關于職業院校化工虛擬仿真實訓裝置建設的設想

張超

摘? 要：信息化時代下，職業教育需積極探索智能化實訓教學與資源建設路徑，開展信息化環境下的虛擬仿真實訓教學模式創新研究與實踐。本文以化工專業為例，探尋信息化技術在專業實訓裝置建設中的融合應用。

關鍵詞：虛擬仿真;化工裝置;智能化平臺

分類號：D631.15

一、前言

化工專業職業教育目標是培養合格的化工生產一線操作員工。將來的就業崗位主要為化工裝置內操和外操人員。無論是高職還是中職，在專業課程設置中，都有化工裝置操作類課程，該課程實操性強，內容與學生頂崗實習和就業的工作任務最為接近，其實施效果直接決定了學生是否能盡快勝任工作崗位。

化工行業的連續化生產特點和高危特征以及對環保的特殊要求，致使學校的化工裝置操作實訓難以呈現企業真實的生產情境，一些特定的實訓項目（如事故的應急處理演練等）無法在實訓裝置上開展，同時目前的化工實訓裝備尚不具備在線教學條件，對當前提倡的線上線下融合教學及對學生（學員）實施個性化、多樣化、智能化、泛在化的實訓教學造成瓶頸。因此，充分運用虛擬現實、增強現實、物聯網、大數據等技術建設化工虛擬仿真實訓裝置，對于營造實訓中心的企業化生產情境，完善提升實訓中心能級，促進專業教學模式創新，提升專業教學成效均具有現實意義。

二、化工虛擬仿真實訓建設思路與目標

1.建設思路

以信息化技術引領構建職業教育實訓教學新模式，堅持立德樹人、融合創新，深化產教融合、校企合作。以化工綜合實訓裝置為載體，立足學校現有實訓基礎，遵循從單元到綜合的學習規律，以崗位工作任務為導向，開發基于化工操作崗位與工作過程的虛擬仿真實訓資源，開展線上線下融合的混合實訓教學模式創新研究與實踐。

2.建設目標

構建基于化工生產過程的3D和AR仿真的職場環境，能實現線上線下相融合的，實施個性化、多樣化、泛在化的實訓教學資源， 建成與化工產業發展需求相匹配的，體現職教特色，具有示范引領作用的“化工虛擬仿真實訓教學裝置”;搭建能真實體現學生學習狀態和成效，并能為多層面提供分析預判數據，實現跨區域資源共享的智能化虛擬仿真實訓管理和共享平臺;借鑒國際先進實訓教學與管理理念，探索形成基于大數據分析的，有特色、可共享的實訓教學、企業員工培訓考證及社會實踐基地的經驗與模式。

三、化工虛擬仿真實訓建設內容

1. 化工虛擬仿真實訓教學資源建設

對接化工行業典型工藝，建設3D虛擬仿真工藝包。根據實訓裝置工藝流程和生產特性，嵌入設備、管路、安全等可與線下實訓結合的若干單元級數字化學習模塊，在具備了裝置所需單元知識、技能和素養的基礎上，可進行綜合裝置虛擬仿真的開停車、運行監控、故障處理等實訓操作。一套完整的化工仿真實訓資源包含單元級仿真資源和綜合裝置仿真資源。

（1）單元級仿真資源

根據裝置工藝流程開發相應的設備操作、安全防護、突發應急等教學資源和仿真實訓項目。以筆者所在學校的碳二精制乙烯實訓裝置為例，該裝置工藝反應工段為固定床反應器發生乙炔加氫制乙烯的反應，分離工段為乙烯乙烷的精餾分離，配套相應的罐區、換熱、流體輸送等設備。建設的單元級仿真實訓資源可包括：安全防護仿真軟件;精餾塔、反應器、換熱器、泵等設備的結構動畫;反應與分離單元操作與設備維護仿真軟件;化學品事故應急仿真軟件。

（2）綜合裝置仿真資源

針對學校已有裝置，在DCS控制系統和OTS操作工培訓系統應用的基礎上，除工藝全流程開停車操作、正常運行等外，設計含危險源辨識、生產故障排除、突發應急處理等內容的虛實結合實訓項目。注重內外操聯動，高度還原實際化工生產操作崗位的工作任務，規范運行化工裝置，強化安全意識，提升生產風險辨識、安全穩定控制生產過程、正確應對化工生產中緊急事件的能力。

單元級仿真教學資源可用于多種工藝的綜合裝置實訓，根據工藝流程及生產特性按需鏈接提取學習，各校可根據學校實訓裝備情況統籌考慮單元級仿真資源的開發。

通過軟件操作界面將所有內容有機整合，除基本的裝置運行功能滿足外，設置引導文（提示性問題）、工藝介紹、安全提示（可鏈接到安全生產和事故應急等單元級教學資源）、設備應用（可鏈接到設備相關單元級教學資源）、工作頁等功能模塊。

2.豐富信息化手段的應用，提升實訓效果

（1）采用仿真測量控制系統，實現內外聯動

仿真測量控制系統是DCS與實體裝置之間的紐帶，是模擬技術得以實現的保障。現場設備中所有的儀表檢測、閥門動作等被測物理量通過傳感器和變送器轉換成電信號，傳送至仿真模型。通過對現有裝置部分構件的改造，打造一套內外聯動、軟硬結合，涵蓋靜設備、動設備、各種閥門以及相關儀表、ESD聯鎖系統、DCS控制系統等的實物仿真裝置，配合任務向導教學法和內外操崗位設置，使學生在校就能進行“工廠化”的上崗操作，學以致用。真正做到“把工廠搬進學校”，實現實訓教學過程與崗位工作過程的零距離。

（2）搭建知識管理平臺，支持碎片化學習

將安全防護、工藝知識、設備結構、操作要點等以圖文、視頻、3D動畫、VR等形式呈現，搭建知識管理平臺，制作二維碼鏈接張貼或懸掛于裝置現場相應點，學生利用平板可以在實訓操作過程中隨時訪問與學習。

（3）利用聲光煙特效，營造真實情境

8.12天津港爆炸、3.12響水爆炸等特大事故反映出，事故應急技能對事故后果的嚴重程度起到決定性作用，將事故應急訓練融入化工綜合裝置實訓中顯得尤為重要。盡管目前市面上已有事故應急實訓的半實物仿真實訓裝置，但大多是獨立設置，或者僅限于單元裝置，沒有和全流程工藝裝置運行結合起來，因此與實際生產脫節。學生在裝置操作實訓過程中，由于誤操作或參數失控，或是教師后臺設置故障，觸發裝置現場的若干聲光煙特效感應點，營造事故氛圍。學生觀察到事故現象后可自發地從正常運行的實訓模式切換到事故應急訓練模式，這種方式與實際事故發生的情況更為貼合。

（4）運用混合現實技術（MR）技術，虛實結合

MR技術在現實世界、虛擬世界和人員之間搭建交互反饋的信息回路，有很強的代入感和真實感。MR設備通過對化工裝置場地布局、設備外觀、管路走向進行詳細識別、分析、拍攝和采集，使用著在使用過程中能夠有針對性地識別化工裝置的各個部位，并觸發相關的數據顯示。例如，將物料流動的三維特效及相關工藝數據疊加在真實管道影像中，物料反應的三維特效及相關工藝數據疊加在真實的反應器影響中，更好地做到理實結合。此外，據調研得知，化工裝置設備可繼續采用傳統的實物裝置，無需因為MR技術的應用而進行特殊設計和改造，進一步確認了MR技術融合的可行性。

3.智能化實訓管理，建設共享平臺

構建基于智能化的虛擬仿真實訓管理和共享平臺，重構教學流程，實現線上線下聯動學習;多維度全過程進行學生相關數據的自動跟蹤、記錄、評價與考核，建立課程樹形成學生學業畫像，生成學生學業數據的智能評價分析報告，為學生的個性化學習、教師教學指導、企業員工管理、行業標準設定等提供更精細化的數據分析服務。

（1）基于虛擬仿真與現場裝置相結合的教學流程再造

整個教學流程以管理平臺為依托，以學生為中心，以學習過程為主體，以教師指導為保障，全程實時保持師生溝通和數據智能化自動收集及分析。通過課前認知學習、課中探究內化、課后鞏固提升三個階段完成教學過程。

教學過程中線上與線下相結合，虛擬仿真與現場裝置相結合，任務引領、做學一體，突破時空限制，激發學習互動性和積極性，有效突破實訓難點，迅捷提供教學反饋，科學進行教學評價，全面提高教學效果。

利用平臺課后作業數據，分析學生作業情況，在原有教學設計的基礎上針對性完善下一次課的復習要點及教學策略。同時準備下一次課的預學材料和課前任務，進入新的教學流程。 接收建議書，通過完成課后實訓報告和作業，對所學內容學以致用，鞏固提升，并將作業提交平臺。

（2）基于線上線下聯動學習的 “課程樹”構建

基于線上模擬、線下實操的方式，依據學校教務管理系統、網絡學習平臺及即將建設的虛擬仿真實訓管理和共享平臺中數據為參考，從學生知識點、技能點和安全素養等維度進行學生學業相關數據的收集和分析，匯聚學生學習單元的掌握程度及專業課程的完成情況，建立學生學業“課程樹”，最終以圖形化的形式智能推送給學生，形成學生畫像的學習數據。

（3）建立智能化的教學分析診斷系統。運用所采集的教學過程數據，通過不同角度的“閾值”設定，進行警示分析預判，提供學生學習、教師教學、企業和行業四個層面的可視化風險預判書，為學生的個性化學習、教師教學指導、企業員工崗位操作、行業標準設定等提供更精細化的數據分析服務。

四、結語

職業院校虛擬仿真建設是落實《國家職業教育改革實施方案》和地方職業教育高質量發展、教育信息化建設等相關行動計劃的舉措之一。職業院校應緊跟科技發展的步伐，基于專業和課程特點，積極探索智能化實訓教學與資源建設路徑，在教育信息化環境下開展虛擬仿真實訓教學模式創新的研究與實踐。本文所闡述的化工虛擬仿真實訓裝置建設是上海市中等職業學校示范性虛擬仿真實訓室建設15個立項項目之一。《上海市中等職業學校示范性虛擬仿真實訓室建設指導意見》提出虛擬仿真項目建設要深化產教融合校企合作，緊密結合經濟社會發展對人才培養的需求，緊密結合專業特色和行業產業發展動態。因此，在虛擬仿真項目建設過程中，將引入企業共建機制，以企業典型生產工藝和裝置為藍本，校企共同研究制定方案，聘請具有豐富生產經驗的專業技術人員，深度參與虛擬仿真工藝包開發、應急處置案例設計、教學資源開發、教學實施情境開發等工作，確保建成的虛擬仿真實訓裝置做到職業能力導向，與企業實際生產有高契合度，并能解決真實實訓條件不具備或運行困難，涉及高危或極端環境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題，全面促進信息技術與實訓教學融合創新發展，達到創新實訓教學新模式、提升實訓教學質量的效果。

參考文獻

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上海石化工業學校? 上海? 200540