基于產(chǎn)教融合的“能動(dòng)”專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)革新探索

郭敏，孫浩森

（1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué) 學(xué)報(bào)編輯部，山東濟(jì)南 250101）

國(guó)內(nèi)外高等教育一直存在著實(shí)踐教學(xué)體系不完善的問(wèn)題，相對(duì)于豐富新穎的課堂理論知識(shí)，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容相對(duì)陳舊，最新工程技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的周期過(guò)長(zhǎng)[1]，經(jīng)費(fèi)緊張導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)基地不足，實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)活動(dòng)質(zhì)量無(wú)法得到充足保障[2]。學(xué)生在實(shí)踐類(lèi)教學(xué)環(huán)節(jié)“只看不操作”的情況使得實(shí)踐類(lèi)教學(xué)環(huán)節(jié)質(zhì)量不高[3]，嚴(yán)重制約了高校人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。虛擬仿真教學(xué)是數(shù)字技術(shù)賦能高等教育的重要形式，能夠解決線下實(shí)踐教學(xué)中“做不到”“做不上”和“做不好”等問(wèn)題[4]。

現(xiàn)今信息化技術(shù)高速發(fā)展，高等教育可借助信息化技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的有利機(jī)遇，改革知識(shí)傳授方式，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的教學(xué)模式革新。在新的發(fā)展機(jī)遇下，為貫徹黨的十九大精神，教育部根據(jù)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）》和《2017 年教育信息化工作要點(diǎn)》等相關(guān)文件的要求，發(fā)布了《2017—2020 年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)》的通知，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)以其內(nèi)容新穎、技術(shù)先進(jìn)、方法靈活、重復(fù)性高等顯著優(yōu)勢(shì)，能夠拓展傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度與廣度，有助于提高實(shí)踐教學(xué)水平，助力高等教育實(shí)踐育人工作。現(xiàn)今，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為國(guó)家信息化教育戰(zhàn)略的重要推廣內(nèi)容，并在全國(guó)高校的不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，例如在地理科學(xué)[5]、生物學(xué)[6]、警務(wù)專(zhuān)業(yè)[7]、交通運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)[8]、自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)[9]、新能源科學(xué)[10]、船舶與海洋工程專(zhuān)業(yè)[11]及經(jīng)管專(zhuān)業(yè)[12]都取得了良好的教學(xué)效果，為高等教育各學(xué)科的發(fā)展提供新思路、新方法。

能源動(dòng)力與工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“能動(dòng)”專(zhuān)業(yè)）課程理論教學(xué)內(nèi)容多注重設(shè)備運(yùn)行原理內(nèi)容的傳授，熱力系統(tǒng)中設(shè)備之間教學(xué)環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性較弱[13]；同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相比于其他專(zhuān)業(yè)而言，內(nèi)容多涉及高溫、高壓、高速等風(fēng)險(xiǎn)較大的項(xiàng)目[14]。因此，一方面，火電廠等實(shí)習(xí)單位出于安全生產(chǎn)及人員管理的考慮，實(shí)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)僅進(jìn)行相關(guān)知識(shí)內(nèi)容講解，學(xué)生只許看和聽(tīng)，嚴(yán)禁實(shí)操，實(shí)習(xí)活動(dòng)變成了現(xiàn)場(chǎng)參觀，并且火電廠教培部門(mén)收費(fèi)按實(shí)習(xí)人數(shù)、天數(shù)計(jì)算，實(shí)踐費(fèi)用較高；另一方面，專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)制作復(fù)雜、造價(jià)高，實(shí)驗(yàn)操作存在安全隱患及場(chǎng)地需求面積大亦是困擾高校傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的難題。

1 傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目存在的問(wèn)題

在“能動(dòng)”專(zhuān)業(yè)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中，部分專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只覆蓋了課程基礎(chǔ)知識(shí)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)，比如測(cè)量不同燃料相關(guān)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)；部分專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)出于實(shí)驗(yàn)成本及人身安全保障等客觀原因，以認(rèn)知簡(jiǎn)單設(shè)備實(shí)物模型加教師講授靜態(tài)流程圖作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。然而，繼續(xù)延續(xù)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容已不能滿(mǎn)足當(dāng)前高校實(shí)踐教育發(fā)展的需要及學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的要求。

1.1 缺乏對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備的形象認(rèn)知

“能動(dòng)”專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課如汽輪機(jī)、鍋爐原理等課程中包含大量設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容，課堂上通常采用設(shè)備圖片、視頻片段的形式輔助學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，但素材有限，特別是有關(guān)設(shè)備內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)及介質(zhì)流動(dòng)過(guò)程的專(zhuān)業(yè)視頻素材稀缺；而專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)在火電廠現(xiàn)場(chǎng)，學(xué)生只能觀察到設(shè)備外形，沒(méi)有機(jī)會(huì)了解設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在部分專(zhuān)業(yè)課程中，系統(tǒng)原則性熱力圖僅由簡(jiǎn)單線條和圖形組成，系統(tǒng)圖中管路被簡(jiǎn)化成了線條，閥門(mén)和設(shè)備被簡(jiǎn)化成了不同的符號(hào)和框圖，僅僅體現(xiàn)了火力發(fā)電廠熱力系統(tǒng)設(shè)備及管路的原理性連接關(guān)系。這種形式雖可以清晰簡(jiǎn)潔地表明介質(zhì)在系統(tǒng)設(shè)備和管路中的流向，使學(xué)生能對(duì)整個(gè)熱力系統(tǒng)有全面的平面認(rèn)知，但對(duì)設(shè)備外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程難以形成形象立體的感知。同時(shí)，學(xué)生對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備管路前后的連接關(guān)系僅有概念上的認(rèn)知，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)整體的布置、設(shè)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(tǒng)二維仿真機(jī)主要包含機(jī)組啟停及事故處理等功能，不具備設(shè)備三維認(rèn)知及設(shè)備拆裝功能，其DCS 操作能實(shí)現(xiàn)對(duì)火電廠中典型生產(chǎn)環(huán)節(jié)的操作訓(xùn)練，但其操作窗口都是二維畫(huà)面顯示，比如對(duì)手動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)，只能簡(jiǎn)單地調(diào)整畫(huà)面中相應(yīng)閥門(mén)的上下位置，沒(méi)有相應(yīng)三維場(chǎng)景的同步顯示，而學(xué)生由于缺乏火電廠實(shí)地場(chǎng)景認(rèn)知，導(dǎo)致實(shí)操過(guò)程中沉浸體驗(yàn)感較差。

1.3 實(shí)踐教學(xué)結(jié)果評(píng)價(jià)體系單一

“能動(dòng)”專(zhuān)業(yè)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)體系主要由報(bào)告成績(jī)與平時(shí)成績(jī)兩部分按一定比例組成，而標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)內(nèi)容導(dǎo)致部分學(xué)生的報(bào)告內(nèi)容雷同。對(duì)于平時(shí)成績(jī)的評(píng)定，由于參與學(xué)生人數(shù)較多，且會(huì)增加教師的工作量，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的評(píng)定結(jié)果比較集中，難以準(zhǔn)確區(qū)分學(xué)生對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的掌握程度，易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性，不利于提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

2 新型3D虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)

火電廠3D 虛擬仿真平臺(tái)是基于教育部提倡的產(chǎn)教融合政策背景，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的人才為目的，與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)的應(yīng)用于“能動(dòng)”專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的仿真平臺(tái)。仿真平臺(tái)以實(shí)際工程中某1 000 MW 超超臨界主力火電機(jī)組為原型，采用三維虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火力發(fā)電廠生產(chǎn)過(guò)程的虛擬再現(xiàn)，是可人機(jī)交互的三維可視化的火電機(jī)組實(shí)踐教學(xué)仿真平臺(tái)。仿真平臺(tái)功能主要包括電廠漫游、個(gè)性化學(xué)習(xí)、設(shè)備拆裝、系統(tǒng)原理認(rèn)知、電廠巡檢及主要系統(tǒng)模擬操作等內(nèi)容，能滿(mǎn)足學(xué)生對(duì)系統(tǒng)組成、電廠巡檢、設(shè)備拆裝及電廠運(yùn)行虛擬操作等方面的需求，可用于專(zhuān)業(yè)課程的理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)及實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，其3D 視角可以使學(xué)生加深對(duì)火電廠平面布置、設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程的理解，并具備單個(gè)功能模塊的自動(dòng)打分及按比例累計(jì)實(shí)踐總成績(jī)功能。火電廠虛擬仿真平臺(tái)主界面如圖1 所示。

圖1 火電廠3D 虛擬仿真平臺(tái)主界面圖

3 仿真平臺(tái)實(shí)踐教學(xué)優(yōu)勢(shì)

3.1 提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力

仿真平臺(tái)使用數(shù)字化3D 可視技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電廠漫游功能，漫游界面如圖2 所示。仿真平臺(tái)具備搜索功能，在搜索框中輸入內(nèi)容可快速定位到準(zhǔn)確位置，點(diǎn)擊即可顯示其信息；具備當(dāng)前位置提示、各系統(tǒng)語(yǔ)音講解、行進(jìn)加速減速、構(gòu)筑物/設(shè)備外殼隱藏/顯示功能。3D 可視畫(huà)面可使學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作觀察設(shè)備及建筑的不同立面，該功能使學(xué)生在虛擬平臺(tái)上即可全面了解火電廠整體的建筑布局、設(shè)備和管路之間的連接及走向，學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)，對(duì)火電廠全局及各個(gè)設(shè)備的前后布置形成感性認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生將課堂學(xué)到的理論知識(shí)與實(shí)際景象對(duì)應(yīng)，其效果直觀，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

圖2 3D 廠區(qū)漫游圖

仿真平臺(tái)具備巡檢實(shí)訓(xùn)模塊，巡檢模塊中的設(shè)備嚴(yán)格按照電廠的位置和設(shè)備連接來(lái)布置，巡檢操作使用的工具與電廠生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程相匹配，巡檢的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)符合電廠設(shè)備運(yùn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該功能模塊可提供教學(xué)、練習(xí)及考試3 種實(shí)訓(xùn)功能。其三維場(chǎng)景中的溫度、壓力等儀表中的參數(shù)能正確顯示其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，并符合電廠設(shè)備運(yùn)行參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生先通過(guò)教學(xué)模式學(xué)習(xí)巡檢的具體內(nèi)容，然后通過(guò)練習(xí)模式反復(fù)練習(xí)，加深對(duì)內(nèi)容的理解，最后通過(guò)考試模式檢驗(yàn)對(duì)該模塊內(nèi)容的掌握程度。通過(guò)學(xué)習(xí)、練習(xí)和考核3 種模式的反復(fù)，可以讓學(xué)生對(duì)初入工作崗位的內(nèi)容有較深刻的理解，能更加快速地開(kāi)展今后的工作。該軟件還以三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為人機(jī)交互方式，學(xué)生可對(duì)主要系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行交互操作，相比傳統(tǒng)二維DCS 系統(tǒng)，它可以提供二維DCS系統(tǒng)與三維場(chǎng)景間的互聯(lián)互通機(jī)制，整個(gè)過(guò)程以可視化的方式展現(xiàn)，相關(guān)設(shè)備等參數(shù)能實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示，使學(xué)生在仿真機(jī)上的實(shí)操更接近于現(xiàn)實(shí)工況，彌補(bǔ)學(xué)生實(shí)習(xí)期間“只看不做”的不足，提高學(xué)生實(shí)踐能力。

3.2 節(jié)省實(shí)踐教學(xué)成本

仿真平臺(tái)包含系統(tǒng)認(rèn)知學(xué)習(xí)模塊，通過(guò)3D 建模技術(shù)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬復(fù)現(xiàn)，電廠內(nèi)所有事物都以三維虛擬體的形式展現(xiàn)在平臺(tái)上，虛擬與現(xiàn)實(shí)世界中各個(gè)事物的相對(duì)比例一致，位置、形狀、顏色一致。學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)的相應(yīng)按鈕，在仿真平臺(tái)可以立體觀看相應(yīng)設(shè)備的視頻及動(dòng)畫(huà)，觀察設(shè)備及系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)、粒子特效現(xiàn)象，比如汽輪機(jī)認(rèn)知截圖如圖3 所示。畫(huà)面具有真實(shí)性、沉浸性、交互性等特點(diǎn)，既可以使學(xué)生增強(qiáng)對(duì)設(shè)備的感官認(rèn)知、加深對(duì)工作原理的理解，又可以減少購(gòu)置設(shè)備模型等費(fèi)用，從而節(jié)省大量教學(xué)成本。

圖3 汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.3 彌補(bǔ)教學(xué)條件不足

實(shí)驗(yàn)室的數(shù)量和質(zhì)量已成為評(píng)價(jià)高校科研能力、教學(xué)能力和創(chuàng)新能力的重要指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室、實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)及其安全管理的重要性已獲得普遍認(rèn)同，但部分高校由于辦學(xué)經(jīng)費(fèi)緊張，其實(shí)驗(yàn)室及實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地面積、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的配備難以滿(mǎn)足教學(xué)要求。同時(shí)，“能動(dòng)”專(zhuān)業(yè)部分實(shí)驗(yàn)成本高、消耗大且存在安全隱患，使得實(shí)踐環(huán)節(jié)具體實(shí)施存在一定困難。三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為人機(jī)交互方式，可“以虛補(bǔ)實(shí)”，展現(xiàn)火電廠中鍋爐及汽輪機(jī)本體、磨煤機(jī)等重要輔助動(dòng)力設(shè)備的拆裝過(guò)程，圖4 為除氧器拆裝圖。

圖4 除氧器拆裝圖

設(shè)備拆裝模塊將火電廠中動(dòng)力設(shè)備拆解成數(shù)目不等的零部件，虛擬平臺(tái)窗口左側(cè)為零部件庫(kù)，右側(cè)為模式選擇等操作按鈕。模塊包含介紹、學(xué)習(xí)、練習(xí)和考試4 種模式，學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)通過(guò)介紹和學(xué)習(xí)模式對(duì)設(shè)備外觀、功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)先形成感性認(rèn)知，再通過(guò)練習(xí)模式可反復(fù)拆裝設(shè)備，此模塊除了設(shè)備本身的拆裝，還可以在設(shè)備庫(kù)中選擇設(shè)備、拖拽并在窗口中搭建系統(tǒng)，這種模式使學(xué)生既可對(duì)專(zhuān)業(yè)課中單個(gè)設(shè)備形成清晰認(rèn)知，又可以加深對(duì)專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容間相互聯(lián)系的理解，對(duì)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地面積要求低、操作重復(fù)性好、安全性亦有保障，同時(shí)DCS 二、三維交互操作功能可培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)組啟停過(guò)程的實(shí)踐操作能力，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)條件的不足。

3.4 多層次的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系

虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)包含理論知識(shí)、設(shè)備及系統(tǒng)認(rèn)知、巡檢及管理制度學(xué)習(xí)、設(shè)備拆裝及機(jī)組啟停操作等內(nèi)容，平臺(tái)可以就各自模塊內(nèi)容進(jìn)行打分，如圖5 所示。設(shè)備及系統(tǒng)認(rèn)知模塊根據(jù)學(xué)生觀看視頻時(shí)長(zhǎng)評(píng)定，拆裝、機(jī)組啟停操作等實(shí)操環(huán)節(jié)依據(jù)操作步驟的完整度及正確度評(píng)定，巡檢及理論知識(shí)模塊自帶考試模式，學(xué)生需完成相應(yīng)內(nèi)容考試，取得成績(jī)。總成績(jī)由各個(gè)模塊成績(jī)按一定構(gòu)成比例累計(jì)，成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系包含對(duì)理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐操作各方面的評(píng)價(jià)，同時(shí)，平臺(tái)自動(dòng)記錄學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)，無(wú)需教師人工進(jìn)行平時(shí)成績(jī)統(tǒng)計(jì)，減少了教師的工作量，多層次的評(píng)價(jià)體系能更客觀地反映學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握程度，同時(shí)提升學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。

圖5 仿真平臺(tái)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，虛擬仿真技術(shù)在緩解目前高校學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)少、教學(xué)經(jīng)費(fèi)不足及安全保障困難等難題的同時(shí)，還能夠提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，使實(shí)踐環(huán)節(jié)緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，VR 技術(shù)可以為學(xué)生提供身臨其境的體驗(yàn)感，學(xué)生可以形象具體地了解職業(yè)環(huán)境與設(shè)備流程，并在VR 環(huán)境中反復(fù)交互操作，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生的人身安全也可以得到充分保障。當(dāng)前，“能動(dòng)”專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存在抽象、安全隱患大和實(shí)習(xí)費(fèi)用高等問(wèn)題，3D 虛擬實(shí)踐仿真平臺(tái)可以在很大程度上彌補(bǔ)這些不足，從而改善現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)體系，不斷提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，助力新工科創(chuàng)新實(shí)踐型人才的培養(yǎng)。