虛擬仿真在化工實(shí)踐教學(xué)中的研究*

謝偉芳，干方群，秦品珠，程 婷，程小娟

(江蘇開(kāi)放大學(xué)環(huán)境生態(tài)學(xué)院，江蘇 南京 210017)

虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)的革命性發(fā)展，目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被正式列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一?！督逃哭k公廳關(guān)于2017-2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》和《關(guān)于開(kāi)展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》教育部在文件中指出要推進(jìn)建設(shè)一批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的示范，通過(guò)開(kāi)展在線教學(xué)服務(wù)或技術(shù)支持等，積極發(fā)揮對(duì)專(zhuān)業(yè)類(lèi)內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)的示范引領(lǐng)作用”。通過(guò)推動(dòng)高?；ゎ?lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式改革與創(chuàng)新，豐富實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容和內(nèi)涵，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新和動(dòng)手能力的高素質(zhì)人才創(chuàng)造條件。

在化工課程中，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)存在場(chǎng)地限制、管理人員配備不足、設(shè)備貴、維護(hù)成本高和操作安全性等問(wèn)題[1-5]，已不能很好滿足當(dāng)下實(shí)踐教學(xué)需求。當(dāng)下隨著教學(xué)信息化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬仿真軟件在各類(lèi)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，極大地豐富了傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)。為了適應(yīng)教學(xué)信息化的發(fā)展需求，彌補(bǔ)實(shí)踐教學(xué)條件的不足，提高實(shí)踐教學(xué)的效果[6]，將虛擬仿真軟件引入化工實(shí)踐教學(xué)已成為一種趨勢(shì)。

本文從傳統(tǒng)化工實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題入手，闡述了虛擬仿真軟件在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，初步探討了虛擬仿真軟件在化工實(shí)踐教學(xué)中的意義。

1 化工實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 教材更新不及時(shí)

當(dāng)今社會(huì)，科學(xué)技術(shù)日新月異，同時(shí)伴隨著環(huán)保要求越來(lái)越高，新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備在化工領(lǐng)域不斷更新?lián)Q代；而高?；?zhuān)業(yè)學(xué)生所使用的教材大部分是幾年前編寫(xiě)的，再者教師下企業(yè)掛職鍛煉的機(jī)會(huì)和時(shí)間較少，無(wú)法及時(shí)掌握化工領(lǐng)域的新工藝新技術(shù)，使得學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)中所學(xué)到的知識(shí)與社會(huì)企業(yè)的需求存在一定的脫鉤，大大影響了人才質(zhì)量的培養(yǎng)效果。

1.2 設(shè)備數(shù)量不足、老化嚴(yán)重

近幾年高等院校對(duì)學(xué)生操作技能越來(lái)越重視，實(shí)踐教學(xué)在教學(xué)中的比例不斷提高，但是化工設(shè)備造價(jià)昂貴，且占地面積較大；此外由于國(guó)有資產(chǎn)管理的原因，很多技術(shù)落后的化工設(shè)備和實(shí)訓(xùn)裝置無(wú)法及時(shí)報(bào)廢和更新?lián)Q代，造成實(shí)踐教學(xué)資源緊張，時(shí)常出現(xiàn)幾個(gè)學(xué)生共用一臺(tái)設(shè)備的情況；結(jié)果是不僅學(xué)生對(duì)工藝原理和設(shè)備結(jié)構(gòu)理解不透徹，實(shí)踐技能也掌握不夠熟練，大大影響了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提高。

1.3 實(shí)踐教學(xué)安全性問(wèn)題

眾所周知化工行業(yè)是一種高危行業(yè)，在生產(chǎn)及裝置運(yùn)行過(guò)程中具有高溫、高壓，易燃、易爆的特點(diǎn)；此外化工設(shè)備裝置的復(fù)雜性、精密性，給參加專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)學(xué)生帶來(lái)了一定的安全隱患[7]。同時(shí)由于教學(xué)經(jīng)費(fèi)的緊張，部分高校實(shí)驗(yàn)室某些在用設(shè)備陳舊老化嚴(yán)重，甚至使用年限已到達(dá)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)給實(shí)踐教學(xué)學(xué)生帶來(lái)安全隱患。

1.4 實(shí)踐教學(xué)時(shí)空限制

在當(dāng)前的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程中，實(shí)踐環(huán)節(jié)還存在諸多不足，因?yàn)閷W(xué)生人數(shù)多，且必須到指定的實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，造成實(shí)踐教學(xué)任務(wù)集中、時(shí)間短、強(qiáng)度大、無(wú)法課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)操作等特點(diǎn)，不利于對(duì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題以及解決問(wèn)題等實(shí)踐能力的培養(yǎng)[8]。

1.5 企業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)效果不佳

由于化工行業(yè)的特殊性，部分學(xué)生產(chǎn)生畏懼心理，參與實(shí)踐教學(xué)的積極性不夠高，也是造成無(wú)法達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果的原因之一。其次企業(yè)出于生產(chǎn)和實(shí)習(xí)學(xué)生安全考慮，禁止學(xué)生生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作和貼近生產(chǎn)流程觀察[9]，因此學(xué)生們的生產(chǎn)實(shí)習(xí)流于表面，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)的工藝原理和操作流程了解不夠深入，使得實(shí)習(xí)質(zhì)量不能盡如人意。

2 虛擬仿真軟件在化工實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

2.1 實(shí)踐教學(xué)成本低

在傳統(tǒng)的化工實(shí)踐教學(xué)中，為了保證實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，往往需要投入大量的人力物力和財(cái)力建設(shè)化工基礎(chǔ)設(shè)施和教學(xué)儀器，加之實(shí)踐教學(xué)過(guò)程實(shí)訓(xùn)材料的消耗，儀器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)損壞和老化，維修困難、工作量大，成為許多高校的負(fù)擔(dān)。而虛擬仿真軟件雖然前期投入較大，但是后期實(shí)踐教學(xué)易于組織管理，不存在重復(fù)建設(shè)浪費(fèi)等問(wèn)題，此外仿真軟件具有重復(fù)利用，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低費(fèi)用少，使用壽命和適用周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)?？梢?jiàn)在實(shí)踐教學(xué)方面虛擬仿真模式的綜合運(yùn)行成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的教學(xué)模式。

2.2 實(shí)踐教學(xué)安全性高

化工專(zhuān)業(yè)是一個(gè)對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力與動(dòng)手能力要求十分高的專(zhuān)業(yè)，但同時(shí)也是一個(gè)在實(shí)踐種存在很多潛在危險(xiǎn)的專(zhuān)業(yè)，在實(shí)踐的過(guò)程中很難百分之百的保證 學(xué)生的安全，很多設(shè)備、工藝和生產(chǎn)過(guò)程學(xué)生無(wú)法去現(xiàn)場(chǎng)親身體驗(yàn)；而在化工實(shí)踐教學(xué)中，應(yīng)用虛擬仿真軟件既可以滿足學(xué)生實(shí)踐需求，不會(huì)因操作不當(dāng)而造成安全事故。例如在北京東方仿真控制技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“北京東方”)的“危險(xiǎn)作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)”中(如圖1所示)，以三維仿真技術(shù)構(gòu)建典型的化工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)場(chǎng)景，并以情景化、任務(wù)化、交互式的訓(xùn)練方式，將抽象的安全管理規(guī)定轉(zhuǎn)化為具象化、案例化的教學(xué)情境，這樣既能保證學(xué)生的安全，又能達(dá)到實(shí)踐教學(xué)的目的。

圖1 危險(xiǎn)作業(yè)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

2.3 實(shí)踐教學(xué)的可重復(fù)性

相比傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)，在虛擬仿真模式下，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)后也可以重復(fù)復(fù)習(xí)操作，能有效地克服實(shí)踐教學(xué)中的盲目操作。對(duì)于一些本身帶有一定危險(xiǎn)性的、操作難度大的、步驟多的實(shí)訓(xùn)，學(xué)生可以先利用虛擬仿真軟件完成模擬操作，等對(duì)步驟熟悉后再進(jìn)行實(shí)際操作，不僅能有效縮短實(shí)際操作的時(shí)間，還能加深對(duì)實(shí)操原理和內(nèi)容理解，大大提高了教學(xué)效果。

圖2是北京東方的三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，該軟件模擬化工裝置現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)設(shè)備、閥門(mén)、管線及連接關(guān)系、現(xiàn)場(chǎng)儀表和消防、安全設(shè)施，逼真模擬實(shí)際裝置的室內(nèi)和室外生產(chǎn)環(huán)境及動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，學(xué)生線下可以利用該軟件進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，針對(duì)性的提高自己薄弱環(huán)節(jié)。

圖2 三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

2.4 不受時(shí)空限制

現(xiàn)實(shí)中由于學(xué)生數(shù)較多，實(shí)踐教學(xué)往往無(wú)法滿足每個(gè)學(xué)生的個(gè)性化需求，而通過(guò)虛擬仿真軟件，實(shí)踐教學(xué)不再受物理空間和上課時(shí)間的限制，學(xué)生只需要網(wǎng)絡(luò)和一臺(tái)電腦，就可以根據(jù)自己作息規(guī)律自主安排“課表”，除預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)外，還能針對(duì)自身的薄弱點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)，達(dá)到因材施教的目的。同時(shí)教師不僅能利用虛擬仿真軟件后臺(tái)的反饋機(jī)制，了解學(xué)生實(shí)操的掌握程度，還能根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況及時(shí)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃。

3 結(jié) 語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)在突破傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的時(shí)空限制上有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式的有力補(bǔ)充，它打破了實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間、空間和硬件水平的限制[10]，在資源條件有限的情況下，能給予學(xué)生可操作的“實(shí)操平臺(tái)”，能基本滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求。但同時(shí)我們必須認(rèn)識(shí)到，實(shí)踐教學(xué)必須遵循“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充”的原則，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)不能完全替代真實(shí)的實(shí)踐教學(xué)。當(dāng)下虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)研究尚處于快速發(fā)展階段，還存在不少問(wèn)題，比如很多軟件體驗(yàn)感并不是那么好，不同公司的軟件兼容性也存在問(wèn)題，軟件的專(zhuān)業(yè)性還有待提升等等。但堅(jiān)信虛擬仿真先進(jìn)的理念和創(chuàng)新的實(shí)踐教學(xué)方法會(huì)得到廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，也是今后實(shí)踐教學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)和必然選擇。