高职化工专业虚拟实训项目的开发建设与实践

郗　伟

(陕西国防工业职业技术学院化学工程学院，陕西　西安　710300)



高职化工专业虚拟实训项目的开发建设与实践

郗伟

(陕西国防工业职业技术学院化学工程学院，陕西西安710300)

随着科技的发展，实践教学的方式、方法、手段不断提高，除了常规实验、实训室的建设与应用，新型虚拟实训项目正在成为高职学生实验、实训，掌握专业技能的重要手段。化工虚拟实训项目的开发是针对四大基础化学、化工单元操作技术、典型化工生产流程设计出的虚拟实训，不是要替代或者弱化实际的操作训练，反而更有助于学生操作技能的提高。

化工；虚拟实训 ；实践教学

高等职业教育主要任务是培养高素质技术技能人才，化工专业对实践教学的条件要求非常高[1]。从基础的四大化学实验实训到化工单元操作技术课程的实训，再到专业课程的实训，学生在校学习期间的实践教学课时占到总课时数50%以上，安排如此多的实践教学课时目的是为了培养学生熟练的操作技能。如果在实践教学一开始就给学生各种各样的“瓶瓶罐罐”、仪器设备进行化学分析操作技能训练，一方面学生很难直观的理解设备仪器繁琐的操作原理，另一方面很容易造成设备损伤甚至伤到学生。随着科技的发展，实践教学的方式、方法、手段不断提高，除了常规实验实训室的建设与应用，新型虚拟实训项目正在成为高职学生实验、实训，掌握专业技能、操作方法的重要手段[2]。新型虚拟实训技术有针对性的开发设计已经将原有的模拟仿真、工艺流程模型、3D动画仿真等现有的实训项目远远的抛在了后面。

1　虚拟实训对化工实践教学的重要作用

化工专业要求学生掌握的专业操作技能非常多，从入学开始逐层推进，深入掌握各类仪器的分析操作技能。化工虚拟实验实训项目的开发主要是围绕四大基础化学、化工单元操作技术、经典工艺流程展开的实践教学环节，各门课程之间的关系参见图1。

图1　化工专业核心课程关系流程图

1.1基础化学虚拟实训

基础化学实训项目是围绕四大化学展开的，包括化学玻璃仪器的操作使用、分析滴定仪器设备的操作、分析天平的操作及注意事项、分析化学大型仪器设备的使用。如红外分析仪、紫外分析设备、气液相色谱等。有机合成成套玻璃仪器的组装与操作使用。针对以上真实具体的实训项目，虚拟实训项目是在进行实际动手操作训练之前，采用仪器模型、辅助教具设备、虚拟3D仿真软件等方法开发出配套的虚拟实训进行前期训练，进而掌握真实的仪器设备的基本结构和操作步骤。

通过教育教学改革研究发现，如果没有配套的虚拟实训项目，基础化学实训由于参与学生众多、设备台套数有限、设备使用率高，学院现有设备就无法满足学生的培养要求。进行虚实交替实训，一方面可以减少基础实训设备的损耗，另一方面还可以增进学生对操作要点的理解。

1.2化工单元操作虚拟实训

化工单元操作技术是一门工程技术思维要求很强的课程, 强调培养学生的工程观念、定量计算能力、操作技能和初步的设计能力[3]。该课程在基础课程与专业课程之间起着承上启下的桥梁作用。围绕该课程展开的化工单元操作实训使学生直观全面的理解各操作单元的基本原理,树立工程化的思想, 培养学生分析问题和解决问题的能力, 实训具有实践性、直观性、灵活性、综合性和探索性的特点。

在化工单元操作技术的教学改革过程中, 学生需要面对并掌握的实训仪器设备非常多。在学生首次接触到和实际生产设备较接近的工程实训装置时,教师要给学生形成“工程化”的思想。但是，仅仅依靠“宏伟的”精馏设备、吸收设备、传热换热等大型设备也只能从感官上进行“启蒙教育”，学生开始无法理解操作的依据，不能进行有效的操作，依靠教师单纯的讲解显然达不到预期的实践教学目的。针对培养学生“工程化”思想的需要，开发出3D的化工生产认知实训项目，通过计算机软件技术实现学生漫步于化工厂的虚拟环境中，通过人机互动对话实现学生对各类设备的功能、操作原理的初步认识， 提高学生的工程实践能力和综合能力。

1.3专业课程虚拟实训

在实践教学的过程中，由于安全及运行成本的影响学校不可能完全采用工厂的生产设备进行实训，但是企业对高职学生的动手操作能力又要求的特别高，因此学校采用学生进企业顶岗实习来进行专业技能的培养，但是企业顶岗实习的岗位有限并且效果不尽人意。2013年我校省级教学团队--应用化工生产技术教学团队专业教师联合教学仪器设备公司，共同开发设计出了适合学生操作训练的虚拟中试设备和典型煤化工生产线DCS虚拟仿真实训。

这套化工虚拟中试设备，除了产品不是真实的化工产品外，其他设备、仪器、泵、阀门、管路、反应釜等均采用缩小版的实际生产设备。但是，培养学生的虚拟中试生产线又不同于企业的中试设备，学校的虚拟中试设备不是特定为生产某一个或一类化工产品而设计的，它是典型化工单元的一个虚拟组合，没有实际的产品工艺流程。因为特定的化工生产线，使用设备有限，不可能将所有的化工单元设备囊入其中。

2　化工虚拟实训项目开发建设的思路

新型化工虚拟实训项目建设不再是学校简单的购买教学仪器相关企业的产品，而是专业教师教学团队在进行高等职业教育教学改革研究的同时依据高职学生学习成长的规律和化工企业生产的需求，会同教学仪器设备技术人员、化工企业工程师共同开发的虚拟实训软件或教学辅助设备、仪器。根据协议要求，开发出的虚拟实训项目及其附属产品的知识产权归学校和教师所有。

2.1化工虚拟实训项目开发建设，建什么？

我院化工单元操作技术课程教学团队经过2轮学生的教育教学改革研究，发现一些大型化工生产设备(例如，煤化工、石油化工生产设备等)，价格昂贵的实验设备(例如，精馏塔、仪器分析设备等)，实验危险较大的设备(例如，我院军工人才培养基地的一些专属设备)，这些实训设备一方面生均台套数不足，另一方面教师学生都不敢大胆操作。但是这类实训设备，在高职类专业的实践教学进程中又必不可少[4]。

这类实训有以下共同的特点：①成套的化工生产设备学校不具备；②实训周期较长；③实验周期较短；④实验结果不容易看清楚的(或瞬间结束的)，受时间空间限制的；⑤通用的实训，学生使用频率较高的。 在分析总结了实践教学过程中存在的不足或受到外界条件限制的情况后，自然就明确了化工虚拟实训项目开发的方向，就知道了要开发建设哪些实训项目来补充实践教学的不足。

2.2化工虚拟实训项目开发建设，谁来建？

根据以往的经验来讲，购买信誉度较高的教学仪器生产企业开发的成熟产品是最便捷省事的选择。但是，想要开发建设一个教师、学生都满意的并且贴近化工生产实际的实训项目，不是教学仪器公司一家所能够满足的，需要一个开发团队。一般来讲化工虚拟实训项目开发团队参与人员应包含如图2所示人员，其中专业教师应该是团队的核心。

图2　虚拟实训项目开发团队及任务分工

团队的有效合作，是实训项目开发成败的关键。专业教师本身具有很高的教学水平，在教学研究方面表现突出，但是，专业教师即使在时间充裕的前提下也未必能开发出满意的实训软件及教辅设备。专业的教学仪器设备制作公司有设计人员、美工、二维造型、二维flash动画、三维粗模制作、三维精模制作、三维动作调制、maya人物设计及调制、三维合成、三维虚拟设计、编程等专业技术人员。但是，公司技术人员没有专业教师的开发构想、没有设计蓝图，不能独立开发设计出适合化工学生学习、实践的虚拟软件及教辅设备。因此，专业教师在教育教学改革过程中结合教学实际需求，根据实际需要描绘出虚拟实训项目开发建设蓝图，在专业技术人员的配合下，在行业专家的指导下使蓝图变为现实。共同开发出的虚拟实训项目又可以成为参与教师的教学成果，极大地调动了老师参与教学改革的热情。

2.3化工虚拟实训项目开发建设，怎么建？

在立项建设初期，总结国家骨干高职院校建设经验并且依据教育教学改革目标提出化工虚拟实训项目建设的方向，确定对开发实训项目热情度高的骨干教师负责教学团队的脚本设计、技术指导，确定合作的教学仪器公司，确定化工行业专家。

完成虚拟实训项目脚本的内容开发之后，专业教学团队要对制作公司的人员进行需求讲解以及实训设备工作原理、实训步骤讲解，制作公司要拿出技术指导及设计方案，确定设计内容及技术细节。

有了建设团队和开发建设的脚本、蓝图，接下来就是如何将蓝图变为现实。随着计算机技术的跨越式发展，化工虚拟实训项目不再是简单的流程仿真，而是要求操作界面接近实际操作环境。化工虚拟实训项目的开发分为以下三类：

①虚拟项目是计算机仿真类：要求纯三维、真互动、分屏处理、仿真操作台采用DCS中控虚拟技术；

②虚拟项目是辅助教具类：单个设备要求便于操作演示、体积适中、拆装方便，教学效果演示易于学生理解；模拟沙盘则要求工艺流程与实际生产完全一致，设备模型按照实物缩小，设备名称、工艺原料、产品等内容明确(沙盘模型可配合DCS总控台进行仿真训练，且与控制系统对应并配用光电系统)。

③虚拟项目是化工中试成套生产线：要求设备功能接近生产设备、工艺流程涵盖的仪器设备尽可能广泛，采用恰当的原料替代化学试剂，减少设备运行的成本及危险性。

3　虚拟实训项目开发与课程建设的融合

虚拟实训项目的开发是基于课程实践教学的切实需要，来源于课程，在开发的过程中做到了与操作技能培养、与课程内容的相互融合。我校开发的所有虚拟软件操作系统都刻意要求能使用普通浏览器打开，以便很好的融合教学资源库平台中，实现远程操作(实训、教学)，还可以链接到学院精品资源课程网站，作为课程设计开发的一部分。每个项目中的各种动画、素材可以单独提出，作为课程建设的资源(素材)、也可以将其链接到ppt中供教学使用。

化工虚拟实训项目的开发不再是单纯的满足学生实训、满足日常教师教学的辅助工具，更重要的是参与开发设计的教师团队拥有了一项实用性很强的教学成果，甚至创新发明专利。这就极大地调动了广大教师参与实践教学的积极性，实现了学生与教师的双赢。

例如，专业生产实训通过基于真实的实训(实验)为工作场景，在场景中学生可任意角度、任意时间、操作任意实训设备。使学生能够更好的理解实训，尤其在真实操作比较危险的情景下该纯三维虚拟功能尤为突出，比如汽油机四行程爆震的场景模拟、精馏塔的液泛现象等难于观测的项目，通过虚拟三维技术可以近距离观看、并操作。

在计算机虚拟实训场景中，学生(操作人员)与设备之间可以实现互动，所有化工设备的任何操作在任何时候，任何工作状态下都可以通过按钮进行控制并且可记录下学生的错误操作。人机互动跟以往化工仿真按步骤提示操作不同，没有任何的前提设定，非常的接近真实的化工生产，只要工艺流程正确，操作有很大的自主性。

模拟中试生产线，配有一个中控控制台，使学生的操作能够感受到化工生产企业真实的操作流程，达到生产实训的目的。

4　结　论

开发虚拟实训并不是要取代实际的技能训练，这一点是学生、教师及学校的共识。虚拟实训项目迎合了学生、教师的实践教学需求，涵盖了化工专业的基础认知实训、专业实训、生产安全实训等一整套化工实践教学环节。

总结学校教育教学改革的经验，化工虚拟实训项目不能单纯的购买所谓的成熟“产品”；必须依靠专业教师团队、必须将虚拟实训项目的开发与课程建设相互融合、将化工专业核心课程建设的资源及技术展示方法融入虚拟实训项目中，开发出适应高职学生特点的实训项目，让不懂得化工虚拟实训项目内容的学生，通过实训项目指南、实训设备、实训软件不需要过多指导就可以完全掌握相关仪器、设备、工艺流程，这就是开发虚拟实训项目的目的和意义。

[1]陕西省现代职业教育体系建设规划[R].2015-2020.

[2]周文水.化工模拟系统探析[J].科技信息,2009(18):80-81.

[3]周爱东,杨红晓，赵蕾,等.大工程观背景下开放型化工仿真实验的教学实践[J].实验室研究与探索,2010(1):101-103.

[4]郗伟.化工工程技术实训基地扩建项目可行性分析研究[J].技术与市场, 2014(6):373-374.

Project Development, Construction and Practice of Virtual Practice

XIWei

(School of Chemical Engineering, Shaanxi Institute of Technology, Shaanxi Xi’an 710300, China)

With the development of science and technology, the ways, methods and means of teaching practice are continuously improved, in addition to the conventional experiment, training room construction and application, model of virtual training project is becoming higher vocational students’ experiment and training, master professional skills, methods of operation of an important means. Development of chemical virtual training project is to design the four basic chemistry, chemical unit operation technology, typical chemical production process of virtual training, can not only replace or weaken the practical training, but also help to improve the skills of students.

chemical; virtual training；practice teaching

郗伟(1979-)，男，陕西国防工业职业技术学院,硕士研究生讲师。从事应用化工技术及造纸化学品的研究与教学工作。

TQ01

A

1001-9677(2016)07-0213-03