些常用的冶金计算与分析，在冶金基础理论模块中，学员可以通过菜单，选择自己 想学的内容，其内容等级既可由学员自己选择，也可由计算机根据学员的应答水平自动 确定

杨 尚宝等 高炉炼铁计算机辅助教 学 系统 的探讨 效果 的 彩 色 监 视 器 ， 以 组 成 多 媒 体 用 户 系统 ， 并在 此基 础上 配置 与 多媒体有 关 的外设 ， 从而 构成 多媒体计算机硬件 系 统 ， 见 图 另外 ， 还可根据需要配置若干台 计算机作为个人 终端 本 系 统既 可 独 立的建立教学培训 系 统 ， 也可根 据需要 ， 通 过通 讯方 式 与 其他 系 统联 网 交 摄 像 机 视 音 音 频数 工 作 站 周 数响 设响 字 字 备 单 色监 视 化 频 化 制 器 板 器 扫 描 仪 大 容 量 打 印 光盘 驱 硬 盘 机 动 器 图 炼铁 系统配置 瑰 支持软件 采 用 操 作 系 统 ， 并 用 语 言和 语 言进 行 混合编 程 系统功能 本 系 统分 为 个层 次 基 础培 训系 统层 、 操 作培 训 系统层 、 研 究 开 发 系统层 ， 见 图 冶金 理论 学 习 单 元 冶金 计算 与 图表 数 据库一常用 冶金基本 数据 △万 、 △ 、 △ 、 熔 点 、 粘度 、 表 面 张力 、 传热系数等 图形 库 一 常用 冶 金 性 能和 关 系 图 铁碳相 图 、 等 粘度 图 、 碱 度 与脱硫 关系 图等 函 数库 一 常用 冶金公 式 或经验式 △ 计算式 、 碱度计算 式 、 雷诺 数计算式 、 配 料 计算式等 软件包 一冶金计算模 型 高炉热平衡 及 物料平衡计算 、 高 炉 优 化 配 料 计 算 、 高 炉 布料计算 、 软融 带推 断模 型等 工具 包 一常用 数学方 法 工具 包 冶金基 础理论 主要 包括冶金物理 化学基 础理 论 冶金传输原理 基 础知 识和 高炉炼铁基 本 原理 在冶金计算 与 图表模块 中 ， 通过 菜单选择可 以 查 取 常用 的冶金 数据和 图表 通过 函 数调 用 可作 一些 常用 的冶金计算 与分 析 在 冶金基 础理论模 块 中 ， 学 员可 以 通 过菜 单 ， 选 择 自己 想 学 的 内容 ， 其 内容 等 级 既 可 由学 员 自己 选 择 ， 也 可 由计 算 机 根 据 学 员 的 应 答 水 平 自动 确定

…218 北京科技大学学报 1994年N0.3 冶金计算与图表 冶金理论学习单元一 冶金基础理论 基础培训系统层 -各工序基本原理和目的 一主要工艺流程 操作工序学习单元一 一主要设备及其功能 技术经济指标及意义 操作规程和技术参数的显示与说明 操作规程学习单元 各岗位操作的录像片 各岗位。各主要设备操作的动画示意 课 操作培训系统层 操作模拟学习单元一一在多媒体计算机上实现各岗位的模拟操作 一楼作水平新试障元一禁作朵种的流视与解标 科技操作模拟单元一一一新品种和新工艺试验的操作模拟 一研究开发系统层一 一开发环境支持单元—新技术和新设备开发的支持环境 图2炼铁CI课件的功能 Fig.2 The function of CAI course ware for ironmaking 2.2生产工序学习单元 在本单元中，通过多媒体计算机文字、图形、声音、图象一体化的形式、演示和解释炼 铁生产各工序的基本原理和月的，演示和解释主要工艺流程、主要设备及其功能；显示和解 释炼铁生产的各项技术经济指标及其意义， 2.3操作规程学习单元 在本单元中，可以显示和说明炼铁生产各岗位的操作规程和操作技术参数；通过录像向 学员演示和解释各岗位操作的具体方法和步骤：并通过动画示意的方法演示各岗位、各主要 设备的操作， 2.4操作模拟学习单元 本系统在多媒体计算机上模拟了高炉炼铁的仿真画面，从而造成了高炉炼铁的模拟环 境，在模拟环境中，学员可以模拟学习高炉本体各岗位的操作，包括开炉操作、正常操作和 停炉操作，也可以模拟学习高炉辅助系统（上料系统、送风系统、喷吹系统、煤气除尘系 统、渣铁处理系统等)的操作·在模拟环境中，计算机可以根据学员模拟操作的综合结果， 直观地显示高炉内的料面情况和软融带的形状， 本系统还可以模拟一些破坏性的故障，甚至模仿无法经历的特殊故障以训练学员维护能 力和异常炉况的分析处理能力， 2.5操作水平测试单元 本单元对学员进行操作经验的集中培训、并作出简明的总结·借助于计算机的巨大存储 能力，本系统中还建立了操作水平测试试题库，该试题库同时具有检索、辩识和统计的功能 学员可选用联机测验和脱机考试二种方式进行操作水平的测试，在联机测验时，既可以

北 京 科 技 大 学 学 报 空抖 年 金理 论学 习 单元 一巨 冶金 计算 与 图表 冶金 基础理 论 各主技操 兀 一兀 一基础培 训 系 统层 －叹作工 序学 习单元 操作规程 学 习单 工序 基 本 原理 和 目的 要 工 艺 流 程 要 设 备及 其功 能 术经 济 指 标及 意 义 作规程 和 技 术 参数 的 显示 与 说 明 岗位操作 的录像 片 岗位 、 各 主要 设备操作 的 动 画 示 意 一操 作培训 系 统层 操作模拟 学 习单元一一在 多媒体计算机上 实现各 岗位 的模拟操作 操作水平测 试单元一 操作经验 的培训 与总结 操作水平 的测 试 与评价 厂盯匕 一 一研 究 开 发系 统层 气二 科技操作模拟单元－ 新 品种 和 新工 艺试验 的操作模拟 开 发环境 支持单元 － 新技术和新 设备开 发的支持环境 川 回剑四 图 炼铁 课件的功能 城 生产工序 学 习单 元 在 本单 元 中 ， 通 过 多媒 体计 算机 文 字 、 图形 、 声音 、 图象一 体化 的形式 ， 演示 和解 释 炼 铁生产各 工 序 的 基 本 原理 和 目的 演不 和 解释 主要 工 艺 流程 、 主 要 设备及其功能 显 示 和 解 释 炼铁 生 产 的各项 技 术 经 济 指 标 及其 意 义 操 作 规 程学 习 单 元 在 本单元 中 ， 可 以 显示 和 说 明炼 铁 生 产各 岗位 的操作规程 和操 作技术参数 通过 录像 向 学 员演示 和 解释 各 岗位操 作 的具 体方 法 和 步骤 并 通过 动 画 不 意 的方法演示 各 岗位 、 各 主要 设备的操 作 操 作模拟学 习 单元 本系 统在 多媒 体计算机上 模拟 了 高 炉 炼 铁 的仿 真 画 面 ， 从 而 造 成 了 高 炉 炼 铁 的模 拟 环 境 在 模拟 环境 中 ， 学 员 可以 模 拟 学 习 高炉 本体各 岗位 的操作 ， 包括 开炉操作 、 正 常操 作和 停 炉操 作 ， 也可 以模拟 学 习高 炉辅助 系 统 上 料 系 统 、 送 风 系 统 、 喷 吹 系 统 、 煤 气 除 尘 系 统 、 渣 铁 处理 系统等 的操 作 在模拟 环境 中 ， 计 算 机 可 以 根 据 学 员模 拟 操 作 的 综 合 结 果 ， 直观地 显示 高炉 内的料 面情 况 和 软融 带 的形 状 本 系 统还 可 以 模 拟 一些破 坏性 的故 障 ， 甚至模 仿无法 经历 的特殊 故障 以训 练学 员维护能 力 和 异 常炉 况 的分 析处理 能力 操作水平测试单元 本单元 对学 员进行 操 作 经验 的集 中培 训 ， 并作 出简 明 的总结 借 助于 计算 机 的 巨 大存 储 能 力 ， 本 系 统 中还建 立 了操 作 水平 测试 试 题 库 ， 该试 题 库同时具有 检 索 、 辩 识 和 统 计 的功能 学 员 可 选 用联 机测 验 和 脱 机考 试二 种方式 进行 操作水平 的测 试 在联机测 验 时 ， 既可 以

Vol.16 No.3 杨尚宝等：高炉炼铁计算机辅助教学系统的探讨 219. 作试题选答，也可以作模拟操作，这使水平测试具有更大的灵活性、生动性和有效性， 2.6科研操作模拟单元 在新品种、新工艺的试验研究中，可以通过本单元进行离线的试验操作模拟，以求得新的 最佳操作工艺，并积累操作经验，从而极大地节省新品种新工艺开发过程的人力、物力和财力， 2.7开发环境支持单元 在研究开发新技术、新设备时，可通过本模块调用相应的软件包，建立起良好的冶金科研 开发环境，从而有利于科研人员进行冶金科学计算与分析、冶金设备计算机辅助设计等工作· 3课程教学设计 3.1教学内容 参照CAI课件的系统功能（见图2），将各功能块按其所要教学的内容和范围分成若干 单元，并配以确定的课时， 3.2课程调度 为协调好各课时内容间的有效衔接，本系统对课件各模块的调度拟采用混合调度方式， 即菜单式和程度式相结合的方法· 通常计算机根据学生的一般情况按一定顺序进行教学内容的连接，通过大屏幕（集体教 学时)或个人终端显示器显示各教学内容：同时由计算机提供所有教学内容栏目的分级式菜 单，供学生个别选择，从而有利于实行个别化教学， 4课件结构设计 4.1教学单元控制设计 各教学单元之间、各版面之间的连接、转移规则要按照一定的控制策略来安排， (1)对于冶金基础理论及各工序操作规范采用固定结构方式（即帧面型）：(2)对于操作 技能及技术指标的解释采用白动生成型；（3)对于操作模拟及操作水平测试采用人工智能型。 4.2教学单元设计 （1)教学内容：根据教学设计提出的内容精心剪裁编辑，分解成若干基本单元，每个 教学单元有一个单一的教学目的和教学模式， (2)版面设计：精心设计教学单元中各版面的图形文字，使文字，图形、图像和声音 有机地结合起来， 参考文献 1刘甘娜，计算机辅助教学，北京：高等教有出版社，1988.2 2钟玉逐等，多媒体计算机技术·北京：清华人学出版社，广西科学技术出版社，1993.5

〔〕 杨 尚宝等 高炉炼铁计算机辅助教 学系统 的探讨 作 试题 选答 ， 也 可 以 作模拟操作 ， 这使水平测 试具有 更大 的灵 活性 、 生 动性 和 有 效性 科研操作模拟单 元 在新 品种 、 新 工 艺 的 试验研究 中 ， 可 以通过本单元进行离线的试验操作模拟 ， 以求得新 的 最佳操 作工 艺 ， 并 积累操 作经验 ， 从而极大地 节省新 品种新工艺开发过程的人力 、 物力和 财力 开发环境支持单 元 在研究 开发新 技术 、 新设备 时 ， 可 通过本模块调 用 相 应 的软件包 ， 建立起 良好的冶金科 研 开发环境 ， 从而 有利于 科研 人 员进行冶金科学计算 与分 析 、 冶金设 备计算 机辅助设计等 工 作 课程教学设计 教学 内容 参照 课件 的系 统功能 见 图 ， 将 各功 能块 按 其所 要 教 学 的 内容 和 范 围 分 成 若 干 单元 ， 并配 以 确定 的课 时 课程调 度 为协调好各课 时 内容 间的有效 衔接 ， 本 系统对课件 各模 块 的 调 度 拟 采 用 混 合 调 度 方 式 ， 即菜单式和程度式相结合的方 法 通 常计算 机根据学 生 的一般情 况 按一 定顺序进 行教 学 内容 的连 接 ， 通 过大 屏 幕 集体 教 学 时 或个人终端显示 器显示 各教 学 内容 同时 由计算机提 供所有教 学 内容 栏 目的分级式菜 单 ， 供 学生 个别 选 择 ， 从 而 有利 丁 实 行 个别化教 学 课 件结构设计 教学单 元控 制设计 各教学单元 之 间 、 各版 面 之 间的连接 、 转移规则要 按 照 一定 的控制 策 略来 安排 对于 冶金 基 础理论及 各工序操作规范采 用 固定结构方式 即帧面 型 对于 操 作 技能及技术指标 的解释 采 用 自动 生成 型 对于 操作模 拟 及 操作 水平 测 试采 用人工 智 能型 。 教学单元设计 教学 内容 根 据教学设计提 出的 内容 精 心 剪 裁 编 辑 ， 教学单元有一 个单一 的教 学 目的和 教 学模式 版面设计 精心 设计教 学单元 中各 版 面 的 图形 文 字 ， 有机地结合起来 分 解 成 若 千 基 本 单 元 ， 每 个 使 文 字 、 图形 、 图像 和 声 音 参 考 文 献 刘甘娜 计算机辅助教 学 北 京 高等教育 出版社 ， 钟玉 逐 等 ， 多媒体计算机技 术 北 京 清华 大学 出版社 ， 广 西 科 学 技 术 出 版社 ， 卯