虛擬仿真技術在化工實習實訓教學中的應用探討

趙志剛，冉茂飛

(西南民族大學 化學與環境保護工程學院，四川 成都 610041)

1 引言

化工行業在我國國民經濟中占有重要地位，是國家的基礎和支柱產業之一[1]。由于化工生產過程涉及高溫高壓、易燃易爆和有毒有害原料等問題，行業對動手能力強與解決實際生產問題能力出眾的工程人才有著強烈的需求。目前，大多數高校開設的化學工程與工藝專業就是面向社會培養從事化工應用及相關工作的專業人才。目前，各高校多采用進駐化工企業進行生產實習實訓，為學生建立理論聯系實踐的機會，培養學生在化工生產中的實際操作能力[2-3]。通過在工廠接觸生產現場，學生可以了解工藝流程，掌握設備運行指標，分析探討各類生產過程中的突發事件，提高提出問題、分析問題、解決問題的能力，進而增強就業競爭力，更好地為社會服務[4]。

然而，在實習過程中存在很多客觀問題影響了進廠實習實訓的教學效果：1.教學計劃中要求的學生總實習時間達半年以上，且要進行上百人規模的綜合實訓，這些是很多化工企業難以承受的。2.企業出于安全性考慮，嚴格限制學生實習時的時間和范圍，甚至實習時要求學生只能看不許碰，而很多管路設備都進行了包裹處理等，導致無法看到管路或設備的真實情況，學生實習參與度很低[3]。因此這些問題使學生在企業綜合實習的教學目的無法完全達到，學生不能獲得親身參與生產實踐活動的真實體驗，遠遠沒能達到實習教學的目的，造成了學生在實踐能力培養中的缺失。隨著信息技術的發展，虛擬仿真技術日益成熟，使得借助虛擬裝置設備進行實驗實習教學成為可能。

根據《教育部關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知(教高司函[2013]94 號》中提出的"虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。要求各高校分年度建設一批具有示范、引領作用的虛擬仿真實驗教學中心，持續推薦教學信息化建設，推動高等學校實驗教學改革與創新"精神，西南民族大學化學與環境保護工程學院于2016年建設了四川省省級化學化工類虛擬仿真實驗中心。在隨后的教學中，中心針對化工實驗實習教學中存在的問題，對虛擬仿真實驗教學進行了有益的探索，以期能提高學生的化工綜合實訓效果。

2 化工虛擬仿真的意義和作用

隨著多媒體技術、網絡教學、遠程教育的興起，使高校各學科的教學模式發生了巨大改變，教育信息化已引發高等教育改革教育理念和教學模式的深刻革命[5-6]。從目前全國各高校開展的情況來看，虛擬仿真技術在化工實習教學中有著很多突出的優勢：(1)日臻成熟的虛擬現實技術，將以往實習中大規模、高消耗、高危險性、大型綜合等化工實習實訓教學內容，以數字化動態模型及3D 虛擬現實仿真的形式，讓學生在安全、經濟的實訓條件下可以不受時間和空間的限制而進行實習實訓練習。(2)虛擬仿真實踐訓練提供生動、逼真的虛擬工廠學習環境，通過模擬工廠開車、停車、正常運行和各種事故現象處理，使學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生產中的化工單元過程，使學生在學校里就可以達到企業中管理各生產設備的效果，學生可以更深刻理解和綜合應用所學的專業知識，進而培養學生分析和解決生產操作中各種問題的能力[3]。(3)培訓內容可以不斷更新，使實踐訓練及時跟上各化工新技術的發展。特別是通過鼓勵學生將創新實驗項目的實驗內容開發成為到化工虛擬仿真軟件有效地提高了學生創新能力的培養。

3 虛擬仿真實驗教學平臺的建設與實踐

西南民族大學化學化工類虛擬仿真中心依托西南民族大學四川省省級實驗教學示范中心與化學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"虛實結合，相互補充，能實不虛"的建設原則，結合自身民族高校化工專業的教學特色和化工專業實訓的教學目的和要求，將理論教學、實驗訓練、企業實訓和虛擬實訓有效結合。目前中心虛擬仿真模塊已經用于學校化學化工類10余個專業的仿真實習、化工實訓、認識實習、化工原理仿真實驗、專業課程設計、畢業設計等教學實踐環節，構建了由基礎實驗仿真模塊、專業實驗仿真模塊及生產實訓仿真模塊3大虛擬仿真實驗結構體系，如圖1 所示。作為其中重要的部份，生產實習實訓仿真模塊除了經典的傳統化工工藝(合成氨、合成甲醇)仿真，還有以民族地區特色化工產品生產工藝、優秀教師的創新設計項目等特色內容開發的一系列擁有知識產權的仿真實訓軟件，見于圖2。虛擬仿真實訓平臺的建立實現了化工各專業實驗與實習實訓的交叉與延伸，有助于現代化工技術復合型人才的培養。

圖1 虛擬仿真中心的實驗教學模塊

圖2 生產實訓模塊包含的主要教學內容

4 虛擬仿真生產實習的教學實施簡介

4.1 實習前預習

在學生進行虛擬仿真實習前，應安排學生在規定的時間內了解相關產品的生產工藝特點、生產主要設備、行業現狀和前景等背景資料，進而了解實習企業及相關行業的現狀和前景。通過虛擬仿真平臺可以通過很多方式進行有效的實習預習，如學生登錄平臺后，可以通過圖文閱讀和視頻演示，學習工藝原理、設備構造和使用方法、工藝流程和其他相關擴展知識。在了解完一定的背景知識后，按照實習報告的寫作要求擬好自己關于實習過程的相關問題，以便通過仿真實訓得到答案，達到預習實習的目的。

4.2 虛擬實訓平臺上完成實習實訓

中心虛擬仿真教學平臺具有網上選課、信息發布、互動交流和成果展示等功能。通過網上選課功能，學生可采用個人電腦、iPad等設備登錄虛擬實驗平臺方便地遠程登錄系統，并選擇合適的虛擬仿真實驗項目，見于圖3，圖4；在虛擬仿真實訓過程中，學生在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置的企業管理人員進行互動學習，掌握生產安全知識、化工設備結構與原理等重要知識點，見于圖5。虛擬化工實習軟件在這個實習過程中設置了一定量的實習任務，每當學生的角色完成了一個任務后會獲得獎勵，這樣類似游戲軟件的實習方式有效地提高了學生在虛擬仿真實習軟件中練習的積極性。

同時，仿真實習軟件利用計算機虛擬現實技術對實物設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 控制系統和現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等內容進行操作練習，見于圖6，7。這樣的實習方式彌補了傳統企業實習中學生無法親自動手操作的不足，使學生對實習的化工工藝路線、控制方式及常規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

圖4 虛擬仿真實驗項目的選擇

圖5 虛擬仿真實習中與工作人員的互動學習

圖6 虛擬仿真實習中DCS操作系統的操作練習

圖7 虛擬仿真實習中現場實操練習

圖8 虛擬仿真中數據的采集與分析

4.3 實習實訓的評價

在學生進行了各項實習操作練習后，虛擬仿真軟件可以對模擬實驗操作中實時測得的數據進行收集分析，進而在線出具實驗報告。實驗結束后，系統可根據預定評分標準完成成績評定。這樣就達到了對學生實習教學效果進行量化考核的目的，改變傳統過程中只能依靠實習報告評閱這樣簡單、低效的評價方式，提高學生實習過程中的實習效果。

5 結語

采用計算機技術進行化工虛擬仿真實習的方式，不僅克服了傳統企業實習中化工過程高危險性、高污染及高成本等困難，而且使學生突破了實習中時間和空間的限制。利用虛擬仿真技術，不僅強化了實習的教學效果，使得教學內容更具感染力和吸引力，更增加了學生的進行化工實際操作的實踐機會，提高了學生的動手能力和處理故障的能力，為學生培養工程實踐能力提供一大助力。