趙志剛,冉茂飛
(西南民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境保護工程學(xué)院,四川 成都 610041)
化工行業(yè)在我國國民經(jīng)濟中占有重要地位,是國家的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)之一[1]。由于化工生產(chǎn)過程涉及高溫高壓、易燃易爆和有毒有害原料等問題,行業(yè)對動手能力強與解決實際生產(chǎn)問題能力出眾的工程人才有著強烈的需求。目前,大多數(shù)高校開設(shè)的化學(xué)工程與工藝專業(yè)就是面向社會培養(yǎng)從事化工應(yīng)用及相關(guān)工作的專業(yè)人才。目前,各高校多采用進駐化工企業(yè)進行生產(chǎn)實習(xí)實訓(xùn),為學(xué)生建立理論聯(lián)系實踐的機會,培養(yǎng)學(xué)生在化工生產(chǎn)中的實際操作能力[2-3]。通過在工廠接觸生產(chǎn)現(xiàn)場,學(xué)生可以了解工藝流程,掌握設(shè)備運行指標(biāo),分析探討各類生產(chǎn)過程中的突發(fā)事件,提高提出問題、分析問題、解決問題的能力,進而增強就業(yè)競爭力,更好地為社會服務(wù)[4]。
然而,在實習(xí)過程中存在很多客觀問題影響了進廠實習(xí)實訓(xùn)的教學(xué)效果:1.教學(xué)計劃中要求的學(xué)生總實習(xí)時間達半年以上,且要進行上百人規(guī)模的綜合實訓(xùn),這些是很多化工企業(yè)難以承受的。2.企業(yè)出于安全性考慮,嚴(yán)格限制學(xué)生實習(xí)時的時間和范圍,甚至實習(xí)時要求學(xué)生只能看不許碰,而很多管路設(shè)備都進行了包裹處理等,導(dǎo)致無法看到管路或設(shè)備的真實情況,學(xué)生實習(xí)參與度很低[3]。因此這些問題使學(xué)生在企業(yè)綜合實習(xí)的教學(xué)目的無法完全達到,學(xué)生不能獲得親身參與生產(chǎn)實踐活動的真實體驗,遠遠沒能達到實習(xí)教學(xué)的目的,造成了學(xué)生在實踐能力培養(yǎng)中的缺失。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,虛擬仿真技術(shù)日益成熟,使得借助虛擬裝置設(shè)備進行實驗實習(xí)教學(xué)成為可能。
根據(jù)《教育部關(guān)于開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作的通知(教高司函[2013]94 號》中提出的"虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容,是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。要求各高校分年度建設(shè)一批具有示范、引領(lǐng)作用的虛擬仿真實驗教學(xué)中心,持續(xù)推薦教學(xué)信息化建設(shè),推動高等學(xué)校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新"精神,西南民族大學(xué)化學(xué)與環(huán)境保護工程學(xué)院于2016年建設(shè)了四川省省級化學(xué)化工類虛擬仿真實驗中心。在隨后的教學(xué)中,中心針對化工實驗實習(xí)教學(xué)中存在的問題,對虛擬仿真實驗教學(xué)進行了有益的探索,以期能提高學(xué)生的化工綜合實訓(xùn)效果。
隨著多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、遠程教育的興起,使高校各學(xué)科的教學(xué)模式發(fā)生了巨大改變,教育信息化已引發(fā)高等教育改革教育理念和教學(xué)模式的深刻革命[5-6]。從目前全國各高校開展的情況來看,虛擬仿真技術(shù)在化工實習(xí)教學(xué)中有著很多突出的優(yōu)勢:(1)日臻成熟的虛擬現(xiàn)實技術(shù),將以往實習(xí)中大規(guī)模、高消耗、高危險性、大型綜合等化工實習(xí)實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容,以數(shù)字化動態(tài)模型及3D 虛擬現(xiàn)實仿真的形式,讓學(xué)生在安全、經(jīng)濟的實訓(xùn)條件下可以不受時間和空間的限制而進行實習(xí)實訓(xùn)練習(xí)。(2)虛擬仿真實踐訓(xùn)練提供生動、逼真的虛擬工廠學(xué)習(xí)環(huán)境,通過模擬工廠開車、停車、正常運行和各種事故現(xiàn)象處理,使學(xué)生在虛擬工廠中獲得感官上的體驗和互動。而且計算機真實地再現(xiàn)生產(chǎn)中的化工單元過程,使學(xué)生在學(xué)校里就可以達到企業(yè)中管理各生產(chǎn)設(shè)備的效果,學(xué)生可以更深刻理解和綜合應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)知識,進而培養(yǎng)學(xué)生分析和解決生產(chǎn)操作中各種問題的能力[3]。(3)培訓(xùn)內(nèi)容可以不斷更新,使實踐訓(xùn)練及時跟上各化工新技術(shù)的發(fā)展。特別是通過鼓勵學(xué)生將創(chuàng)新實驗項目的實驗內(nèi)容開發(fā)成為到化工虛擬仿真軟件有效地提高了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
西南民族大學(xué)化學(xué)化工類虛擬仿真中心依托西南民族大學(xué)四川省省級實驗教學(xué)示范中心與化學(xué)工程與工藝四川省級卓越工程師計劃而建。虛擬實驗中心本著"虛實結(jié)合,相互補充,能實不虛"的建設(shè)原則,結(jié)合自身民族高?;I(yè)的教學(xué)特色和化工專業(yè)實訓(xùn)的教學(xué)目的和要求,將理論教學(xué)、實驗訓(xùn)練、企業(yè)實訓(xùn)和虛擬實訓(xùn)有效結(jié)合。目前中心虛擬仿真模塊已經(jīng)用于學(xué)?;瘜W(xué)化工類10余個專業(yè)的仿真實習(xí)、化工實訓(xùn)、認識實習(xí)、化工原理仿真實驗、專業(yè)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)實踐環(huán)節(jié),構(gòu)建了由基礎(chǔ)實驗仿真模塊、專業(yè)實驗仿真模塊及生產(chǎn)實訓(xùn)仿真模塊3大虛擬仿真實驗結(jié)構(gòu)體系,如圖1 所示。作為其中重要的部份,生產(chǎn)實習(xí)實訓(xùn)仿真模塊除了經(jīng)典的傳統(tǒng)化工工藝(合成氨、合成甲醇)仿真,還有以民族地區(qū)特色化工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝、優(yōu)秀教師的創(chuàng)新設(shè)計項目等特色內(nèi)容開發(fā)的一系列擁有知識產(chǎn)權(quán)的仿真實訓(xùn)軟件,見于圖2。虛擬仿真實訓(xùn)平臺的建立實現(xiàn)了化工各專業(yè)實驗與實習(xí)實訓(xùn)的交叉與延伸,有助于現(xiàn)代化工技術(shù)復(fù)合型人才的培養(yǎng)。
圖1 虛擬仿真中心的實驗教學(xué)模塊
圖2 生產(chǎn)實訓(xùn)模塊包含的主要教學(xué)內(nèi)容
在學(xué)生進行虛擬仿真實習(xí)前,應(yīng)安排學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)了解相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝特點、生產(chǎn)主要設(shè)備、行業(yè)現(xiàn)狀和前景等背景資料,進而了解實習(xí)企業(yè)及相關(guān)行業(yè)的現(xiàn)狀和前景。通過虛擬仿真平臺可以通過很多方式進行有效的實習(xí)預(yù)習(xí),如學(xué)生登錄平臺后,可以通過圖文閱讀和視頻演示,學(xué)習(xí)工藝原理、設(shè)備構(gòu)造和使用方法、工藝流程和其他相關(guān)擴展知識。在了解完一定的背景知識后,按照實習(xí)報告的寫作要求擬好自己關(guān)于實習(xí)過程的相關(guān)問題,以便通過仿真實訓(xùn)得到答案,達到預(yù)習(xí)實習(xí)的目的。
中心虛擬仿真教學(xué)平臺具有網(wǎng)上選課、信息發(fā)布、互動交流和成果展示等功能。通過網(wǎng)上選課功能,學(xué)生可采用個人電腦、iPad等設(shè)備登錄虛擬實驗平臺方便地遠程登錄系統(tǒng),并選擇合適的虛擬仿真實驗項目,見于圖3,圖4;在虛擬仿真實訓(xùn)過程中,學(xué)生在3D虛擬仿真工廠里以角色扮演(role playing)的形式在工廠中與軟件中設(shè)置的企業(yè)管理人員進行互動學(xué)習(xí),掌握生產(chǎn)安全知識、化工設(shè)備結(jié)構(gòu)與原理等重要知識點,見于圖5。虛擬化工實習(xí)軟件在這個實習(xí)過程中設(shè)置了一定量的實習(xí)任務(wù),每當(dāng)學(xué)生的角色完成了一個任務(wù)后會獲得獎勵,這樣類似游戲軟件的實習(xí)方式有效地提高了學(xué)生在虛擬仿真實習(xí)軟件中練習(xí)的積極性。
同時,仿真實習(xí)軟件利用計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)對實物設(shè)備和化工過程進行仿真模擬,通過與實際化工過程中相同的DCS 控制系統(tǒng)和現(xiàn)場實操兩種操作方式對典型化工單元操作過程中的開停車及正常生產(chǎn)等內(nèi)容進行操作練習(xí),見于圖6,7。這樣的實習(xí)方式彌補了傳統(tǒng)企業(yè)實習(xí)中學(xué)生無法親自動手操作的不足,使學(xué)生對實習(xí)的化工工藝路線、控制方式及常規(guī)故障處理等操作有了更深的理解和掌握。
圖3 虛擬仿真實驗平臺遠程登錄系統(tǒng)
圖4 虛擬仿真實驗項目的選擇
圖5 虛擬仿真實習(xí)中與工作人員的互動學(xué)習(xí)
圖6 虛擬仿真實習(xí)中DCS操作系統(tǒng)的操作練習(xí)
圖7 虛擬仿真實習(xí)中現(xiàn)場實操練習(xí)
圖8 虛擬仿真中數(shù)據(jù)的采集與分析
在學(xué)生進行了各項實習(xí)操作練習(xí)后,虛擬仿真軟件可以對模擬實驗操作中實時測得的數(shù)據(jù)進行收集分析,進而在線出具實驗報告。實驗結(jié)束后,系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)定評分標(biāo)準(zhǔn)完成成績評定。這樣就達到了對學(xué)生實習(xí)教學(xué)效果進行量化考核的目的,改變傳統(tǒng)過程中只能依靠實習(xí)報告評閱這樣簡單、低效的評價方式,提高學(xué)生實習(xí)過程中的實習(xí)效果。
采用計算機技術(shù)進行化工虛擬仿真實習(xí)的方式,不僅克服了傳統(tǒng)企業(yè)實習(xí)中化工過程高危險性、高污染及高成本等困難,而且使學(xué)生突破了實習(xí)中時間和空間的限制。利用虛擬仿真技術(shù),不僅強化了實習(xí)的教學(xué)效果,使得教學(xué)內(nèi)容更具感染力和吸引力,更增加了學(xué)生的進行化工實際操作的實踐機會,提高了學(xué)生的動手能力和處理故障的能力,為學(xué)生培養(yǎng)工程實踐能力提供一大助力。