基于產教融合的“能動”專業實踐教學革新探索

郭敏，孫浩森

（1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東濟南 250101；2.山東建筑大學 學報編輯部，山東濟南 250101）

國內外高等教育一直存在著實踐教學體系不完善的問題，相對于豐富新穎的課堂理論知識，實踐教學內容相對陳舊，最新工程技術轉化為實踐教學內容的周期過長[1]，經費緊張導致實踐教學基地不足，實驗、實習活動質量無法得到充足保障[2]。學生在實踐類教學環節“只看不操作”的情況使得實踐類教學環節質量不高[3]，嚴重制約了高校人才培養目標的實現。虛擬仿真教學是數字技術賦能高等教育的重要形式，能夠解決線下實踐教學中“做不到”“做不上”和“做不好”等問題[4]。

現今信息化技術高速發展，高等教育可借助信息化技術發展帶來的有利機遇，改革知識傳授方式，進而驅動傳統的教學模式革新。在新的發展機遇下，為貫徹黨的十九大精神，教育部根據《教育信息化十年發展規劃（2011—2020 年）》和《2017 年教育信息化工作要點》等相關文件的要求，發布了《2017—2020 年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設》的通知，虛擬仿真實驗教學以其內容新穎、技術先進、方法靈活、重復性高等顯著優勢，能夠拓展傳統實驗教學的深度與廣度，有助于提高實踐教學水平，助力高等教育實踐育人工作。現今，虛擬仿真實驗教學已成為國家信息化教育戰略的重要推廣內容，并在全國高校的不同專業領域獲得了廣泛應用，例如在地理科學[5]、生物學[6]、警務專業[7]、交通運輸專業[8]、自動化專業[9]、新能源科學[10]、船舶與海洋工程專業[11]及經管專業[12]都取得了良好的教學效果，為高等教育各學科的發展提供新思路、新方法。

能源動力與工程類專業（以下簡稱“能動”專業）課程理論教學內容多注重設備運行原理內容的傳授，熱力系統中設備之間教學環節的關聯性較弱[13]；同時，實踐教學環節相比于其他專業而言，內容多涉及高溫、高壓、高速等風險較大的項目[14]。因此，一方面，火電廠等實習單位出于安全生產及人員管理的考慮，實習現場僅進行相關知識內容講解，學生只許看和聽，嚴禁實操，實習活動變成了現場參觀，并且火電廠教培部門收費按實習人數、天數計算，實踐費用較高；另一方面，專業實驗臺制作復雜、造價高，實驗操作存在安全隱患及場地需求面積大亦是困擾高校傳統實踐教學的難題。

1 傳統實踐教學項目存在的問題

在“能動”專業傳統實踐教學活動中，部分專業基礎課實驗內容只覆蓋了課程基礎知識章節的知識點，比如測量不同燃料相關參數的實驗；部分專業課程實驗出于實驗成本及人身安全保障等客觀原因，以認知簡單設備實物模型加教師講授靜態流程圖作為實驗內容。然而，繼續延續傳統實踐教學內容已不能滿足當前高校實踐教育發展的需要及學生培養目標的要求。

1.1 缺乏對系統及設備的形象認知

“能動”專業基礎課如汽輪機、鍋爐原理等課程中包含大量設備工作原理及結構的教學內容，課堂上通常采用設備圖片、視頻片段的形式輔助學生理解相關知識點，但素材有限，特別是有關設備內部三維結構及介質流動過程的專業視頻素材稀缺；而專業實習環節在火電廠現場，學生只能觀察到設備外形，沒有機會了解設備內部結構。在部分專業課程中，系統原則性熱力圖僅由簡單線條和圖形組成，系統圖中管路被簡化成了線條，閥門和設備被簡化成了不同的符號和框圖，僅僅體現了火力發電廠熱力系統設備及管路的原理性連接關系。這種形式雖可以清晰簡潔地表明介質在系統設備和管路中的流向，使學生能對整個熱力系統有全面的平面認知，但對設備外形、內部結構以及介質在系統內的流動過程難以形成形象立體的感知。同時，學生對整個系統設備管路前后的連接關系僅有概念上的認知，無法對系統整體的布置、設備和管路之間的具體連接形式有深入了解。

1.2 操作沉浸感差

火電廠傳統二維仿真機主要包含機組啟停及事故處理等功能，不具備設備三維認知及設備拆裝功能，其DCS 操作能實現對火電廠中典型生產環節的操作訓練，但其操作窗口都是二維畫面顯示，比如對手動閥門開度的調節，只能簡單地調整畫面中相應閥門的上下位置，沒有相應三維場景的同步顯示，而學生由于缺乏火電廠實地場景認知，導致實操過程中沉浸體驗感較差。

1.3 實踐教學結果評價體系單一

“能動”專業傳統實踐教學環節的評價體系主要由報告成績與平時成績兩部分按一定比例組成，而標準的實驗、實習內容導致部分學生的報告內容雷同。對于平時成績的評定，由于參與學生人數較多，且會增加教師的工作量，導致實踐教學環節的評定結果比較集中，難以準確區分學生對實踐教學環節的掌握程度，易導致學生對實踐教學環節缺乏學習主動性，不利于提高學生的實踐能力。

2 新型3D虛擬仿真平臺開發

火電廠3D 虛擬仿真平臺是基于教育部提倡的產教融合政策背景，以培養具有創新實踐能力的人才為目的，與企業合作開發的應用于“能動”專業學生實踐教學的仿真平臺。仿真平臺以實際工程中某1 000 MW 超超臨界主力火電機組為原型，采用三維虛擬仿真技術，實現對火力發電廠生產過程的虛擬再現，是可人機交互的三維可視化的火電機組實踐教學仿真平臺。仿真平臺功能主要包括電廠漫游、個性化學習、設備拆裝、系統原理認知、電廠巡檢及主要系統模擬操作等內容，能滿足學生對系統組成、電廠巡檢、設備拆裝及電廠運行虛擬操作等方面的需求，可用于專業課程的理論教學、實驗及實習等實踐教學活動，其3D 視角可以使學生加深對火電廠平面布置、設備結構及工作原理、系統構成及工作流程的理解，并具備單個功能模塊的自動打分及按比例累計實踐總成績功能?；痣姀S虛擬仿真平臺主界面如圖1 所示。

圖1 火電廠3D 虛擬仿真平臺主界面圖

3 仿真平臺實踐教學優勢

3.1 提高學生學習興趣和實踐能力

仿真平臺使用數字化3D 可視技術實現了電廠漫游功能，漫游界面如圖2 所示。仿真平臺具備搜索功能，在搜索框中輸入內容可快速定位到準確位置，點擊即可顯示其信息；具備當前位置提示、各系統語音講解、行進加速減速、構筑物/設備外殼隱藏/顯示功能。3D 可視畫面可使學生通過鼠標和鍵盤操作觀察設備及建筑的不同立面，該功能使學生在虛擬平臺上即可全面了解火電廠整體的建筑布局、設備和管路之間的連接及走向，學生有身臨其境的感覺，對火電廠全局及各個設備的前后布置形成感性認識，讓學生將課堂學到的理論知識與實際景象對應，其效果直觀，可提高學生學習興趣。

圖2 3D 廠區漫游圖

仿真平臺具備巡檢實訓模塊，巡檢模塊中的設備嚴格按照電廠的位置和設備連接來布置，巡檢操作使用的工具與電廠生產運行過程相匹配，巡檢的執行標準符合電廠設備運行參數標準，該功能模塊可提供教學、練習及考試3 種實訓功能。其三維場景中的溫度、壓力等儀表中的參數能正確顯示其動態變化過程，并符合電廠設備運行參數標準。學生先通過教學模式學習巡檢的具體內容，然后通過練習模式反復練習，加深對內容的理解，最后通過考試模式檢驗對該模塊內容的掌握程度。通過學習、練習和考核3 種模式的反復，可以讓學生對初入工作崗位的內容有較深刻的理解，能更加快速地開展今后的工作。該軟件還以三維虛擬現實技術作為人機交互方式，學生可對主要系統設備進行交互操作，相比傳統二維DCS 系統，它可以提供二維DCS系統與三維場景間的互聯互通機制，整個過程以可視化的方式展現，相關設備等參數能實時計算和顯示，使學生在仿真機上的實操更接近于現實工況，彌補學生實習期間“只看不做”的不足，提高學生實踐能力。

3.2 節省實踐教學成本

仿真平臺包含系統認知學習模塊，通過3D 建模技術對設備結構進行虛擬復現，電廠內所有事物都以三維虛擬體的形式展現在平臺上，虛擬與現實世界中各個事物的相對比例一致，位置、形狀、顏色一致。學生通過鼠標點擊相關設備或系統的相應按鈕，在仿真平臺可以立體觀看相應設備的視頻及動畫，觀察設備及系統內工質流動、粒子特效現象，比如汽輪機認知截圖如圖3 所示。畫面具有真實性、沉浸性、交互性等特點，既可以使學生增強對設備的感官認知、加深對工作原理的理解，又可以減少購置設備模型等費用，從而節省大量教學成本。

圖3 汽輪機結構圖

3.3 彌補教學條件不足

實驗室的數量和質量已成為評價高校科研能力、教學能力和創新能力的重要指標，實驗室、實訓基地的建設及其安全管理的重要性已獲得普遍認同，但部分高校由于辦學經費緊張，其實驗室及實訓場地面積、實驗室設備的配備難以滿足教學要求。同時，“能動”專業部分實驗成本高、消耗大且存在安全隱患，使得實踐環節具體實施存在一定困難。三維虛擬現實技術作為人機交互方式，可“以虛補實”，展現火電廠中鍋爐及汽輪機本體、磨煤機等重要輔助動力設備的拆裝過程，圖4 為除氧器拆裝圖。

圖4 除氧器拆裝圖

設備拆裝模塊將火電廠中動力設備拆解成數目不等的零部件，虛擬平臺窗口左側為零部件庫，右側為模式選擇等操作按鈕。模塊包含介紹、學習、練習和考試4 種模式，學生在虛擬仿真平臺通過介紹和學習模式對設備外觀、功能及內部結構先形成感性認知，再通過練習模式可反復拆裝設備，此模塊除了設備本身的拆裝，還可以在設備庫中選擇設備、拖拽并在窗口中搭建系統，這種模式使學生既可對專業課中單個設備形成清晰認知，又可以加深對專業課程內容間相互聯系的理解，對實驗室和實訓場地面積要求低、操作重復性好、安全性亦有保障，同時DCS 二、三維交互操作功能可培養學生對機組啟停過程的實踐操作能力，彌補傳統教學條件的不足。

3.4 多層次的成績評價體系

虛擬仿真實踐平臺包含理論知識、設備及系統認知、巡檢及管理制度學習、設備拆裝及機組啟停操作等內容，平臺可以就各自模塊內容進行打分，如圖5 所示。設備及系統認知模塊根據學生觀看視頻時長評定，拆裝、機組啟停操作等實操環節依據操作步驟的完整度及正確度評定，巡檢及理論知識模塊自帶考試模式，學生需完成相應內容考試，取得成績?？偝煽冇筛鱾€模塊成績按一定構成比例累計，成績評價體系包含對理論學習、實踐操作各方面的評價，同時，平臺自動記錄學生學習時長，無需教師人工進行平時成績統計，減少了教師的工作量，多層次的評價體系能更客觀地反映學生對相關知識的掌握程度，同時提升學生主動學習的興趣。

圖5 仿真平臺成績評價圖

4 結束語

綜上所述，虛擬仿真技術在緩解目前高校學生實踐環節少、教學經費不足及安全保障困難等難題的同時，還能夠提高學生創新實踐能力，使實踐環節緊跟行業發展趨勢。隨著信息技術的發展，VR 技術可以為學生提供身臨其境的體驗感，學生可以形象具體地了解職業環境與設備流程，并在VR 環境中反復交互操作，極大地提高了學生的學習積極性，學生的人身安全也可以得到充分保障。當前，“能動”專業的實踐和實驗內容存在抽象、安全隱患大和實習費用高等問題，3D 虛擬實踐仿真平臺可以在很大程度上彌補這些不足，從而改善現有的實踐教學體系，不斷提高實踐教學質量，助力新工科創新實踐型人才的培養。