教育信息化背景下化工類生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式研究

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(鄭州輕工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

教育部、國家發(fā)展改革委、財政部《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》中明確指出要將現(xiàn)代信息技術(shù)全面融入教學(xué)改革，推動信息化教學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等廣泛應(yīng)用[1]。現(xiàn)代信息技術(shù)在教育領(lǐng)域中不斷發(fā)展和應(yīng)用，對大學(xué)教育教學(xué)方式方法也提出了更高的要求，隨著各高校數(shù)字校園建設(shè)的不斷升級為高校教育模式的新一輪變革創(chuàng)造了條件，實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)也在逐漸向信息化、智能化的趨勢發(fā)展。

生產(chǎn)實(shí)習(xí)作為大學(xué)教育教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是人才培養(yǎng)的重要組成。多年來，高校實(shí)習(xí)多采用傳統(tǒng)方式在小型實(shí)驗(yàn)裝置和生產(chǎn)企業(yè)中進(jìn)行，由于企業(yè)承擔(dān)的安全風(fēng)險責(zé)任越來越大，接納學(xué)生進(jìn)行實(shí)習(xí)的空間及能力均受到一定限制。為解決目前實(shí)踐教學(xué)所遇到的瓶頸，采用新型實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺和方式勢在必行。虛擬仿真實(shí)訓(xùn)和教學(xué)實(shí)踐相融合的教學(xué)模式是一種將理論與實(shí)踐相結(jié)合的新型教學(xué)平臺，更是未來智能化教育的基礎(chǔ)。此種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式在培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐分析能力、工藝研究方法、創(chuàng)新思維等方面有著其他教學(xué)方法所不能替代的獨(dú)到作用。

1 化工類專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)現(xiàn)狀

目前，雖然中國多數(shù)高校對實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)的重要性有充分的認(rèn)識，但對于實(shí)習(xí)卻是“心有余而力不足”，實(shí)習(xí)單位難以落實(shí)、實(shí)習(xí)內(nèi)容難以保證、實(shí)習(xí)效果難以體現(xiàn)已經(jīng)成為困擾大學(xué)生產(chǎn)實(shí)習(xí)的三大難題，也成為在校學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的軟肋?，F(xiàn)代企業(yè)自動化程度高，關(guān)鍵崗位操作復(fù)雜，責(zé)任重大，由于學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，在易燃、易爆等危險品的接觸過程中存在較大的隱患，即便可以頂崗實(shí)操，往往也是一些基礎(chǔ)性工作，學(xué)生并不能真正的掌握化工生產(chǎn)和設(shè)備的使用[2]。

在生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)方面，大都是采用教師帶隊(duì)、集中實(shí)習(xí)、參觀為主的實(shí)習(xí)教學(xué)方式。實(shí)習(xí)教師通常將大部分的精力放在保證實(shí)習(xí)安全、紀(jì)律組織方面，偏離了實(shí)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和理論知識與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)指導(dǎo)主題。另外，實(shí)習(xí)結(jié)果也大都是以報告的形式提交，形式主義嚴(yán)重，實(shí)際教學(xué)效果欠佳。

2 化工類專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)改革建設(shè)思路

本項(xiàng)目建設(shè)并不是替代傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式，而是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的有效補(bǔ)充和輔助，將一些不具備條件或是不方便直接進(jìn)行的過程利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以虛擬現(xiàn)實(shí)的形式展現(xiàn)，既豐富了實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，又有現(xiàn)實(shí)直觀的體驗(yàn)。

基于動態(tài)模擬技術(shù)構(gòu)建高度仿真的工廠環(huán)境和實(shí)訓(xùn)對象，以3D場景為主要表現(xiàn)界面，具有情節(jié)、角色等概念的交互式操作系統(tǒng)，學(xué)生在中控與車間環(huán)境中開展實(shí)訓(xùn)。對化工生產(chǎn)過程、化工生產(chǎn)裝置開、停車等耗時長、高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“虛實(shí)結(jié)合”的模擬仿真+現(xiàn)場實(shí)體操作相結(jié)合的教學(xué)模式。

3 虛實(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)

選擇長期穩(wěn)定的生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行虛擬化建設(shè)，依據(jù)企業(yè)實(shí)習(xí)基地選擇典型的化工流程，運(yùn)用高精度動態(tài)仿真技術(shù)，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場真實(shí)設(shè)備、儀表及工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，全面模擬生產(chǎn)工藝過程，為生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)活動開展提供可靠的支持。學(xué)生在仿真模擬中掌握化工產(chǎn)品生產(chǎn)流程和工藝，為現(xiàn)場實(shí)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)，提高生產(chǎn)實(shí)習(xí)的安全性和有效性。

3.1 教學(xué)內(nèi)容

圖1 四塔精制工藝及裝備仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

四塔精制工藝及裝備仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是以現(xiàn)實(shí)環(huán)境為基礎(chǔ)，與現(xiàn)實(shí)工廠的工藝及裝備完全相同，工藝原理、方法、參數(shù)、操作方法也完全一樣，流程之間有客觀的物理關(guān)聯(lián)性，是現(xiàn)實(shí)工藝的仿真再現(xiàn)。以過程裝備與控制工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)四塔精制工藝為例(圖1)，主要含以下五部分內(nèi)容：

(1)三維場景系統(tǒng)。三維場景系統(tǒng)可提供漫游動畫，以廠區(qū)錄像的形式，配以錄音，加之以管線的流動方向來展現(xiàn)工段的工藝，更直接更鮮明的對該工藝有更直觀的了解，達(dá)到讓學(xué)生在最短時間內(nèi)掌握該工藝的目的。

(2)動靜設(shè)備系統(tǒng)。主要是指某設(shè)備在工段中的作用，以視頻、圖片、文檔的形式來對某一設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)以及分類等進(jìn)行詳細(xì)的說明與演示，目的是讓學(xué)生在了解某一設(shè)備特定作用的情況下，對預(yù)期有關(guān)的知識點(diǎn)進(jìn)行一個擴(kuò)展性了解，達(dá)到豐富其知識面的目的。

(3)控制操作系統(tǒng)。三維場景運(yùn)用真實(shí)的立體管路和空間分布的設(shè)備外觀設(shè)計(jì)，模擬真實(shí)工業(yè)現(xiàn)場，提供所有人工操作環(huán)境，采用真實(shí)集散控制系統(tǒng)(DCS)及安全儀表控制系統(tǒng)(SIS)；承擔(dān)工藝過程的全工況動態(tài)模擬，包括正常開、停車及異常工況模擬。

(4)安全事故系統(tǒng)。主要以動畫、對話、瀏覽、朗讀以及任務(wù)下發(fā)等形式來對與化工管生產(chǎn)安全方面相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行介紹與描述。

(5)在線考核系統(tǒng)。仿真考核內(nèi)容包括，實(shí)習(xí)預(yù)習(xí)情況考核、仿真操作情況考核、深層次實(shí)際復(fù)雜工程問題的思考及解決方案情況考核等。

通過仿真平臺認(rèn)知四塔精制工藝過程、所用到的過程裝備，廠區(qū)布置，上下游產(chǎn)品等，對化工企業(yè)與專業(yè)的關(guān)系有簡單了解；同時通過界面的互動理解并掌握四塔精制過程控制參數(shù)，車間物料流程及所用到的過程裝備結(jié)構(gòu)及工作原理等。基于仿真平臺虛擬操作，學(xué)生可以獨(dú)立完成操作過程，明晰職業(yè)道德規(guī)范；在3D虛擬仿真系統(tǒng)中，學(xué)生可以將自身置于各種復(fù)雜、突發(fā)環(huán)境中去，從而進(jìn)行針對性操作訓(xùn)練，提高自身應(yīng)對突發(fā)事故與相關(guān)處理技能。3D虛擬仿真實(shí)訓(xùn)遠(yuǎn)比實(shí)際實(shí)習(xí)安全，學(xué)生可以大膽地嘗試各種實(shí)訓(xùn)方案，嘗試多種非正常條件下進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，豐富復(fù)雜條件下操作技能，提高自身的操作水平，確保在今后實(shí)際操作中的人身及生產(chǎn)安全。

3.2 教學(xué)模式

課前預(yù)習(xí)是課堂實(shí)訓(xùn)開始之前的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生通過實(shí)習(xí)手冊中相關(guān)實(shí)習(xí)知識點(diǎn)以及相關(guān)基礎(chǔ)背景知識，了解基本工藝原理、工藝路線及主要操作參數(shù)，了解操作要點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，熟悉單元設(shè)備作用、原理及操作要點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)，以期提高后續(xù)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)效率和效果；學(xué)生預(yù)習(xí)后，完成預(yù)習(xí)的相關(guān)實(shí)習(xí)報告等材料，正確回答完成相關(guān)問題后可進(jìn)行課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)。整個實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)主要是在課堂教學(xué)過程中完成。教學(xué)過程中通過采取提問、互動、討論、完成操作練習(xí)等手段和訓(xùn)練，讓學(xué)生通過仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐獲得更真實(shí)更系統(tǒng)更直觀演練、練習(xí)，加深對基本理論、原理、工藝規(guī)程規(guī)律的認(rèn)識認(rèn)知及理解，初步建立流程性(過程性)理念，加深對過程規(guī)律、工程性問題的了解。

完成課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)后，教師依照相關(guān)大綱及要求，對學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)習(xí)及整體實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)進(jìn)行綜合考核。

3.3 生產(chǎn)實(shí)習(xí)評價體系

建立基于能力導(dǎo)向的評價方式，通過課堂講授、仿真訓(xùn)練、現(xiàn)場實(shí)習(xí)等形式培養(yǎng)學(xué)生的知識、能力、素養(yǎng)體系，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。四塔精制工藝及裝備仿真實(shí)訓(xùn)的教學(xué)采用類似于網(wǎng)絡(luò)游戲似的操作方式，設(shè)置了不同層次類型的問題(關(guān)卡)，學(xué)生以類似闖關(guān)的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)，更好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性。每位學(xué)生需完成仿真實(shí)驗(yàn)報告，記錄所做的工作、所學(xué)的技術(shù)及心得體會。為滿足教學(xué)目標(biāo)，測試教學(xué)成效以及學(xué)生的知識掌握情況，平臺設(shè)置了考核管理系統(tǒng)，系統(tǒng)中加入了多種類型知識題庫?？己讼到y(tǒng)具有完善的統(tǒng)計(jì)功能，教師可通過分析學(xué)生考卷成績，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更深入的實(shí)踐技能學(xué)習(xí)。另外本仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目配套操作指導(dǎo)評價系統(tǒng)，按照實(shí)訓(xùn)操作規(guī)范進(jìn)行客觀打分，學(xué)生在培訓(xùn)完后，評價系統(tǒng)能自動給一個評價分?jǐn)?shù)，系統(tǒng)能按照學(xué)習(xí)計(jì)劃進(jìn)度，對學(xué)生進(jìn)行評級。

4 結(jié)束語

將虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)相結(jié)合，探索出新的教學(xué)方法和手段，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)習(xí)不具備或難以完成的教學(xué)功能。在涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況下，提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。通過仿真實(shí)訓(xùn)平臺使學(xué)生能夠很好的了解、操作、調(diào)節(jié)和控制平臺，使理論學(xué)習(xí)和實(shí)際操作之間能有機(jī)的結(jié)合起來，補(bǔ)充必備的理論知識，豐富技能操作經(jīng)驗(yàn)，提升綜合能力。