虛擬仿真技術在高職院校化工實訓教學中的應用

李慶齡(甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730207)

0 引言

化工行業是我國國民經濟中重要的一部分，是國家的主要產業和支柱產業之一。在化工生產過程中，通常會涉及到高溫高壓、易燃易爆等危險化學品，一旦操作不當，勢必會造成生產安全事故，威脅企業和工人的安全。因此，化工生產十分重視從業者的實踐技能和實際問題的解決能力，對工程人員的實踐技能需求較嚴格且需求量很大。但是，進行真實的工廠實踐培訓，不僅經濟成本較高，且人員安全無法得到有效保障。“虛擬仿真技術”的出現，為化工實訓教學提供了一條安全有效的路徑。目前，大多數高職院校開設的化工課程以培養從事化學工程及相關工作的人才為目標，開設化工實訓課程，使學生理論與實踐相結合，培養專業的實際操作人才。通過讓高職的學生接觸工廠的生產車間，讓學生了解工藝流程，記錄工廠的生產性能，對不同類型的生產過程進行分析和討論，通過以上的課程提高學生處理問題、分析問題、解決問題的能力，以提高就業競爭力，更好地服務社會。但是，作為能有效學習化工實踐技能的實訓課程，客觀上存在許多影響教育效果的因素：

(1)培養方案要求企業學生完成約上百人的全程實習，這是許多化工企業難以承受的。

(2)出于安全考慮，企業嚴格限制學生的實習時間和范圍，甚至要求學生在實訓期間只能參考教材，不要觸摸具有危險性的管道和設備等，導致學生沒辦法進行真實有效的實習，實訓的參與度很低。

因此，這些問題使學生無法充分實現整個實訓課程的教育目標，也無法參與實際工作實踐，實訓的實際體驗遠遠沒有達到實習的教育目的，導致學生的實踐能力不足。在當前信息技術的不斷深入發展之下，虛擬仿真技術發展的越來越成熟，因此高職院校可以利用虛擬仿真設備進行實訓課程，對學生進行化工技能的實踐。

1 虛擬仿真技術在高職化工實訓教學中的意義

在虛擬仿真技術的背景下構建起來的化工廠系統真實地模擬了工廠開停工、正常運行和各種應急過程中的現象和運行情況。這種模擬手段與其他培訓方式相比，對與知識還沒有足夠豐富的徐盛來說是一種有效的實踐培訓手段[1]。在短短的幾個星期內，就可以把在化工領域積累的經驗付諸實踐，而這只有在傳統的培訓模式2～5年后才能做到。在我國高職院校中，化工實訓課程是高職院校化工專業的一門基礎課程，也是為了提高學生日后的專業技能實踐能力。實訓課程是提高職業院校學生實踐能力的重要手段，對工作情況的早期認識和分析問題、解決問題能力的重要手段。與化工專業的純知識性的課程之間有著密切的關系，學校通常會安排在學生學習化工知識點課程之后進行化工廠虛擬仿真實訓。

作為一門重要的實訓課程，虛擬仿真實訓非常強調實踐和理論相結合。在實訓過程中，學生對一些基本理論和操作要點進行測驗，使學生不僅學會了如何操作化工機械，還學會了如何處理一些緊急情況，為今后的職業生涯打下堅實的基礎。在這個訓練中，學生將要面對工作中可能會遇到的具體問題，并學會解決這些問題，今后，類似的問題也可以在工作中得到解決。此外，虛擬仿真實訓還結合了工藝和工廠運行知識，不僅向學生介紹了生產過程，還展示了一些重要設備的結構和工作原理[2]。例如，可以演示各種反應器、蒸餾塔等的結構和工作原理，這將有助于保證安全生產，降低運行成本，提高設備質量。

2 高職化工實訓教學的現狀分析

2.1 教師的實踐經驗方面

就目前的情況來看，在高職化工實訓過程中教師普遍缺乏實踐經驗，很多實踐教學的教師雖然有較多的教學經驗，但沒有工廠實踐經驗。然而，教師對學生的實踐性學習只是一種指導，無法真正展現真實的學習過程。實訓還包括培訓師是來自企業的工程技術人員，他們有豐富的實踐經驗，但無法真正展現實訓的真實過程，技術人員由于缺乏理論知識和教學經驗，也很難在實訓中發揮相關作用。

2.2 實訓的教學模式

現在依然有很多的高職院校的化工實訓課程主要以課本中的理論知識為主，不能作為實訓的基礎。高職院校內確實需要開發實用的培訓內，此外，學校對學生的教學方法也相當簡單、死板。通常情況下，學生按照教師的示范，按照既定的程序模擬機械操作，導致實訓不能與工廠的實際生產掛鉤，所以實訓很容易流于形式，學生的實踐能力難以提高。

2.3 實訓的教學成果

由于資源和管理能力有限，很多高職院校的實訓設備只能接受簡單的實訓，不具有高度的指導性和實用性。即使一些高職院校能夠購置到實用的學習設備，但由于師資力量等因素，也很難使用。首先是學校的教學模式滯后，因為化工行業無論是生產技術還是工藝、設備都在快速發展，高職院校很難與行業的發展保持同一步伐。在新的形勢下，高等職業技術學院應該不斷調整教育體制，利用新技術提高學生的化工實訓教學效果。

3 虛擬仿真技術在高職化工實訓教學中的應用簡介

虛擬仿真實訓本著培養實用性人才的原則，結合培養化工行業高素質的專門人才將理論教育、實驗實訓、企業實習和虛擬實踐有效結合起來，符合化學專業人才培養的教學目的和要求[3]。通過虛擬仿真實訓，建立與實踐教學、化工原理模擬實驗、專業課程設計、文憑設計等化工教學實訓的聯系。作為系統的重要組成部分，虛擬仿真實訓不僅模擬了經典的、傳統的化工過程，而且還以化學品的特性作為模擬的基礎，包括生產技術和優秀教師的創新設計項目。隨著對虛擬仿真實訓平臺的引入，將實現化工行業不同分支的對現代化工有用的實驗和實踐課程的交叉和拓展，促進復合型人才的發展。

3.1 實訓之前的知識點補充

在進行虛擬仿真實訓之前，應給學生一定的時間，讓學生熟悉生產過程的特點、主要的生產流程和主要的生產方式，掌握設備的一般信息，行業現狀和前景，然后了解學員企業和相關行業，在這之后，利用虛擬仿真平臺進行有效的實訓。在實訓之前的知識點準備的方法有很多，比如進入平臺，閱讀圖文和視頻介紹，學習工藝原理、設備配置和操作、工藝流程等相關的先進知識。在獲得一定的基礎知識后，根據要求制定自己對實訓過程中的問題，寫出實訓報告，通過模擬實際訓練獲得答案，以達到實訓的目的。

3.2 完成具體的化工實訓教學

虛擬仿真實訓具有在線原因選擇、信息發布、互動交流和成果展示功能[4]。通過在線選擇功能，學生可以用個人電腦、iPad等設備連接虛擬仿真實訓平臺進行遠程連接。在虛擬仿真訓練中，學生有機會在三維虛擬仿真工廠中工作，并選擇合適的虛擬實驗。在工廠以角色扮演的形式，與平臺中設置好的管理人員進行互動，學習安全生產知識和企業的作用，化工設備的結構和原理等重要知識點。虛擬仿真實訓在虛擬實訓的過程中設置了許多任務，每當學生執行任務時，這種模式就類似于游戲軟件的練習方式，通過虛擬仿真軟件有效地激發了學生的學習積極性。同時，仿真軟件采用虛擬現實技術模擬物理設備和化工過程，配合真實的仿真軟件能夠模擬真實的化工過程。在一個化工過程中，采用的DCS控制系統，還原與現實同樣的現場模式，在正常運行和生產過程中，有同學來操作一個典型的化工廠。這種實踐方式彌補了傳統企業實踐中學生不能獨立工作的不足，拉近了化學技術與高職化工專業學生的距離。

3.3 實訓教學的評價過程

在學生完成各種虛擬仿真實訓操作后，虛擬仿真軟件將收集學生進行模擬實驗操作的實時數據，然后對數據進行分析并隨后在線發布學生的實訓報告。在完成虛擬仿真實訓后，實訓系統將對學生盡心給定的考核，需要學生利用在實訓中學習到的標準實訓程序完成考核。這樣，就達到了量化學生對化工實訓效果的目的，這是對學生實訓過程進行評價和改進的一種簡單而有效的方法，提高學生在化工實訓教學中的學習效果。

4 結語

通過不斷的實踐和專業知識的學習，打破現有的化學教育和實訓的方式，以適應化工業技術發展的需要。為了提高學生的實踐能力，增強學生的就業和職業競爭力，在一定程度上，我國職業院校化工的教學還是一種初始化和普及化、知識化的活動。因此，教師必須承擔起教會學生如何解決實際問題的責任。這就要求教師要有責任心，做好質量工作，提高教學質量。只有全面審視，進一步改革，才能顯著提高實訓教學的質量和效果。只有全面審視各個環節，落實各項改革，實訓課程的開設和效果才能得到明顯提升。傳統的工業實習中的化工過程危險性大、污染大、成本高，虛擬仿真技術的運用增加了實訓的教學效果，幫助學生突破了實訓的時間和空間，使學習內容更具感染力和吸引力，增加了化工實訓的開展能力，提高了學生的實踐技能和應對錯誤的能力，培養了學生的化工實踐能力。