教育信息化背景下化工類生產(chǎn)實訓教學模式研究

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(鄭州輕工業(yè)大學 能源與動力工程學院，河南 鄭州 450002)

教育部、國家發(fā)展改革委、財政部《關(guān)于引導部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導意見》中明確指出要將現(xiàn)代信息技術(shù)全面融入教學改革，推動信息化教學、虛擬現(xiàn)實技術(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，對大學教育教學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，實習實訓也在逐漸向信息化、智能化的趨勢發(fā)展。

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

1 化工類專業(yè)生產(chǎn)實習現(xiàn)狀

目前，雖然中國多數(shù)高校對實習環(huán)節(jié)的重要性有充分的認識，但對于實習卻是“心有余而力不足”，實習單位難以落實、實習內(nèi)容難以保證、實習效果難以體現(xiàn)已經(jīng)成為困擾大學生產(chǎn)實習的三大難題，也成為在校學生工程實踐能力培養(yǎng)的軟肋。現(xiàn)代企業(yè)自動化程度高，關(guān)鍵崗位操作復雜，責任重大，由于學生的實踐經(jīng)驗不足，在易燃、易爆等危險品的接觸過程中存在較大的隱患，即便可以頂崗實操，往往也是一些基礎(chǔ)性工作，學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)實習教學方面，大都是采用教師帶隊、集中實習、參觀為主的實習教學方式。實習教師通常將大部分的精力放在保證實習安全、紀律組織方面，偏離了實習經(jīng)驗和理論知識與實踐相結(jié)合的教學指導主題。另外，實習結(jié)果也大都是以報告的形式提交，形式主義嚴重，實際教學效果欠佳。

2 化工類專業(yè)生產(chǎn)實習改革建設(shè)思路

本項目建設(shè)并不是替代傳統(tǒng)實訓模式，而是對傳統(tǒng)教學模式的有效補充和輔助，將一些不具備條件或是不方便直接進行的過程利用計算機仿真技術(shù)以虛擬現(xiàn)實的形式展現(xiàn)，既豐富了實訓內(nèi)容，又有現(xiàn)實直觀的體驗。

基于動態(tài)模擬技術(shù)構(gòu)建高度仿真的工廠環(huán)境和實訓對象，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)，學生在中控與車間環(huán)境中開展實訓。對化工生產(chǎn)過程、化工生產(chǎn)裝置開、停車等耗時長、高危或極端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合實驗進行“虛實結(jié)合”的模擬仿真+現(xiàn)場實體操作相結(jié)合的教學模式。

3 虛實結(jié)合實訓平臺建設(shè)

選擇長期穩(wěn)定的生產(chǎn)實習基地進行虛擬化建設(shè)，依據(jù)企業(yè)實習基地選擇典型的化工流程，運用高精度動態(tài)仿真技術(shù)，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場真實設(shè)備、儀表及工業(yè)控制系統(tǒng)進行構(gòu)建，全面模擬生產(chǎn)工藝過程，為生產(chǎn)實習教學活動開展提供可靠的支持。學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)場實習奠定良好的基礎(chǔ)，提高生產(chǎn)實習的安全性和有效性。

3.1 教學內(nèi)容

圖1 四塔精制工藝及裝備仿真實訓系統(tǒng)

四塔精制工藝及裝備仿真實訓系統(tǒng)是以現(xiàn)實環(huán)境為基礎(chǔ)，與現(xiàn)實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)實習四塔精制工藝為例(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，達到讓學生在最短時間內(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)以及分類等進行詳細的說明與演示，目的是讓學生在了解某一設(shè)備特定作用的情況下，對預期有關(guān)的知識點進行一個擴展性了解，達到豐富其知識面的目的。

(3)控制操作系統(tǒng)。三維場景運用真實的立體管路和空間分布的設(shè)備外觀設(shè)計，模擬真實工業(yè)現(xiàn)場，提供所有人工操作環(huán)境，采用真實集散控制系統(tǒng)(DCS)及安全儀表控制系統(tǒng)(SIS)；承擔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)容進行介紹與描述。

(5)在線考核系統(tǒng)。仿真考核內(nèi)容包括，實習預習情況考核、仿真操作情況考核、深層次實際復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，學生可以獨立完成操作過程，明晰職業(yè)道德規(guī)范；在3D虛擬仿真系統(tǒng)中，學生可以將自身置于各種復雜、突發(fā)環(huán)境中去，從而進行針對性操作訓練，提高自身應(yīng)對突發(fā)事故與相關(guān)處理技能。3D虛擬仿真實訓遠比實際實習安全，學生可以大膽地嘗試各種實訓方案，嘗試多種非正常條件下進行實訓，豐富復雜條件下操作技能，提高自身的操作水平，確保在今后實際操作中的人身及生產(chǎn)安全。

3.2 教學模式

課前預習是課堂實訓開始之前的重要環(huán)節(jié)，學生通過實習手冊中相關(guān)實習知識點以及相關(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)，了解操作要點和關(guān)鍵點，熟悉單元設(shè)備作用、原理及操作要點重點難點，以期提高后續(xù)環(huán)節(jié)的學習效率和效果；學生預習后，完成預習的相關(guān)實習報告等材料，正確回答完成相關(guān)問題后可進行課堂教學和實踐環(huán)節(jié)。整個實習實訓主要是在課堂教學過程中完成。教學過程中通過采取提問、互動、討論、完成操作練習等手段和訓練，讓學生通過仿真實驗實踐獲得更真實更系統(tǒng)更直觀演練、練習，加深對基本理論、原理、工藝規(guī)程規(guī)律的認識認知及理解，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。

完成課前預習、課堂教學實習實訓后，教師依照相關(guān)大綱及要求，對學生學習預習及整體實習實訓進行綜合考核。

3.3 生產(chǎn)實習評價體系

建立基于能力導向的評價方式，通過課堂講授、仿真訓練、現(xiàn)場實習等形式培養(yǎng)學生的知識、能力、素養(yǎng)體系，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。四塔精制工藝及裝備仿真實訓的教學采用類似于網(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)，學生以類似闖關(guān)的形式進行學習，更好地調(diào)動學生學習興趣和積極性。每位學生需完成仿真實驗報告，記錄所做的工作、所學的技術(shù)及心得體會。為滿足教學目標，測試教學成效以及學生的知識掌握情況，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。考核系統(tǒng)具有完善的統(tǒng)計功能，教師可通過分析學生考卷成績，指導學生進行更深入的實踐技能學習。另外本仿真實訓項目配套操作指導評價系統(tǒng)，按照實訓操作規(guī)范進行客觀打分，學生在培訓完后，評價系統(tǒng)能自動給一個評價分數(shù)，系統(tǒng)能按照學習計劃進度，對學生進行評級。

4 結(jié)束語

將虛擬仿真技術(shù)與教育教學相結(jié)合，探索出新的教學方法和手段，實現(xiàn)傳統(tǒng)實習不具備或難以完成的教學功能。在涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況下，提供可靠、安全和經(jīng)濟的實訓項目。通過仿真實訓平臺使學生能夠很好的了解、操作、調(diào)節(jié)和控制平臺，使理論學習和實際操作之間能有機的結(jié)合起來，補充必備的理論知識，豐富技能操作經(jīng)驗，提升綜合能力。