虛擬仿真在石油化工類高職實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

鄧玉美，桑紅源，馮得業(yè)

(1 天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402；2 秦皇島博赫科技開(kāi)發(fā)有限公司，河北 秦皇島 066000)

實(shí)踐教學(xué)是職業(yè)院校課堂教學(xué)中的核心，是培養(yǎng)技術(shù)技能人才實(shí)踐能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，高職石油化工類專業(yè)的人才培養(yǎng)更是離不開(kāi)大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)。但是由于化工原料和實(shí)驗(yàn)具有高度危險(xiǎn)性和復(fù)雜性，石油化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)展面臨著重重困難，例如教學(xué)成本高、教學(xué)效率低、教學(xué)風(fēng)險(xiǎn)大等[1]，尤其2020年突如其來(lái)的疫情使得傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)變得更加困難。虛擬仿真能夠彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，運(yùn)用虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐研究，盡可能創(chuàng)造線上實(shí)踐教學(xué)的環(huán)境、利用現(xiàn)有資源開(kāi)發(fā)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，建立石油化工實(shí)踐教學(xué)的新模式，對(duì)進(jìn)一歩提高高職石油化工實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力與創(chuàng)新思維能力具有重要的作用。

1 石油化工類專業(yè)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

隨著當(dāng)前環(huán)保、安全生產(chǎn)的要求提高，在生源增加的情況下，實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量和質(zhì)量已經(jīng)無(wú)法滿足教學(xué)需要，而且由于化工過(guò)程非常復(fù)雜，化工類實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)展面臨著重重困難：

(1)化工裝置復(fù)雜龐大、儀器設(shè)備昂貴、藥品稀貴，需要投入較多的資金，很多院校實(shí)訓(xùn)設(shè)備臺(tái)數(shù)不足，不能支撐實(shí)訓(xùn)教學(xué)的進(jìn)行；

(2)化工實(shí)驗(yàn)操作條件苛刻，操作技術(shù)要求，危險(xiǎn)性大；

(3)實(shí)訓(xùn)中所涉及的原料通常是易燃、易爆、有毒的化學(xué)試劑，對(duì)操作環(huán)境及周圍環(huán)境影響較大；

(4)化工設(shè)備自動(dòng)化程度高，很多生產(chǎn)過(guò)程看不見(jiàn)、摸不著，實(shí)習(xí)效果差，致使單純的校外企業(yè)實(shí)踐很難達(dá)到預(yù)期的效果；

(5)高職類學(xué)生理論基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，非規(guī)范性操作會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞，維修費(fèi)用大，而且影響實(shí)訓(xùn)正常進(jìn)行。

2 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)特點(diǎn)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)，創(chuàng)建出一個(gè)可視化的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，其中的每一個(gè)可視化仿真物體代表一種實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，通過(guò)操作這些虛擬的實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備，即可進(jìn)行各種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，達(dá)到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境相一致的教學(xué)要求和目的[2]。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)具有以下特點(diǎn)[3-4]：

(1)學(xué)習(xí)環(huán)境具有沉浸性

虛擬仿真以第一人稱視角，模擬非常逼真的操作環(huán)境，在近似真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中去認(rèn)識(shí)，操作其中的虛擬設(shè)備，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)過(guò)程。

(2)交互性

虛擬仿真軟件具有強(qiáng)交互性，虛擬實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可以利用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)或其它物理設(shè)備操作虛擬設(shè)備，學(xué)生像在真實(shí)實(shí)訓(xùn)環(huán)境中一樣體驗(yàn)實(shí)訓(xùn)操作帶來(lái)的真實(shí)性，實(shí)現(xiàn)人機(jī)、人與設(shè)備的良好交互。

(3)開(kāi)放性

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以以WEB的方式發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)完成實(shí)訓(xùn)操作，在疫情常態(tài)化的今天，虛擬化工仿真不受時(shí)間、空間的制約，在寢室、校園內(nèi)或家中隨時(shí)、隨地進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(4)擴(kuò)展性

虛擬設(shè)備可以進(jìn)行靈活配置和組合，相關(guān)軟件升級(jí)和更新也非常方便，可根據(jù)教學(xué)需要對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

(5)劣勢(shì)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只能完成逼真的演示效果，不利于對(duì)學(xué)生動(dòng)手操作能力培養(yǎng) ，所以仿真操作不能完全代替實(shí)際操作。

3 3D虛擬仿真與傳統(tǒng)教學(xué)融合的實(shí)踐教學(xué)模式探索

針對(duì)石油化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)出現(xiàn)問(wèn)題，我們構(gòu)建了適合高職類學(xué)生使用的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，探索新的教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)石油化工類專業(yè)高素質(zhì)技術(shù)技能人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

3.1 整合實(shí)踐課程資源，建立實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

根據(jù)石油化工類專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)服務(wù)化工生產(chǎn)一線的高素質(zhì)技術(shù)技能人才，實(shí)踐教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)至關(guān)重要，針對(duì)石油化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，我們重新整合了實(shí)訓(xùn)課程資源，大力實(shí)施實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)數(shù)字化改造提升工作，同時(shí)利用Unity 3D技術(shù)和合作企業(yè)共同開(kāi)發(fā)石油化工類專業(yè)3D虛擬仿真，將實(shí)踐課程資源整合以下五類：

3.1.1 課程教學(xué)輔助動(dòng)畫(huà)

包括各類管路拆裝動(dòng)畫(huà)、單元操作設(shè)備的結(jié)構(gòu)合原理動(dòng)畫(huà)等。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)單體設(shè)備仿真系統(tǒng)

包括單個(gè)測(cè)量?jī)x器、單個(gè)電器類、反應(yīng)類、分離類、干燥類、計(jì)量類、加熱類、夾持類、容器類等多中單個(gè)設(shè)備的仿真實(shí)訓(xùn)。如圖1所示。

圖1 單體設(shè)備仿真系統(tǒng)

3.1.3 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)3D仿真實(shí)訓(xùn)

包括3D單體拆裝、3D物性測(cè)定實(shí)驗(yàn)、3D儀分實(shí)驗(yàn)、3D有機(jī)合成綜合實(shí)驗(yàn)等，該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境(安全消防設(shè)施、安全防護(hù)設(shè)施、安全救護(hù))的、可任意角度查看和設(shè)計(jì)操作的、具備較強(qiáng)沉浸感和交互性。

圖2 3D基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)室

3.1.4 智能化模擬工廠

主要是3D大型連續(xù)化生產(chǎn)裝置實(shí)訓(xùn)，包括氯乙烯生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)裝置、乙烯生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)裝置、聚氯乙烯生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)裝置、常減壓蒸餾實(shí)訓(xùn)裝置、合成氨實(shí)訓(xùn)裝置等。

圖3 乙烯生產(chǎn)智能化模擬工廠

3.1.5 視頻教學(xué)資源

視頻演示類實(shí)驗(yàn)，包括安全救護(hù)、緊急疏散與逃生等安全與防護(hù)類實(shí)訓(xùn)。

圖4 心肺復(fù)蘇視頻演示

3.2 建立線上線下有機(jī)融合的實(shí)踐教學(xué)新模式

我們將石油化工類專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程分為四個(gè)模塊，即單體設(shè)備拆解和使用模塊、基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)模塊、工廠實(shí)訓(xùn)模塊和化工安全模塊，其中基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)模塊包含基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)訓(xùn)、單元操作實(shí)訓(xùn)、儀器分析實(shí)訓(xùn)等采用仿真和實(shí)操相結(jié)合，針對(duì)單體設(shè)備拆解和使用以及車間實(shí)訓(xùn)模塊，由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備有限，主要采用線上虛擬仿真實(shí)訓(xùn)。

在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中采用項(xiàng)目化教學(xué)方法[5]，每一個(gè)教學(xué)項(xiàng)目分成若干個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生接收學(xué)習(xí)任務(wù)后，分析任務(wù)制定實(shí)訓(xùn)方案。對(duì)于可線下實(shí)訓(xùn)的項(xiàng)目如有機(jī)合成實(shí)訓(xùn)、儀器分析實(shí)訓(xùn)等，先在虛擬仿真平臺(tái)線上進(jìn)行練習(xí)，完成相關(guān)的任務(wù)考核，通過(guò)考核后進(jìn)行線下實(shí)訓(xùn)；對(duì)于不能線下操作的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，如常減壓蒸餾、乙烯生產(chǎn)等工廠實(shí)訓(xùn)，先進(jìn)性二維仿真實(shí)訓(xùn)，對(duì)工藝參數(shù)、工藝流程控制、事故處理進(jìn)行訓(xùn)練，考核合格后，進(jìn)入模擬智能化工廠，實(shí)訓(xùn)過(guò)程強(qiáng)調(diào)角色的代入，嚴(yán)格要求學(xué)生按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)程進(jìn)行模擬，學(xué)生通過(guò)DCS中控室現(xiàn)場(chǎng)站的互相配合，理解了現(xiàn)場(chǎng)閥與控制閥的區(qū)別，內(nèi)操與外操的區(qū)別，進(jìn)一步熟悉了一些化工生產(chǎn)單元，對(duì)現(xiàn)代化工生產(chǎn)的運(yùn)作方式有深刻的認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

圖5 實(shí)踐教學(xué)模塊

同時(shí)采用了多元化考核形式，包括教師根據(jù)學(xué)生任務(wù)實(shí)施情況進(jìn)行差異性評(píng)價(jià)；軟件課堂隨時(shí)測(cè)驗(yàn)，軟件自動(dòng)評(píng)分；智能化工廠課完成上崗資格考核、工藝控制考核、隱患排查考核，事故處理考核等；整個(gè)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程變成生產(chǎn)過(guò)程，體現(xiàn)做中學(xué)，學(xué)中做，多元化考核既鍛煉了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，又彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)中的不足，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的化工職業(yè)素養(yǎng)，有效建立起了線上線下有機(jī)融合的新型教學(xué)模式。

4 結(jié) 語(yǔ)

在石油化工類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中，筆者通過(guò)整合實(shí)踐教學(xué)資源，將虛擬仿真與傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)手段有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，靈活運(yùn)用，化解了教學(xué)難點(diǎn)，學(xué)生綜合素養(yǎng)和職業(yè)能力大幅度提高，在全國(guó)化工類比賽中多次獲獎(jiǎng)，同時(shí)線上線下實(shí)踐教學(xué)模式對(duì)于落實(shí)立德樹(shù)人的根本任務(wù)，將“工匠精神”“安全環(huán)?！钡嚷殬I(yè)素養(yǎng)植入學(xué)生心中有著重要的作用。