虛擬仿真在石油化工類高職實踐教學中的應用研究

鄧玉美，桑紅源，馮得業

(1 天津渤海職業技術學院，天津 300402；2 秦皇島博赫科技開發有限公司，河北 秦皇島 066000)

實踐教學是職業院校課堂教學中的核心，是培養技術技能人才實踐能力的重要教學環節，高職石油化工類專業的人才培養更是離不開大量的實驗和實踐教學。但是由于化工原料和實驗具有高度危險性和復雜性，石油化工類專業實踐教學的開展面臨著重重困難，例如教學成本高、教學效率低、教學風險大等[1]，尤其2020年突如其來的疫情使得傳統實訓教學變得更加困難。虛擬仿真能夠彌補這個缺陷，運用虛擬仿真教學系統進行教學實踐研究，盡可能創造線上實踐教學的環境、利用現有資源開發實踐教學項目，建立石油化工實踐教學的新模式，對進一歩提高高職石油化工實踐教學的質量，培養學生的協作學習能力、動手實踐能力與創新思維能力具有重要的作用。

1 石油化工類專業傳統實踐教學面臨的挑戰

隨著當前環保、安全生產的要求提高，在生源增加的情況下，實驗設備數量和質量已經無法滿足教學需要，而且由于化工過程非常復雜，化工類實訓實踐教學的開展面臨著重重困難：

(1)化工裝置復雜龐大、儀器設備昂貴、藥品稀貴，需要投入較多的資金，很多院校實訓設備臺數不足，不能支撐實訓教學的進行；

(2)化工實驗操作條件苛刻，操作技術要求，危險性大；

(3)實訓中所涉及的原料通常是易燃、易爆、有毒的化學試劑，對操作環境及周圍環境影響較大；

(4)化工設備自動化程度高，很多生產過程看不見、摸不著，實習效果差，致使單純的校外企業實踐很難達到預期的效果；

(5)高職類學生理論基礎相對薄弱，非規范性操作會對設備造成嚴重損壞，維修費用大，而且影響實訓正常進行。

2 虛擬仿真實踐教學特點

虛擬仿真實驗是利用計算機，創建出一個可視化的實驗操作環境，其中的每一個可視化仿真物體代表一種實驗儀器或設備，通過操作這些虛擬的實驗儀器或設備，即可進行各種復雜的實驗，達到與真實實驗環境相一致的教學要求和目的[2]。虛擬仿真實踐教學具有以下特點[3-4]：

(1)學習環境具有沉浸性

虛擬仿真以第一人稱視角，模擬非常逼真的操作環境，在近似真實的實驗環境中去認識，操作其中的虛擬設備，體驗實驗的真實過程。

(2)交互性

虛擬仿真軟件具有強交互性，虛擬實驗中學生可以利用鼠標、鍵盤或其它物理設備操作虛擬設備，學生像在真實實訓環境中一樣體驗實訓操作帶來的真實性，實現人機、人與設備的良好交互。

(3)開放性

虛擬仿真實驗可以以WEB的方式發布到網絡上，學生可以通過網絡化平臺完成實訓操作，在疫情常態化的今天，虛擬化工仿真不受時間、空間的制約，在寢室、校園內或家中隨時、隨地進入虛擬實驗室完成實驗項目。

(4)擴展性

虛擬設備可以進行靈活配置和組合，相關軟件升級和更新也非常方便，可根據教學需要對虛擬設備進行二次開發。

(5)劣勢

虛擬仿真實驗只能完成逼真的演示效果，不利于對學生動手操作能力培養 ，所以仿真操作不能完全代替實際操作。

3 3D虛擬仿真與傳統教學融合的實踐教學模式探索

針對石油化工類專業實踐教學出現問題，我們構建了適合高職類學生使用的虛擬實驗實訓平臺，探索新的教學模式，實現石油化工類專業高素質技術技能人才培養的目標。

3.1 整合實踐課程資源，建立實踐教學平臺

根據石油化工類專業的人才培養目標，培養服務化工生產一線的高素質技術技能人才，實踐教學對培養學生職業能力和職業素養至關重要，針對石油化工類專業實踐教學，我們重新整合了實訓課程資源，大力實施實驗實訓環節數字化改造提升工作，同時利用Unity 3D技術和合作企業共同開發石油化工類專業3D虛擬仿真，將實踐課程資源整合以下五類：

3.1.1 課程教學輔助動畫

包括各類管路拆裝動畫、單元操作設備的結構合原理動畫等。

3.1.2 實驗單體設備仿真系統

包括單個測量儀器、單個電器類、反應類、分離類、干燥類、計量類、加熱類、夾持類、容器類等多中單個設備的仿真實訓。如圖1所示。

圖1 單體設備仿真系統

3.1.3 基礎實驗3D仿真實訓

包括3D單體拆裝、3D物性測定實驗、3D儀分實驗、3D有機合成綜合實驗等，該實訓系統具有標準實驗室環境(安全消防設施、安全防護設施、安全救護)的、可任意角度查看和設計操作的、具備較強沉浸感和交互性。

圖2 3D基礎實訓室

3.1.4 智能化模擬工廠

主要是3D大型連續化生產裝置實訓，包括氯乙烯生產實訓裝置、乙烯生產實訓裝置、聚氯乙烯生產實訓裝置、常減壓蒸餾實訓裝置、合成氨實訓裝置等。

圖3 乙烯生產智能化模擬工廠

3.1.5 視頻教學資源

視頻演示類實驗，包括安全救護、緊急疏散與逃生等安全與防護類實訓。

圖4 心肺復蘇視頻演示

3.2 建立線上線下有機融合的實踐教學新模式

我們將石油化工類專業實訓課程分為四個模塊，即單體設備拆解和使用模塊、基礎實訓模塊、工廠實訓模塊和化工安全模塊，其中基礎實訓模塊包含基礎化學實訓、單元操作實訓、儀器分析實訓等采用仿真和實操相結合，針對單體設備拆解和使用以及車間實訓模塊，由于實訓設備有限，主要采用線上虛擬仿真實訓。

在實踐教學過程中采用項目化教學方法[5]，每一個教學項目分成若干個學習任務，學生接收學習任務后，分析任務制定實訓方案。對于可線下實訓的項目如有機合成實訓、儀器分析實訓等，先在虛擬仿真平臺線上進行練習，完成相關的任務考核，通過考核后進行線下實訓；對于不能線下操作的實訓項目，如常減壓蒸餾、乙烯生產等工廠實訓，先進性二維仿真實訓，對工藝參數、工藝流程控制、事故處理進行訓練，考核合格后，進入模擬智能化工廠，實訓過程強調角色的代入，嚴格要求學生按照企業標準化規程進行模擬，學生通過DCS中控室現場站的互相配合，理解了現場閥與控制閥的區別，內操與外操的區別，進一步熟悉了一些化工生產單元，對現代化工生產的運作方式有深刻的認識，提高學生學習效果。

圖5 實踐教學模塊

同時采用了多元化考核形式，包括教師根據學生任務實施情況進行差異性評價；軟件課堂隨時測驗，軟件自動評分；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；整個實踐教學過程變成生產過程，體現做中學，學中做，多元化考核既鍛煉了學生的實際動手能力，又彌補了傳統教學中的不足，重點培養學生的化工職業素養，有效建立起了線上線下有機融合的新型教學模式。

4 結 語

在石油化工類專業實踐教學中，筆者通過整合實踐教學資源，將虛擬仿真與傳統的實踐教學手段有機地結合起來，靈活運用，化解了教學難點，學生綜合素養和職業能力大幅度提高，在全國化工類比賽中多次獲獎，同時線上線下實踐教學模式對于落實立德樹人的根本任務，將“工匠精神”“安全環保”等職業素養植入學生心中有著重要的作用。