化工裝備技術專業虛擬仿真教學平臺的建設

商建平

摘要：鑒于石油化工裝置中的大型化工裝備無法被建成實體的維護檢修實訓室，考慮到當前有利的政策和信息技術支持下，研究并創建了大型化工裝備維護檢修虛擬仿真教學平臺。該虛擬仿真教學平臺彌補了高等職業教育化工裝備技術專業沒有大型化工裝備實訓室的空白，加大了校企合作、產教融合深度，提高了教學質量和辦學水平，同時大大降低了安全風險和實訓操作成本。借助該虛擬仿真教學平臺，不僅使學生能夠很好地掌握大型化工裝備維護檢修技術和技能，達到零距離上崗，而且使石油化工企業職工得到前所未有的良好培訓，在大檢修間隔期越來越長和檢修質量越來越高的當今，可為石油化工企業創造更大的利潤。

關鍵詞：高等職業教育教學;化工裝備技術專業;虛擬仿真實訓建設

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）30-0227-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research and Practice of Virtual Simulation Teaching Platform for Chemical Equipment Technology Specialty

SHANG Jian-ping

（College of Mechanical Engineering， Lanzhou Petrochemical Vocational and Technical University， Lanzhou 730060， China）

Abstract： In view of the fact that large-scale chemical equipment in petrochemical plants could not be built into a physical maintenance and repair training room， and taking into account the current advantageous policy and information technology support， the virtual simulation teaching platform for maintenance and repair of large-scale chemical equipment is studied and established. The virtual simulation teaching platform makes up for the lack of large-scale chemical equipment training room in the major of chemical equipment technology in higher vocational education， increases the depth of the cooperation between school and enterprise， the integration of production and teaching， and improves the teaching quality and the level of running a school， at the same time， it greatly reduces the training safety risk and the training operation cost. With the help of the virtual simulation teaching platform， not only can students master the maintenance and repair technology and skills of large-scale chemical equipment well， and achieve zero distance on duty， but also make the employees of petrochemical enterprises get unprecedented good training， in the long interval of overhaul and the high quality of overhaul， petrochemical enterprises can make more profits.

Key words： higher vocational education teaching; chemical equipment technology specialty; virtual simulation training construction

1 建設背景

現代信息技術的應用為提高教學質量提供了堅實基礎條件，在眾多教學方法或教學手段改革實踐過程中，虛擬仿真教學成為當前高等教育改革的熱點之一[1]，這已經體現在了普通本科教育教學改革中。2013年8月，教育部決定開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，充分體現了虛擬仿真教學在高校實踐教學體系中的重要地位。目前虛擬現實技術作為信息技術的代表，同多媒體技術、網絡技術公認為三大前景最好的計算機技術。根據《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》的指導意見，教育部在2013～2015年啟動了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，得到了社會各界的積極的響應和支持，已遴選出300個國家級虛擬仿真實驗教學中心。為推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，教育部2017年印發了關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知，計劃到2020年遴選出1000項示范性虛擬仿真實驗教學項目。

其實，高等職業教育早在2006年就已經開始重視現代信息技術在職業教育教學中所起的作用。教育部《關于全面提高高等職業教育教學質量的若干意見》（教高〔2006〕16號）中明確指出：“要充分利用現代信息技術，開發虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實驗。”2012年3月，教育部頒布的《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》中同時也指出職業教育信息化是“教育信息化需要著重加強的薄弱環節”，并提出“加快職業教育信息化建設，支撐高素質技能型人才培養”的發展任務。《教育信息化2.0行動計劃》指出，虛擬仿真實訓教學平臺是教育信息化數字資源的重要組成部分。具有“突破時空限制”“快速復制傳播”“呈現手段豐富”的獨特優勢，是提高職業教育教學質量的重要手段。虛擬仿真教學資源的有效應用、虛擬仿真教學的大力開展，對于實現信息技術與教育教學的深度融合，引領教育信息化從而引領教育現代化具有重要的意義[2]。

《中國教育現代化2035》也對中國教育信息化提出了更高的期望，在新型教學模式上，要堅持以虛擬為載體、學生為中心、在線為常態的原則，探索AR、VR技術與力反饋技術的融合，在模擬真實情景的同時深化學生的具身認知，進一步推動在線教育教學場景化體驗的升級[3]。在當前全國范圍內開展普通本科教育和職業教育信息化的大背景下，我們早就開始考慮很有必要建設大型化工裝備維護檢修虛擬仿真教學平臺。

2 實訓室現狀

我們在校企合作、產教融合的基礎上，嚴格按照企業小型化工裝備的維護檢修規程，已經建成了由小型化工裝備組成的化工裝備實訓基地。基地現有七個實訓室，全部都可以完全滿足高等職業“化工裝備技術”專業教育教學、各類職業院校技能大賽培訓和石油化工企業職工培訓的需求。這七個實訓室分別是泵檢查修理實訓室、壓縮機和通風機檢查修理實訓室、化工設備檢查修理實訓室、管道安裝實訓室、流體輸送實訓室、設備動態監測實訓室和通用件檢查修理實訓室等。

泵檢查修理實訓室有葉片泵、容積泵和其他類型泵等117臺，能夠完成泵的零部件拆裝、檢查和修理，還能為參加各類大賽的在校學生和企業職工進行賽前培訓;壓縮機和通風機檢查修理實訓室有V型壓縮機、離心通風機和離心式壓縮機等16臺，能夠完成小型V型壓縮機、離心通風機的拆裝、檢查和修理，而離心式壓縮機只能進行結構的觀察和原理的理解;化工設備檢查修理實訓室有列管式換熱器、板式換熱器、螺旋板式換熱器、套管式換熱器、反應器和塔節等25臺，能夠完成常見化工設備的拆裝、檢查和修理;管道安裝實訓室有各種閥門、管法蘭、彎頭、三通和管段等280件，能夠完成按照管路工藝圖安裝管路，有法蘭連接、螺紋連接和管路試壓操作，還可以進行管件制作等;流體輸送實訓室有一套由三臺離心泵、一臺往復式泵、儲罐、管路、各種儀表和變頻器等組成的流體輸送裝置，能夠完成不同管件流動損失的測定、不同轉速下的離心泵流量—揚程性能曲線測定、離心泵串聯和并聯流量—揚程性能曲線測定和管路特性曲線測定等;設備動態監測實訓室有一套狀態監測和故障診斷操作軟件、硬件、各種探頭和應力測試軟硬件等19臺/套，能夠完成動設備的監測與故障診斷和靜設備的應力測定等;通用件檢查修理實訓室有與化工裝備有關的通用機器、零部件和機械裝調實驗臺等150件/臺，能夠完成機械原理和機械零件結構和原理的理解、齒輪減速器的拆裝和為參加各類機械裝調大賽的在校學生和企業職工進行賽前培訓等。

3 建設必要性

大型化工裝備主要是指石油化工裝置中的軸流式風機、離心式壓縮機、活塞式壓縮機、工業蒸汽輪機、煙氣輪機、管式加熱爐、催化裂化反應器、加氫反應器、大型列管式換熱器和各種完整塔設備等化工裝備，屬于石油化工裝置中的重大機組和設備。大型化工裝備的維護檢修將直接影響著石油化工生產的安全性、穩定性、長周期性、滿負荷性和優化性，即“安、穩、長、滿、優”。大型化工裝備的一線維護檢修人員大多數是高等職業院校“化工裝備技術”專業的畢業生。所以，高等職業院校“化工裝備技術”專業人才培養所需的優良大型化工裝備維護檢修實訓資源是保障石油化工裝置“安、穩、長、滿、優”生產的初始條件之一。然而，對于大型化工裝備，考慮到實體維護檢修實訓室的設計難度大、建設費用高、占用場地大、安全性差、可操作性差等原因，一直沒有建成大型化工裝備維護檢修校內和校外的實訓室。

面對大型化、高新化的大型化工裝備，學生在學習中無法實現動手操作。只從書本中進行學習是很難理解大型化工裝備的整體和細小結構、工作原理和維護檢修知識。專業教師有可能的話也只能是在企業掛職鍛煉時才能夠到大型化工裝備維護檢修現場進行觀摩學習，無法提升技術和技能。這種教學環境根本無從談及使學生掌握大型化工裝備維護檢修實際的技術知識和操作技能。目前已經成為“化工裝備技術”專業職業技術教育發展的瓶頸[4]。一方面是高等職業院校“化工裝備技術”專業畢業的學生很難勝任大型化工裝備維護檢修工作，另一方面是石油化工企業用人單位找不到合適的畢業生，只能等到大型化工裝備大檢修時慢慢培養在職職工，這樣的機會要間隔三年以上才會遇到，大大增加了職工培訓費用和人工成本。

2020年9月國務院九部委發布的《職業教育提質培優行動計劃（2020—2023年）》中要求，旨在加快推進職業教育現代化，促進職業教育和產業人才需求精準對接。通過大型化工裝備維護檢修虛擬仿真教學平臺的建設，將學校教育方式轉化為以學生為中心的教學模式。為學生提供全時段全方位的理論與實踐學習資源，幫助提升崗位核心競爭力，為學校提供新的理實一體化教學模式，提高信息化教學水平，最終實現校企在人才培養上雙向互助，提升社會服務能力。借助該虛擬仿真教學平臺，可以培養學生熟練掌握大型化工裝備維護檢修操作應有的各項技術和技能，達到與石油化工企業零距離上崗的要求。該虛擬仿真教學平臺的建成，不僅可以增強學生的學習興趣，提高“化工裝備技術”專業的教學質量，而且可以在全國范圍內乃至在國際范圍內提升同行業的競爭力。

4 建設可行性

4.1 政策支持

2020年10月，教育部職成司正式發布《關于開展職業教育示范性虛擬仿真基地建設工作的通知》，明確提出發揮職教集團推進企業參與職業教育辦學的紐帶作用，建設100個示范性虛擬仿真實訓基地。經過我院的申報，大型化工裝備維護檢修虛擬仿真教學平臺為省教育廳專項資金建設項目。

4.2 虛擬仿真技術成熟

4.2.1 VR技術

利用計算機產生三維立體的圖像，在佩戴VR視鏡的情況下，可使學生全身心地投入到計算機創建的三維虛擬VR石油化工裝置工作環境中，該環境中的大型化工裝備，看上去是真的，聽上去是真的，動起來是真的，就像在真實石油化工裝置的客觀世界中一樣，能給人一種身臨其境的感覺[5]。

4.2.2 3D技術

三維虛擬現實場景以真實場景為背景設計展現在電腦屏幕上，使用3D虛擬平臺，與真實場景具有一致性。操作者可交互完成漫游、搭建、認識實習、虛擬操作等過程。從而使教師和學生在操作時心情愉快，獲得較高的沉浸感。解決了大型化工裝備的“見不到、想不來、動不成、難對應”等難題，促進了大型化工裝備的理論與實踐相統一和知識與技能相統一，大大提高了大型化工裝備的教學效果。

5 建設方案

大型化工裝備虛擬仿真教學平臺的研究開發是在職業教育學院、石油化工企業和仿真制作企業合作共建下完成的。學院專業教師和石油化工企業設備工程師在掌握仿真制作軟件的基礎上，繼續嚴格按照石油化工企業大型化工裝備的維護檢修規程，始終參與虛擬仿真教學平臺的設計和編制，并給予及時的反饋和改進意見。考慮到石油化工裝置中大型化工裝備維護檢修頻次，還考慮到在有限的建設資金支持下，為保證虛擬仿真教學平臺的建設質量，大型化工裝備維護檢修虛擬仿真教學平臺建設內容主要包括活塞式壓縮機、離心式壓縮機、工業汽輪機、管式加熱爐、塔設備（板式塔和填料塔）和大型列管式換熱器等六種七臺化工裝備的維護檢修虛擬仿真。

按每個化工裝備需完成的維護檢修任務分為結構拆裝、狀態監測和維護、故障診斷和處理和檢查修理等四個模塊，再將各模塊按具體訓練操作分為若干個分模塊，每一分模塊均有按石油化工企業維護檢修規程標準的操作步驟方法和相應的操作控制評分標準。結構拆裝模塊為VR仿真系統，狀態監測和維護、故障診斷和處理和檢查修理三個模塊為3D仿真系統。

下面以離心式壓縮機為例，列舉單臺化工裝備各模塊下的分模塊和分模塊的設計內容和要求。

1）結構拆裝模塊

分模塊主要有整體結構、工作原理、轉子結構、定子結構、密封結構和軸承結構等。

2）狀態監測和維護模塊

分模塊主要有狀態監測、運行維護、停車維護和開、停車操作等。

3）故障診斷和處理模塊

分模塊主要有性能達不到要求、異常振動和異常噪聲、喘振、軸承故障、葉片損壞、齒輪增速器故障、潤滑油達不到要求和驅動機超負荷等。

4）檢查修理模塊

分模塊主要有各檢修周期的檢修、聯軸器的檢修、機組主螺栓的拆裝檢修、機殼的拆裝檢修、定子的檢修、轉子的檢修、密封的檢修和軸承及軸承座的檢修等。

每個分模塊都有各自的設計內容和要求。為減少篇幅，這里只列舉“轉子的檢修”分模塊的設計內容和要求，主要有轉子起吊和就位要求、檢查轉子軸承軸頸浮環密封軸頸和軸端聯軸器工作表面等部位的損傷以及修理方法、檢查轉子上密封工作表面處磨損、檢查轉子上的所有螺紋、檢查軸承軸頸、油膜密封軸頸和止推盤軸頸等的圓度和圓柱度、檢查轉子上密封部位、軸頸部位、平衡盤外圓和軸端聯軸器工作部位處的徑向跳動及處理、檢查葉輪、止推盤和止推軸肩處的端面跳動及處理、檢查轉子的軸向竄量以及葉輪與擴壓器的重疊數據、檢測轉子直線度偏差、檢查轉子的尺寸、轉子無損探傷（磁粉檢測和著色滲透檢測）的檢查、轉子不平衡的原因分析、轉子的動平衡（低速和高速）、檢查各級葉輪出口與隔板流道對中情況和檢查轉子竄量等檢修內容，以及各內容和要求的操作控制評分標準。

在《職教20條》和《提質培優計劃》影響下，學校通過大型化工設備維護檢修虛擬仿真教學平臺的建設，將有條件與企業聯手，深化校企合作、產教融合，發展“雙元制”模式，將高等職業人才培養與企業職工培訓緊密對接。

該虛擬仿真教學平臺可以承接像化工機器、化工設備、化工裝備檢修技術等專業理論課程的有關大型化工裝備理論教學任務，以及像化工機器維護檢修實訓、化工設備維護檢修實訓、狀態監測與故障診斷實訓和潤滑與密封實訓等專業實訓課程的有關大型化工裝備實踐教學任務，還可以承接石油化工企業大型化工裝備維護檢修的職工培訓任務和“1+X”證書取證培訓任務等。

6 虛擬仿真教學平臺

6.1 化工裝備結構拆裝VR仿真系統

該VR仿真系統可以實現化工裝備自由旋轉觀察、結構拆解裝配過程播放、工作原理學習、零件作用學習、自主拆解裝配學習、結構探索學習、理論知識講解等功能。

6.2 維護與檢修操作3D仿真系統

該3D仿真系統可以實現狀態監視與維護、聯鎖邏輯與事故操作、故障診斷與處理、檢查修理與啟停車操作等功能。具體的功能要求有對設備、人物、場景的三維模擬，幫助學生鞏固化工裝備結構原理;在計算機終端上實現多人或多任務共同訓練;學生自主操作，通過答題方式完成任務，學習化工裝備的狀態監測和維護、故障診斷和處理、檢查修理操作;學生可以進行佩戴勞保用品和選擇工量具的操作;學生操作可以實現人物移動，游戲化教學;學生自主漫游學習廠區布局等。

6.3 其他化工裝備資源素材庫

除了VR仿真系統和3D仿真系統中大型化工裝備之外的其他50多種典型化工裝備，可以通過多媒體技術動態被展示出其整體瀏覽、外部形態、內部結構、工作原理等內容。展示過程為自動播放，有人工配音講解及文字說明信息，大大豐富了本虛擬仿真教學平臺的教學內容。

6.4 虛擬仿真教學平臺配套平臺

6.4.1 學員仿真平臺

按照課程-課題-任務三層架構設計的實訓教學模式，并配套相應的學習資源、任務攻略、練習題，在有限的課時內進行任務安排，實現相應的教學目標，并生成實訓報告。

6.4.2 教師管理平臺

可實現查看和管理學員狀態和數據、學員凍結及解凍、練習模式和考試模式設置、通用事故庫管理、成績管理和自動考評功能等。

6.4.3 手機端平臺

可提供2D、3D等形式的動畫、視頻、課件、題庫等云端資源，也可由教師編寫相關試題，下發任務，監控課堂學習情況等。

7 結束語

從我院“化工裝備技術”專業近幾年畢業生的就業率和就業去向等情況來看，社會仍然需要大量的高等職業教育層次“化工裝備技術”專業人才，特別需要能夠勝任大型化工裝備維護檢修崗位的“化工裝備技術”高技能型專業人才。倒推著大型化工裝備維護檢修的實訓資源在“化工裝備技術”專業高等職業教育教學中越加顯得重要。多年來，學院與石油化工企業經過長期地研討，始終沒有一個良好的、滿意的解決方案，導致一直沒有建成大型化工裝備維護檢修實體實訓室。隨著現代信息技術的不斷發展，職業教育虛擬仿真教學平臺的信息化水平得到了前所未有的提高。在當前這種大背景下，我院的大型化工裝備維護檢修虛擬仿真教學平臺填補了專業教育教學沒有大型化工裝備維護檢修實體實訓室的空白。該虛擬仿真教學平臺是在職業教育學院、石油化工企業和仿真制作企業合作共建下研究開發完成的，其教學的實踐性、操作性、互動性、個性化和自適應性也是前所未有的強大，在高等職業教育“化工裝備技術”專業人才培養的過程中將發揮越來越重要的作用。

參考文獻：

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[3] 翟雪松，史聰聰.《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》的實施現狀、挑戰與展望[J].現代教育技術，2020，30（12）：20-27.

[4] 李群松.高職院校內化工裝備技術實訓基地建設探索[J].廣東化工，2014，41（12）：225-226，228.

[5] 李琴.化工裝備技術專業生產性實訓基地建設的探索與實踐[J].化工設計通訊，2016，42（9）：82-83.

【通聯編輯：梁書】