高職化工專業(yè)虛擬實訓(xùn)項目的開發(fā)建設(shè)與實踐

郗　偉

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西　西安　710300)

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高職化工專業(yè)虛擬實訓(xùn)項目的開發(fā)建設(shè)與實踐

郗偉

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710300)

隨著科技的發(fā)展，實踐教學(xué)的方式、方法、手段不斷提高，除了常規(guī)實驗、實訓(xùn)室的建設(shè)與應(yīng)用，新型虛擬實訓(xùn)項目正在成為高職學(xué)生實驗、實訓(xùn)，掌握專業(yè)技能的重要手段。化工虛擬實訓(xùn)項目的開發(fā)是針對四大基礎(chǔ)化學(xué)、化工單元操作技術(shù)、典型化工生產(chǎn)流程設(shè)計出的虛擬實訓(xùn)，不是要替代或者弱化實際的操作訓(xùn)練，反而更有助于學(xué)生操作技能的提高。

化工；虛擬實訓(xùn) ；實踐教學(xué)

高等職業(yè)教育主要任務(wù)是培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)技能人才，化工專業(yè)對實踐教學(xué)的條件要求非常高[1]。從基礎(chǔ)的四大化學(xué)實驗實訓(xùn)到化工單元操作技術(shù)課程的實訓(xùn)，再到專業(yè)課程的實訓(xùn)，學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間的實踐教學(xué)課時占到總課時數(shù)50%以上，安排如此多的實踐教學(xué)課時目的是為了培養(yǎng)學(xué)生熟練的操作技能。如果在實踐教學(xué)一開始就給學(xué)生各種各樣的“瓶瓶罐罐”、儀器設(shè)備進行化學(xué)分析操作技能訓(xùn)練，一方面學(xué)生很難直觀的理解設(shè)備儀器繁瑣的操作原理，另一方面很容易造成設(shè)備損傷甚至傷到學(xué)生。隨著科技的發(fā)展，實踐教學(xué)的方式、方法、手段不斷提高，除了常規(guī)實驗實訓(xùn)室的建設(shè)與應(yīng)用，新型虛擬實訓(xùn)項目正在成為高職學(xué)生實驗、實訓(xùn)，掌握專業(yè)技能、操作方法的重要手段[2]。新型虛擬實訓(xùn)技術(shù)有針對性的開發(fā)設(shè)計已經(jīng)將原有的模擬仿真、工藝流程模型、3D動畫仿真等現(xiàn)有的實訓(xùn)項目遠遠的拋在了后面。

1　虛擬實訓(xùn)對化工實踐教學(xué)的重要作用

化工專業(yè)要求學(xué)生掌握的專業(yè)操作技能非常多，從入學(xué)開始逐層推進，深入掌握各類儀器的分析操作技能。化工虛擬實驗實訓(xùn)項目的開發(fā)主要是圍繞四大基礎(chǔ)化學(xué)、化工單元操作技術(shù)、經(jīng)典工藝流程展開的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，各門課程之間的關(guān)系參見圖1。

圖1　化工專業(yè)核心課程關(guān)系流程圖

1.1基礎(chǔ)化學(xué)虛擬實訓(xùn)

基礎(chǔ)化學(xué)實訓(xùn)項目是圍繞四大化學(xué)展開的，包括化學(xué)玻璃儀器的操作使用、分析滴定儀器設(shè)備的操作、分析天平的操作及注意事項、分析化學(xué)大型儀器設(shè)備的使用。如紅外分析儀、紫外分析設(shè)備、氣液相色譜等。有機合成成套玻璃儀器的組裝與操作使用。針對以上真實具體的實訓(xùn)項目，虛擬實訓(xùn)項目是在進行實際動手操作訓(xùn)練之前，采用儀器模型、輔助教具設(shè)備、虛擬3D仿真軟件等方法開發(fā)出配套的虛擬實訓(xùn)進行前期訓(xùn)練，進而掌握真實的儀器設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和操作步驟。

通過教育教學(xué)改革研究發(fā)現(xiàn)，如果沒有配套的虛擬實訓(xùn)項目，基礎(chǔ)化學(xué)實訓(xùn)由于參與學(xué)生眾多、設(shè)備臺套數(shù)有限、設(shè)備使用率高，學(xué)院現(xiàn)有設(shè)備就無法滿足學(xué)生的培養(yǎng)要求。進行虛實交替實訓(xùn)，一方面可以減少基礎(chǔ)實訓(xùn)設(shè)備的損耗，另一方面還可以增進學(xué)生對操作要點的理解。

1.2化工單元操作虛擬實訓(xùn)

化工單元操作技術(shù)是一門工程技術(shù)思維要求很強的課程, 強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念、定量計算能力、操作技能和初步的設(shè)計能力[3]。該課程在基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程之間起著承上啟下的橋梁作用。圍繞該課程展開的化工單元操作實訓(xùn)使學(xué)生直觀全面的理解各操作單元的基本原理,樹立工程化的思想, 培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力, 實訓(xùn)具有實踐性、直觀性、靈活性、綜合性和探索性的特點。

在化工單元操作技術(shù)的教學(xué)改革過程中, 學(xué)生需要面對并掌握的實訓(xùn)儀器設(shè)備非常多。在學(xué)生首次接觸到和實際生產(chǎn)設(shè)備較接近的工程實訓(xùn)裝置時,教師要給學(xué)生形成“工程化”的思想。但是，僅僅依靠“宏偉的”精餾設(shè)備、吸收設(shè)備、傳熱換熱等大型設(shè)備也只能從感官上進行“啟蒙教育”，學(xué)生開始無法理解操作的依據(jù)，不能進行有效的操作，依靠教師單純的講解顯然達不到預(yù)期的實踐教學(xué)目的。針對培養(yǎng)學(xué)生“工程化”思想的需要，開發(fā)出3D的化工生產(chǎn)認知實訓(xùn)項目，通過計算機軟件技術(shù)實現(xiàn)學(xué)生漫步于化工廠的虛擬環(huán)境中，通過人機互動對話實現(xiàn)學(xué)生對各類設(shè)備的功能、操作原理的初步認識， 提高學(xué)生的工程實踐能力和綜合能力。

1.3專業(yè)課程虛擬實訓(xùn)

在實踐教學(xué)的過程中，由于安全及運行成本的影響學(xué)校不可能完全采用工廠的生產(chǎn)設(shè)備進行實訓(xùn)，但是企業(yè)對高職學(xué)生的動手操作能力又要求的特別高，因此學(xué)校采用學(xué)生進企業(yè)頂崗實習(xí)來進行專業(yè)技能的培養(yǎng)，但是企業(yè)頂崗實習(xí)的崗位有限并且效果不盡人意。2013年我校省級教學(xué)團隊--應(yīng)用化工生產(chǎn)技術(shù)教學(xué)團隊專業(yè)教師聯(lián)合教學(xué)儀器設(shè)備公司，共同開發(fā)設(shè)計出了適合學(xué)生操作訓(xùn)練的虛擬中試設(shè)備和典型煤化工生產(chǎn)線DCS虛擬仿真實訓(xùn)。

這套化工虛擬中試設(shè)備，除了產(chǎn)品不是真實的化工產(chǎn)品外，其他設(shè)備、儀器、泵、閥門、管路、反應(yīng)釜等均采用縮小版的實際生產(chǎn)設(shè)備。但是，培養(yǎng)學(xué)生的虛擬中試生產(chǎn)線又不同于企業(yè)的中試設(shè)備，學(xué)校的虛擬中試設(shè)備不是特定為生產(chǎn)某一個或一類化工產(chǎn)品而設(shè)計的，它是典型化工單元的一個虛擬組合，沒有實際的產(chǎn)品工藝流程。因為特定的化工生產(chǎn)線，使用設(shè)備有限，不可能將所有的化工單元設(shè)備囊入其中。

2　化工虛擬實訓(xùn)項目開發(fā)建設(shè)的思路

新型化工虛擬實訓(xùn)項目建設(shè)不再是學(xué)校簡單的購買教學(xué)儀器相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品，而是專業(yè)教師教學(xué)團隊在進行高等職業(yè)教育教學(xué)改革研究的同時依據(jù)高職學(xué)生學(xué)習(xí)成長的規(guī)律和化工企業(yè)生產(chǎn)的需求，會同教學(xué)儀器設(shè)備技術(shù)人員、化工企業(yè)工程師共同開發(fā)的虛擬實訓(xùn)軟件或教學(xué)輔助設(shè)備、儀器。根據(jù)協(xié)議要求，開發(fā)出的虛擬實訓(xùn)項目及其附屬產(chǎn)品的知識產(chǎn)權(quán)歸學(xué)校和教師所有。

2.1化工虛擬實訓(xùn)項目開發(fā)建設(shè)，建什么？

我院化工單元操作技術(shù)課程教學(xué)團隊經(jīng)過2輪學(xué)生的教育教學(xué)改革研究，發(fā)現(xiàn)一些大型化工生產(chǎn)設(shè)備(例如，煤化工、石油化工生產(chǎn)設(shè)備等)，價格昂貴的實驗設(shè)備(例如，精餾塔、儀器分析設(shè)備等)，實驗危險較大的設(shè)備(例如，我院軍工人才培養(yǎng)基地的一些專屬設(shè)備)，這些實訓(xùn)設(shè)備一方面生均臺套數(shù)不足，另一方面教師學(xué)生都不敢大膽操作。但是這類實訓(xùn)設(shè)備，在高職類專業(yè)的實踐教學(xué)進程中又必不可少[4]。

這類實訓(xùn)有以下共同的特點：①成套的化工生產(chǎn)設(shè)備學(xué)校不具備；②實訓(xùn)周期較長；③實驗周期較短；④實驗結(jié)果不容易看清楚的(或瞬間結(jié)束的)，受時間空間限制的；⑤通用的實訓(xùn)，學(xué)生使用頻率較高的。 在分析總結(jié)了實踐教學(xué)過程中存在的不足或受到外界條件限制的情況后，自然就明確了化工虛擬實訓(xùn)項目開發(fā)的方向，就知道了要開發(fā)建設(shè)哪些實訓(xùn)項目來補充實踐教學(xué)的不足。

2.2化工虛擬實訓(xùn)項目開發(fā)建設(shè)，誰來建？

根據(jù)以往的經(jīng)驗來講，購買信譽度較高的教學(xué)儀器生產(chǎn)企業(yè)開發(fā)的成熟產(chǎn)品是最便捷省事的選擇。但是，想要開發(fā)建設(shè)一個教師、學(xué)生都滿意的并且貼近化工生產(chǎn)實際的實訓(xùn)項目，不是教學(xué)儀器公司一家所能夠滿足的，需要一個開發(fā)團隊。一般來講化工虛擬實訓(xùn)項目開發(fā)團隊參與人員應(yīng)包含如圖2所示人員，其中專業(yè)教師應(yīng)該是團隊的核心。

圖2　虛擬實訓(xùn)項目開發(fā)團隊及任務(wù)分工

團隊的有效合作，是實訓(xùn)項目開發(fā)成敗的關(guān)鍵。專業(yè)教師本身具有很高的教學(xué)水平，在教學(xué)研究方面表現(xiàn)突出，但是，專業(yè)教師即使在時間充裕的前提下也未必能開發(fā)出滿意的實訓(xùn)軟件及教輔設(shè)備。專業(yè)的教學(xué)儀器設(shè)備制作公司有設(shè)計人員、美工、二維造型、二維flash動畫、三維粗模制作、三維精模制作、三維動作調(diào)制、maya人物設(shè)計及調(diào)制、三維合成、三維虛擬設(shè)計、編程等專業(yè)技術(shù)人員。但是，公司技術(shù)人員沒有專業(yè)教師的開發(fā)構(gòu)想、沒有設(shè)計藍圖，不能獨立開發(fā)設(shè)計出適合化工學(xué)生學(xué)習(xí)、實踐的虛擬軟件及教輔設(shè)備。因此，專業(yè)教師在教育教學(xué)改革過程中結(jié)合教學(xué)實際需求，根據(jù)實際需要描繪出虛擬實訓(xùn)項目開發(fā)建設(shè)藍圖，在專業(yè)技術(shù)人員的配合下，在行業(yè)專家的指導(dǎo)下使藍圖變?yōu)楝F(xiàn)實。共同開發(fā)出的虛擬實訓(xùn)項目又可以成為參與教師的教學(xué)成果，極大地調(diào)動了老師參與教學(xué)改革的熱情。

2.3化工虛擬實訓(xùn)項目開發(fā)建設(shè)，怎么建？

在立項建設(shè)初期，總結(jié)國家骨干高職院校建設(shè)經(jīng)驗并且依據(jù)教育教學(xué)改革目標(biāo)提出化工虛擬實訓(xùn)項目建設(shè)的方向，確定對開發(fā)實訓(xùn)項目熱情度高的骨干教師負責(zé)教學(xué)團隊的腳本設(shè)計、技術(shù)指導(dǎo)，確定合作的教學(xué)儀器公司，確定化工行業(yè)專家。

完成虛擬實訓(xùn)項目腳本的內(nèi)容開發(fā)之后，專業(yè)教學(xué)團隊要對制作公司的人員進行需求講解以及實訓(xùn)設(shè)備工作原理、實訓(xùn)步驟講解，制作公司要拿出技術(shù)指導(dǎo)及設(shè)計方案，確定設(shè)計內(nèi)容及技術(shù)細節(jié)。

有了建設(shè)團隊和開發(fā)建設(shè)的腳本、藍圖，接下來就是如何將藍圖變?yōu)楝F(xiàn)實。隨著計算機技術(shù)的跨越式發(fā)展，化工虛擬實訓(xùn)項目不再是簡單的流程仿真，而是要求操作界面接近實際操作環(huán)境。化工虛擬實訓(xùn)項目的開發(fā)分為以下三類：

①虛擬項目是計算機仿真類：要求純?nèi)S、真互動、分屏處理、仿真操作臺采用DCS中控虛擬技術(shù)；

②虛擬項目是輔助教具類：單個設(shè)備要求便于操作演示、體積適中、拆裝方便，教學(xué)效果演示易于學(xué)生理解；模擬沙盤則要求工藝流程與實際生產(chǎn)完全一致，設(shè)備模型按照實物縮小，設(shè)備名稱、工藝原料、產(chǎn)品等內(nèi)容明確(沙盤模型可配合DCS總控臺進行仿真訓(xùn)練，且與控制系統(tǒng)對應(yīng)并配用光電系統(tǒng))。

③虛擬項目是化工中試成套生產(chǎn)線：要求設(shè)備功能接近生產(chǎn)設(shè)備、工藝流程涵蓋的儀器設(shè)備盡可能廣泛，采用恰當(dāng)?shù)脑咸娲瘜W(xué)試劑，減少設(shè)備運行的成本及危險性。

3　虛擬實訓(xùn)項目開發(fā)與課程建設(shè)的融合

虛擬實訓(xùn)項目的開發(fā)是基于課程實踐教學(xué)的切實需要，來源于課程，在開發(fā)的過程中做到了與操作技能培養(yǎng)、與課程內(nèi)容的相互融合。我校開發(fā)的所有虛擬軟件操作系統(tǒng)都刻意要求能使用普通瀏覽器打開，以便很好的融合教學(xué)資源庫平臺中，實現(xiàn)遠程操作(實訓(xùn)、教學(xué))，還可以鏈接到學(xué)院精品資源課程網(wǎng)站，作為課程設(shè)計開發(fā)的一部分。每個項目中的各種動畫、素材可以單獨提出，作為課程建設(shè)的資源(素材)、也可以將其鏈接到ppt中供教學(xué)使用。

化工虛擬實訓(xùn)項目的開發(fā)不再是單純的滿足學(xué)生實訓(xùn)、滿足日常教師教學(xué)的輔助工具，更重要的是參與開發(fā)設(shè)計的教師團隊擁有了一項實用性很強的教學(xué)成果，甚至創(chuàng)新發(fā)明專利。這就極大地調(diào)動了廣大教師參與實踐教學(xué)的積極性，實現(xiàn)了學(xué)生與教師的雙贏。

例如，專業(yè)生產(chǎn)實訓(xùn)通過基于真實的實訓(xùn)(實驗)為工作場景，在場景中學(xué)生可任意角度、任意時間、操作任意實訓(xùn)設(shè)備。使學(xué)生能夠更好的理解實訓(xùn)，尤其在真實操作比較危險的情景下該純?nèi)S虛擬功能尤為突出，比如汽油機四行程爆震的場景模擬、精餾塔的液泛現(xiàn)象等難于觀測的項目，通過虛擬三維技術(shù)可以近距離觀看、并操作。

在計算機虛擬實訓(xùn)場景中，學(xué)生(操作人員)與設(shè)備之間可以實現(xiàn)互動，所有化工設(shè)備的任何操作在任何時候，任何工作狀態(tài)下都可以通過按鈕進行控制并且可記錄下學(xué)生的錯誤操作。人機互動跟以往化工仿真按步驟提示操作不同，沒有任何的前提設(shè)定，非常的接近真實的化工生產(chǎn)，只要工藝流程正確，操作有很大的自主性。

模擬中試生產(chǎn)線，配有一個中控控制臺，使學(xué)生的操作能夠感受到化工生產(chǎn)企業(yè)真實的操作流程，達到生產(chǎn)實訓(xùn)的目的。

4　結(jié)　論

開發(fā)虛擬實訓(xùn)并不是要取代實際的技能訓(xùn)練，這一點是學(xué)生、教師及學(xué)校的共識。虛擬實訓(xùn)項目迎合了學(xué)生、教師的實踐教學(xué)需求，涵蓋了化工專業(yè)的基礎(chǔ)認知實訓(xùn)、專業(yè)實訓(xùn)、生產(chǎn)安全實訓(xùn)等一整套化工實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

總結(jié)學(xué)校教育教學(xué)改革的經(jīng)驗，化工虛擬實訓(xùn)項目不能單純的購買所謂的成熟“產(chǎn)品”；必須依靠專業(yè)教師團隊、必須將虛擬實訓(xùn)項目的開發(fā)與課程建設(shè)相互融合、將化工專業(yè)核心課程建設(shè)的資源及技術(shù)展示方法融入虛擬實訓(xùn)項目中，開發(fā)出適應(yīng)高職學(xué)生特點的實訓(xùn)項目，讓不懂得化工虛擬實訓(xùn)項目內(nèi)容的學(xué)生，通過實訓(xùn)項目指南、實訓(xùn)設(shè)備、實訓(xùn)軟件不需要過多指導(dǎo)就可以完全掌握相關(guān)儀器、設(shè)備、工藝流程，這就是開發(fā)虛擬實訓(xùn)項目的目的和意義。

[1]陜西省現(xiàn)代職業(yè)教育體系建設(shè)規(guī)劃[R].2015-2020.

[2]周文水.化工模擬系統(tǒng)探析[J].科技信息,2009(18):80-81.

[3]周愛東,楊紅曉，趙蕾,等.大工程觀背景下開放型化工仿真實驗的教學(xué)實踐[J].實驗室研究與探索,2010(1):101-103.

[4]郗偉.化工工程技術(shù)實訓(xùn)基地擴建項目可行性分析研究[J].技術(shù)與市場, 2014(6):373-374.

Project Development, Construction and Practice of Virtual Practice

XIWei

(School of Chemical Engineering, Shaanxi Institute of Technology, Shaanxi Xi’an 710300, China)

With the development of science and technology, the ways, methods and means of teaching practice are continuously improved, in addition to the conventional experiment, training room construction and application, model of virtual training project is becoming higher vocational students’ experiment and training, master professional skills, methods of operation of an important means. Development of chemical virtual training project is to design the four basic chemistry, chemical unit operation technology, typical chemical production process of virtual training, can not only replace or weaken the practical training, but also help to improve the skills of students.

chemical; virtual training；practice teaching

郗偉(1979-)，男，陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,碩士研究生講師。從事應(yīng)用化工技術(shù)及造紙化學(xué)品的研究與教學(xué)工作。

TQ01

A

1001-9677(2016)07-0213-03