高職化工專業虛擬實訓項目的開發建設與實踐

郗　偉

(陜西國防工業職業技術學院化學工程學院，陜西　西安　710300)

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高職化工專業虛擬實訓項目的開發建設與實踐

郗偉

(陜西國防工業職業技術學院化學工程學院，陜西西安710300)

隨著科技的發展，實踐教學的方式、方法、手段不斷提高，除了常規實驗、實訓室的建設與應用，新型虛擬實訓項目正在成為高職學生實驗、實訓，掌握專業技能的重要手段。化工虛擬實訓項目的開發是針對四大基礎化學、化工單元操作技術、典型化工生產流程設計出的虛擬實訓，不是要替代或者弱化實際的操作訓練，反而更有助于學生操作技能的提高。

化工；虛擬實訓 ；實踐教學

高等職業教育主要任務是培養高素質技術技能人才，化工專業對實踐教學的條件要求非常高[1]。從基礎的四大化學實驗實訓到化工單元操作技術課程的實訓，再到專業課程的實訓，學生在校學習期間的實踐教學課時占到總課時數50%以上，安排如此多的實踐教學課時目的是為了培養學生熟練的操作技能。如果在實踐教學一開始就給學生各種各樣的“瓶瓶罐罐”、儀器設備進行化學分析操作技能訓練，一方面學生很難直觀的理解設備儀器繁瑣的操作原理，另一方面很容易造成設備損傷甚至傷到學生。隨著科技的發展，實踐教學的方式、方法、手段不斷提高，除了常規實驗實訓室的建設與應用，新型虛擬實訓項目正在成為高職學生實驗、實訓，掌握專業技能、操作方法的重要手段[2]。新型虛擬實訓技術有針對性的開發設計已經將原有的模擬仿真、工藝流程模型、3D動畫仿真等現有的實訓項目遠遠的拋在了后面。

1　虛擬實訓對化工實踐教學的重要作用

化工專業要求學生掌握的專業操作技能非常多，從入學開始逐層推進，深入掌握各類儀器的分析操作技能。化工虛擬實驗實訓項目的開發主要是圍繞四大基礎化學、化工單元操作技術、經典工藝流程展開的實踐教學環節，各門課程之間的關系參見圖1。

圖1　化工專業核心課程關系流程圖

1.1基礎化學虛擬實訓

基礎化學實訓項目是圍繞四大化學展開的，包括化學玻璃儀器的操作使用、分析滴定儀器設備的操作、分析天平的操作及注意事項、分析化學大型儀器設備的使用。如紅外分析儀、紫外分析設備、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項目，虛擬實訓項目是在進行實際動手操作訓練之前，采用儀器模型、輔助教具設備、虛擬3D仿真軟件等方法開發出配套的虛擬實訓進行前期訓練，進而掌握真實的儀器設備的基本結構和操作步驟。

通過教育教學改革研究發現，如果沒有配套的虛擬實訓項目，基礎化學實訓由于參與學生眾多、設備臺套數有限、設備使用率高，學院現有設備就無法滿足學生的培養要求。進行虛實交替實訓，一方面可以減少基礎實訓設備的損耗，另一方面還可以增進學生對操作要點的理解。

1.2化工單元操作虛擬實訓

化工單元操作技術是一門工程技術思維要求很強的課程, 強調培養學生的工程觀念、定量計算能力、操作技能和初步的設計能力[3]。該課程在基礎課程與專業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使學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, 培養學生分析問題和解決問題的能力, 實訓具有實踐性、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的教學改革過程中, 學生需要面對并掌握的實訓儀器設備非常多。在學生首次接觸到和實際生產設備較接近的工程實訓裝置時,教師要給學生形成“工程化”的思想。但是，僅僅依靠“宏偉的”精餾設備、吸收設備、傳熱換熱等大型設備也只能從感官上進行“啟蒙教育”，學生開始無法理解操作的依據，不能進行有效的操作，依靠教師單純的講解顯然達不到預期的實踐教學目的。針對培養學生“工程化”思想的需要，開發出3D的化工生產認知實訓項目，通過計算機軟件技術實現學生漫步于化工廠的虛擬環境中，通過人機互動對話實現學生對各類設備的功能、操作原理的初步認識， 提高學生的工程實踐能力和綜合能力。

1.3專業課程虛擬實訓

在實踐教學的過程中，由于安全及運行成本的影響學校不可能完全采用工廠的生產設備進行實訓，但是企業對高職學生的動手操作能力又要求的特別高，因此學校采用學生進企業頂崗實習來進行專業技能的培養，但是企業頂崗實習的崗位有限并且效果不盡人意。2013年我校省級教學團隊--應用化工生產技術教學團隊專業教師聯合教學儀器設備公司，共同開發設計出了適合學生操作訓練的虛擬中試設備和典型煤化工生產線DCS虛擬仿真實訓。

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

2　化工虛擬實訓項目開發建設的思路

新型化工虛擬實訓項目建設不再是學校簡單的購買教學儀器相關企業的產品，而是專業教師教學團隊在進行高等職業教育教學改革研究的同時依據高職學生學習成長的規律和化工企業生產的需求，會同教學儀器設備技術人員、化工企業工程師共同開發的虛擬實訓軟件或教學輔助設備、儀器。根據協議要求，開發出的虛擬實訓項目及其附屬產品的知識產權歸學校和教師所有。

2.1化工虛擬實訓項目開發建設，建什么？

我院化工單元操作技術課程教學團隊經過2輪學生的教育教學改革研究，發現一些大型化工生產設備(例如，煤化工、石油化工生產設備等)，價格昂貴的實驗設備(例如，精餾塔、儀器分析設備等)，實驗危險較大的設備(例如，我院軍工人才培養基地的一些專屬設備)，這些實訓設備一方面生均臺套數不足，另一方面教師學生都不敢大膽操作。但是這類實訓設備，在高職類專業的實踐教學進程中又必不可少[4]。

這類實訓有以下共同的特點：①成套的化工生產設備學校不具備；②實訓周期較長；③實驗周期較短；④實驗結果不容易看清楚的(或瞬間結束的)，受時間空間限制的；⑤通用的實訓，學生使用頻率較高的。 在分析總結了實踐教學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項目開發的方向，就知道了要開發建設哪些實訓項目來補充實踐教學的不足。

2.2化工虛擬實訓項目開發建設，誰來建？

根據以往的經驗來講，購買信譽度較高的教學儀器生產企業開發的成熟產品是最便捷省事的選擇。但是，想要開發建設一個教師、學生都滿意的并且貼近化工生產實際的實訓項目，不是教學儀器公司一家所能夠滿足的，需要一個開發團隊。一般來講化工虛擬實訓項目開發團隊參與人員應包含如圖2所示人員，其中專業教師應該是團隊的核心。

圖2　虛擬實訓項目開發團隊及任務分工

團隊的有效合作，是實訓項目開發成敗的關鍵。專業教師本身具有很高的教學水平，在教學研究方面表現突出，但是，專業教師即使在時間充裕的前提下也未必能開發出滿意的實訓軟件及教輔設備。專業的教學儀器設備制作公司有設計人員、美工、二維造型、二維flash動畫、三維粗模制作、三維精模制作、三維動作調制、maya人物設計及調制、三維合成、三維虛擬設計、編程等專業技術人員。但是，公司技術人員沒有專業教師的開發構想、沒有設計藍圖，不能獨立開發設計出適合化工學生學習、實踐的虛擬軟件及教輔設備。因此，專業教師在教育教學改革過程中結合教學實際需求，根據實際需要描繪出虛擬實訓項目開發建設藍圖，在專業技術人員的配合下，在行業專家的指導下使藍圖變為現實。共同開發出的虛擬實訓項目又可以成為參與教師的教學成果，極大地調動了老師參與教學改革的熱情。

2.3化工虛擬實訓項目開發建設，怎么建？

在立項建設初期，總結國家骨干高職院校建設經驗并且依據教育教學改革目標提出化工虛擬實訓項目建設的方向，確定對開發實訓項目熱情度高的骨干教師負責教學團隊的腳本設計、技術指導，確定合作的教學儀器公司，確定化工行業專家。

完成虛擬實訓項目腳本的內容開發之后，專業教學團隊要對制作公司的人員進行需求講解以及實訓設備工作原理、實訓步驟講解，制作公司要拿出技術指導及設計方案，確定設計內容及技術細節。

有了建設團隊和開發建設的腳本、藍圖，接下來就是如何將藍圖變為現實。隨著計算機技術的跨越式發展，化工虛擬實訓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境。化工虛擬實訓項目的開發分為以下三類：

①虛擬項目是計算機仿真類：要求純三維、真互動、分屏處理、仿真操作臺采用DCS中控虛擬技術；

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

③虛擬項目是化工中試成套生產線：要求設備功能接近生產設備、工藝流程涵蓋的儀器設備盡可能廣泛，采用恰當的原料替代化學試劑，減少設備運行的成本及危險性。

3　虛擬實訓項目開發與課程建設的融合

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

化工虛擬實訓項目的開發不再是單純的滿足學生實訓、滿足日常教師教學的輔助工具，更重要的是參與開發設計的教師團隊擁有了一項實用性很強的教學成果，甚至創新發明專利。這就極大地調動了廣大教師參與實踐教學的積極性，實現了學生與教師的雙贏。

例如，專業生產實訓通過基于真實的實訓(實驗)為工作場景，在場景中學生可任意角度、任意時間、操作任意實訓設備。使學生能夠更好的理解實訓，尤其在真實操作比較危險的情景下該純三維虛擬功能尤為突出，比如汽油機四行程爆震的場景模擬、精餾塔的液泛現象等難于觀測的項目，通過虛擬三維技術可以近距離觀看、并操作。

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

模擬中試生產線，配有一個中控控制臺，使學生的操作能夠感受到化工生產企業真實的操作流程，達到生產實訓的目的。

4　結　論

開發虛擬實訓并不是要取代實際的技能訓練，這一點是學生、教師及學校的共識。虛擬實訓項目迎合了學生、教師的實踐教學需求，涵蓋了化工專業的基礎認知實訓、專業實訓、生產安全實訓等一整套化工實踐教學環節。

總結學校教育教學改革的經驗，化工虛擬實訓項目不能單純的購買所謂的成熟“產品”；必須依靠專業教師團隊、必須將虛擬實訓項目的開發與課程建設相互融合、將化工專業核心課程建設的資源及技術展示方法融入虛擬實訓項目中，開發出適應高職學生特點的實訓項目，讓不懂得化工虛擬實訓項目內容的學生，通過實訓項目指南、實訓設備、實訓軟件不需要過多指導就可以完全掌握相關儀器、設備、工藝流程，這就是開發虛擬實訓項目的目的和意義。

[1]陜西省現代職業教育體系建設規劃[R].2015-2020.

[2]周文水.化工模擬系統探析[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實踐[J].實驗室研究與探索,2010(1):101-103.

[4]郗偉.化工工程技術實訓基地擴建項目可行性分析研究[J].技術與市場, 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，陜西國防工業職業技術學院,碩士研究生講師。從事應用化工技術及造紙化學品的研究與教學工作。

TQ01

A

1001-9677(2016)07-0213-03