虛擬仿真在化工實踐教學中的研究*

謝偉芳，干方群，秦品珠，程 婷，程小娟

(江蘇開放大學環境生態學院，江蘇 南京 210017)

虛擬現實(VR)是繼計算機、互聯網和移動通信之后的又一次信息產業的革命性發展，目前虛擬現實技術被正式列為國家重點發展的戰略性新興產業之一。《教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》和《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》教育部在文件中指出要推進建設一批虛擬仿真實驗教學中心作為實驗教學的示范，通過開展在線教學服務或技術支持等，積極發揮對專業類內實驗教學信息化建設的示范引領作用”。通過推動高校化工類專業實踐教學模式改革與創新，豐富實踐教學的內容和內涵，為培養具有創新和動手能力的高素質人才創造條件。

在化工課程中，傳統的實踐教學存在場地限制、管理人員配備不足、設備貴、維護成本高和操作安全性等問題[1-5]，已不能很好滿足當下實踐教學需求。當下隨著教學信息化技術的進一步發展，虛擬仿真軟件在各類實踐教學中的應用越來越廣泛，極大地豐富了傳統的實踐教學。為了適應教學信息化的發展需求，彌補實踐教學條件的不足，提高實踐教學的效果[6]，將虛擬仿真軟件引入化工實踐教學已成為一種趨勢。

本文從傳統化工實踐教學中存在的問題入手，闡述了虛擬仿真軟件在實踐教學中的優勢，初步探討了虛擬仿真軟件在化工實踐教學中的意義。

1 化工實踐教學的現狀及存在的問題

1.1 教材更新不及時

當今社會，科學技術日新月異，同時伴隨著環保要求越來越高，新工藝、新技術、新設備在化工領域不斷更新換代；而高校化工專業學生所使用的教材大部分是幾年前編寫的，再者教師下企業掛職鍛煉的機會和時間較少，無法及時掌握化工領域的新工藝新技術，使得學生在實踐教學中所學到的知識與社會企業的需求存在一定的脫鉤，大大影響了人才質量的培養效果。

1.2 設備數量不足、老化嚴重

近幾年高等院校對學生操作技能越來越重視，實踐教學在教學中的比例不斷提高，但是化工設備造價昂貴，且占地面積較大；此外由于國有資產管理的原因，很多技術落后的化工設備和實訓裝置無法及時報廢和更新換代，造成實踐教學資源緊張，時常出現幾個學生共用一臺設備的情況；結果是不僅學生對工藝原理和設備結構理解不透徹，實踐技能也掌握不夠熟練，大大影響了實踐教學質量的提高。

1.3 實踐教學安全性問題

眾所周知化工行業是一種高危行業，在生產及裝置運行過程中具有高溫、高壓，易燃、易爆的特點；此外化工設備裝置的復雜性、精密性，給參加專業實習學生帶來了一定的安全隱患[7]。同時由于教學經費的緊張，部分高校實驗室某些在用設備陳舊老化嚴重，甚至使用年限已到達報廢標準，也會給實踐教學學生帶來安全隱患。

1.4 實踐教學時空限制

在當前的實踐教學活動的過程中，實踐環節還存在諸多不足，因為學生人數多，且必須到指定的實訓室進行實踐教學，造成實踐教學任務集中、時間短、強度大、無法課前預習和課后復習操作等特點，不利于對學生發現問題以及解決問題等實踐能力的培養[8]。

1.5 企業生產實習效果不佳

由于化工行業的特殊性，部分學生產生畏懼心理，參與實踐教學的積極性不夠高，也是造成無法達到預期教學效果的原因之一。其次企業出于生產和實習學生安全考慮，禁止學生生產現場操作和貼近生產流程觀察[9]，因此學生們的生產實習流于表面，對企業生產的工藝原理和操作流程了解不夠深入，使得實習質量不能盡如人意。

2 虛擬仿真軟件在化工實踐教學中的優勢

2.1 實踐教學成本低

在傳統的化工實踐教學中，為了保證實踐教學的質量，往往需要投入大量的人力物力和財力建設化工基礎設施和教學儀器，加之實踐教學過程實訓材料的消耗，儀器設備運轉損壞和老化，維修困難、工作量大，成為許多高校的負擔。而虛擬仿真軟件雖然前期投入較大，但是后期實踐教學易于組織管理，不存在重復建設浪費等問題，此外仿真軟件具有重復利用，運營維護成本低費用少，使用壽命和適用周期長等優點。可見在實踐教學方面虛擬仿真模式的綜合運行成本遠低于傳統的教學模式。

2.2 實踐教學安全性高

化工專業是一個對學生實踐能力與動手能力要求十分高的專業，但同時也是一個在實踐種存在很多潛在危險的專業，在實踐的過程中很難百分之百的保證 學生的安全，很多設備、工藝和生產過程學生無法去現場親身體驗；而在化工實踐教學中，應用虛擬仿真軟件既可以滿足學生實踐需求，不會因操作不當而造成安全事故。例如在北京東方仿真控制技術有限公司(以下簡稱“北京東方”)的“危險作業仿真培訓系統”中(如圖1所示)，以三維仿真技術構建典型的化工現場作業場景，并以情景化、任務化、交互式的訓練方式，將抽象的安全管理規定轉化為具象化、案例化的教學情境，這樣既能保證學生的安全，又能達到實踐教學的目的。

圖1 危險作業仿真培訓系統

2.3 實踐教學的可重復性

相比傳統的實踐教學，在虛擬仿真模式下，學生可以在實驗前進行預習，實驗后也可以重復復習操作，能有效地克服實踐教學中的盲目操作。對于一些本身帶有一定危險性的、操作難度大的、步驟多的實訓，學生可以先利用虛擬仿真軟件完成模擬操作，等對步驟熟悉后再進行實際操作，不僅能有效縮短實際操作的時間，還能加深對實操原理和內容理解，大大提高了教學效果。

圖2是北京東方的三維仿真培訓系統，該軟件模擬化工裝置現場的生產設備、閥門、管線及連接關系、現場儀表和消防、安全設施，逼真模擬實際裝置的室內和室外生產環境及動態表現，學生線下可以利用該軟件進行課前預習和課后復習，針對性的提高自己薄弱環節。

圖2 三維仿真培訓系統

2.4 不受時空限制

現實中由于學生數較多，實踐教學往往無法滿足每個學生的個性化需求，而通過虛擬仿真軟件，實踐教學不再受物理空間和上課時間的限制，學生只需要網絡和一臺電腦，就可以根據自己作息規律自主安排“課表”，除預習和復習外，還能針對自身的薄弱點進行重點加強，達到因材施教的目的。同時教師不僅能利用虛擬仿真軟件后臺的反饋機制，了解學生實操的掌握程度，還能根據學生學習情況及時調整教學計劃。

3 結 語

虛擬仿真實踐教學在突破傳統實踐教學的時空限制上有著無可比擬的優勢，是對傳統實踐教學模式的有力補充，它打破了實踐教學的時間、空間和硬件水平的限制[10]，在資源條件有限的情況下，能給予學生可操作的“實操平臺”，能基本滿足學生自主學習的需求。但同時我們必須認識到，實踐教學必須遵循“虛實結合、相互補充”的原則，虛擬仿真實踐教學不能完全替代真實的實踐教學。當下虛擬仿真實踐教學研究尚處于快速發展階段，還存在不少問題，比如很多軟件體驗感并不是那么好，不同公司的軟件兼容性也存在問題，軟件的專業性還有待提升等等。但堅信虛擬仿真先進的理念和創新的實踐教學方法會得到廣泛的應用和認可，也是今后實踐教學發展的趨勢和必然選擇。