一、实验的必要性及实用性

水泥作为建材行业三大基本材料之一，素有“建筑工业的粮食之称”。在“碳达峰、碳中和”目标的影响下，传统水泥工业受影响最大，其中既有碳排放量大、污染防治难度大等负面影响，也有技术装备升级、产业关联加强等正面影响，为传统水泥产业再现活力提供了新的挑战与发展契机。

（1）碳达峰的时代要求对水泥行业提出了新的挑战；

（2）碳达峰、碳中和目标迫使传统水泥产业进行结构转型升级；

（3）碳达峰、碳中和目标促进水泥产业的高质量发展及工艺、技术的创新。

在减碳目标指引下，水泥行业应加大技改投入，开发并应用低能耗低碳技术，减少石化能源的消耗；鼓励水泥企业延伸产业链，利用水泥产业的天然优势实施碳减排，如水泥窑协同处置市政污泥、城市垃圾以及垃圾焚烧飞灰等危险废弃物。这些新挑战、新工艺、新技术对水泥行业的人才培养提出了更高的要求。

水泥生产工艺极其复杂，生产过程运用多种大型设备生产，成本高；水泥生产现场为高温，高噪音的环境；水泥生产故障具有无法预测性及不可逆操作性。基于以上原因，学校实验室不可能建设真实的水泥生产线，而水泥生产中控操作是大型的综合性训练项目，因此，水泥生产中控操作与故障处理虚拟仿真项目实验的建设，显得十分必要与迫切。

二、实验教学设计的合理性

（1）明确的实验教学目标传递碳减排的时代责任

针对水泥生产的高危环境、高成本、高消耗及不可逆操作等特点，建立3D虚拟的水泥生产企业环境，让学生直观形象地体验、感知水泥生产工艺流程、工艺布置及工厂布局，让学生在水泥生产控制操作过程中，了解水泥生产基本原理及全过程，掌握水泥生产控制的精髓，感受到水泥行业碳减排的时代责任。

（2）虚实结合的实验设置高度还原水泥生产全过程

水泥企业实践实习、实验室水泥生产线及主机设备实物仿真模型展示等让学生感受实实在在的水泥生产工艺，辅以3D虚拟的水泥生产企业环境，直观形象、立体生动地体验、感知水泥生产工艺布置与工厂布局，学生形成对水泥生产的直观认识；以大数据为依托，采用虚拟仿真技术高度还原水泥生产控制，让学生在工厂看不见的工艺控制能够安全无忧的上手操作，切实体会、领悟水泥生产中控操作精髓，提升操作技能，使高风险、高成本的实验教学落到实处。

（3）模块化的实验内容提升学生的专业修养

实验内容采用模块化设计，各模块彼此相互独立，模块知识又相互联系。在实验过程中，学生可根据自身知识和能力选择对应模块参与实验过程，根据实验结果统计，反思自己的操作过程和处理方法，总结相应的知识储备和实践应用能力并进行创新，提升学生的专业修养。

（4）自主式的学习方式强化学生的职业责任

水泥生产中控操作与故障处理虚拟仿真项目实验分为“指定模式”和“随机模式”两种学习方式。 “指定模式”下告知学生生产故障及形成原因，学生熟悉掌握此故障下的生产工艺参数的变化特点，利用所学知识去分析原因。“随机模式”下高度仿真水泥生产中控实际操作，学生要根据工艺参数的变化特点，分析、判断故障原因，并做出正确处理，在操作过程中自我提醒、自我纠错，灵活参与实验过程。

（5）反思式的评价体系提高学生的学习效果

每次故障处理完成后，系统对本次处理进行结果统计，学生可以反思自己的全部操作，并对自己掌握的情况做出评价。学生根据评价结果和兴趣，反复进行虚拟仿真实验，进而提高学习效果。

三、实验系统的先进性

水泥产业的转型升级必然会带来水泥生产控制操作系统的革新，水泥生产过程的升级改造，包括减排、降耗等，这些也必会引起新的生产故障。而所有这些都不可能在生产线上进行实验探索。水泥生产中控操作与故障处理虚拟仿真项目实验的建设，可以将水泥生产的新技术、新工艺、新问题通过仿真的方式进行生动的展示。

（1）操作系统的升级与改进

碳达峰、碳减排的时代要求，水泥企业面临着选择有效的减排路径来推动减排生产、实现碳中和，包括原料替代、燃料替代、水泥窑协同处置城市生活垃圾、预烧成窑炉技术、能源管控、余热发电、发展低碳水泥、调整品种结构、碳捕捉等等，所有这些技术都需要操作系统的升级与改进。

（2）水泥生产过程的优化

水泥生产过程的优化主要集中在能耗的优化，包括：降低熟料烧成热耗；提升AF（可替代燃料）/TSR（可替代衍生燃料）的替代率；现场风机、空压机能效提升；磨机改造与优化；窑系统漏风治理；余热发电系统优化与发电量提升及工艺优化等。

（3）典型故障判断及应急处理。

对不同的生产环境，水泥生产过程中出现的故障不同，系统的升级、水泥生产过程的优化，也会带来全新的故障，这些故障具有不可预测性，也无法通过现场的具体操作来实现，但可以通过虚拟仿真的方式来模拟操作、模拟演练，探究最佳结果。