虚拟仿真在石油化工类高职实践教学中的应用研究

邓玉美，桑红源，冯得业

(1 天津渤海职业技术学院，天津 300402；2 秦皇岛博赫科技开发有限公司，河北 秦皇岛 066000)

实践教学是职业院校课堂教学中的核心，是培养技术技能人才实践能力的重要教学环节，高职石油化工类专业的人才培养更是离不开大量的实验和实践教学。但是由于化工原料和实验具有高度危险性和复杂性，石油化工类专业实践教学的开展面临着重重困难，例如教学成本高、教学效率低、教学风险大等[1]，尤其2020年突如其来的疫情使得传统实训教学变得更加困难。虚拟仿真能够弥补这个缺陷，运用虚拟仿真教学系统进行教学实践研究，尽可能创造线上实践教学的环境、利用现有资源开发实践教学项目，建立石油化工实践教学的新模式，对进一歩提高高职石油化工实践教学的质量，培养学生的协作学习能力、动手实践能力与创新思维能力具有重要的作用。

1 石油化工类专业传统实践教学面临的挑战

随着当前环保、安全生产的要求提高，在生源增加的情况下，实验设备数量和质量已经无法满足教学需要，而且由于化工过程非常复杂，化工类实训实践教学的开展面临着重重困难：

(1)化工装置复杂庞大、仪器设备昂贵、药品稀贵，需要投入较多的资金，很多院校实训设备台数不足，不能支撑实训教学的进行；

(2)化工实验操作条件苛刻，操作技术要求，危险性大；

(3)实训中所涉及的原料通常是易燃、易爆、有毒的化学试剂，对操作环境及周围环境影响较大；

(4)化工设备自动化程度高，很多生产过程看不见、摸不着，实习效果差，致使单纯的校外企业实践很难达到预期的效果；

(5)高职类学生理论基础相对薄弱，非规范性操作会对设备造成严重损坏，维修费用大，而且影响实训正常进行。

2 虚拟仿真实践教学特点

虚拟仿真实验是利用计算机，创建出一个可视化的实验操作环境，其中的每一个可视化仿真物体代表一种实验仪器或设备，通过操作这些虚拟的实验仪器或设备，即可进行各种复杂的实验，达到与真实实验环境相一致的教学要求和目的[2]。虚拟仿真实践教学具有以下特点[3-4]：

(1)学习环境具有沉浸性

虚拟仿真以第一人称视角，模拟非常逼真的操作环境，在近似真实的实验环境中去认识，操作其中的虚拟设备，体验实验的真实过程。

(2)交互性

虚拟仿真软件具有强交互性，虚拟实验中学生可以利用鼠标、键盘或其它物理设备操作虚拟设备，学生像在真实实训环境中一样体验实训操作带来的真实性，实现人机、人与设备的良好交互。

(3)开放性

虚拟仿真实验可以以WEB的方式发布到网络上，学生可以通过网络化平台完成实训操作，在疫情常态化的今天，虚拟化工仿真不受时间、空间的制约，在寝室、校园内或家中随时、随地进入虚拟实验室完成实验项目。

(4)扩展性

虚拟设备可以进行灵活配置和组合，相关软件升级和更新也非常方便，可根据教学需要对虚拟设备进行二次开发。

(5)劣势

虚拟仿真实验只能完成逼真的演示效果，不利于对学生动手操作能力培养 ，所以仿真操作不能完全代替实际操作。

3 3D虚拟仿真与传统教学融合的实践教学模式探索

针对石油化工类专业实践教学出现问题，我们构建了适合高职类学生使用的虚拟实验实训平台，探索新的教学模式，实现石油化工类专业高素质技术技能人才培养的目标。

3.1 整合实践课程资源，建立实践教学平台

根据石油化工类专业的人才培养目标，培养服务化工生产一线的高素质技术技能人才，实践教学对培养学生职业能力和职业素养至关重要，针对石油化工类专业实践教学，我们重新整合了实训课程资源，大力实施实验实训环节数字化改造提升工作，同时利用Unity 3D技术和合作企业共同开发石油化工类专业3D虚拟仿真，将实践课程资源整合以下五类：

3.1.1 课程教学辅助动画

包括各类管路拆装动画、单元操作设备的结构合原理动画等。

3.1.2 实验单体设备仿真系统

包括单个测量仪器、单个电器类、反应类、分离类、干燥类、计量类、加热类、夹持类、容器类等多中单个设备的仿真实训。如图1所示。

图1 单体设备仿真系统

3.1.3 基础实验3D仿真实训

包括3D单体拆装、3D物性测定实验、3D仪分实验、3D有机合成综合实验等，该实训系统具有标准实验室环境(安全消防设施、安全防护设施、安全救护)的、可任意角度查看和设计操作的、具备较强沉浸感和交互性。

图2 3D基础实训室

3.1.4 智能化模拟工厂

主要是3D大型连续化生产装置实训，包括氯乙烯生产实训装置、乙烯生产实训装置、聚氯乙烯生产实训装置、常减压蒸馏实训装置、合成氨实训装置等。

图3 乙烯生产智能化模拟工厂

3.1.5 视频教学资源

视频演示类实验，包括安全救护、紧急疏散与逃生等安全与防护类实训。

图4 心肺复苏视频演示

3.2 建立线上线下有机融合的实践教学新模式

我们将石油化工类专业实训课程分为四个模块，即单体设备拆解和使用模块、基础实训模块、工厂实训模块和化工安全模块，其中基础实训模块包含基础化学实训、单元操作实训、仪器分析实训等采用仿真和实操相结合，针对单体设备拆解和使用以及车间实训模块，由于实训设备有限，主要采用线上虚拟仿真实训。

在实践教学过程中采用项目化教学方法[5]，每一个教学项目分成若干个学习任务，学生接收学习任务后，分析任务制定实训方案。对于可线下实训的项目如有机合成实训、仪器分析实训等，先在虚拟仿真平台线上进行练习，完成相关的任务考核，通过考核后进行线下实训；对于不能线下操作的实训项目，如常减压蒸馏、乙烯生产等工厂实训，先进性二维仿真实训，对工艺参数、工艺流程控制、事故处理进行训练，考核合格后，进入模拟智能化工厂，实训过程强调角色的代入，严格要求学生按照企业标准化规程进行模拟，学生通过DCS中控室现场站的互相配合，理解了现场阀与控制阀的区别，内操与外操的区别，进一步熟悉了一些化工生产单元，对现代化工生产的运作方式有深刻的认识，提高学生学习效果。

图5 实践教学模块

同时采用了多元化考核形式，包括教师根据学生任务实施情况进行差异性评价；软件课堂随时测验，软件自动评分；智能化工厂课完成上岗资格考核、工艺控制考核、隐患排查考核，事故处理考核等；整个实践教学过程变成生产过程，体现做中学，学中做，多元化考核既锻炼了学生的实际动手能力，又弥补了传统教学中的不足，重点培养学生的化工职业素养，有效建立起了线上线下有机融合的新型教学模式。

4 结 语

在石油化工类专业实践教学中，笔者通过整合实践教学资源，将虚拟仿真与传统的实践教学手段有机地结合起来，灵活运用，化解了教学难点，学生综合素养和职业能力大幅度提高，在全国化工类比赛中多次获奖，同时线上线下实践教学模式对于落实立德树人的根本任务，将“工匠精神”“安全环保”等职业素养植入学生心中有着重要的作用。