VR技术在化工职业教育中的优化策略与应用

＊方 卉

（宁夏工商职业技术学院 宁夏 750021）

引言

十九大报告指出，中国已进入新时代，而以虚拟现实为主的信息化教学模式必将成为新时代信息化教学模式改革的重要方向。借助VR技术（Virtual Reality）可将以书本、黑板为载体的传统教学，以PPT、微课等为载体的多媒体，直接推向沉浸交互式体验教学。

近年来，科技、5G的快速发展、职业教育的利好政策，都为“VR+教育”在职业教育领域奠定了良好的资源与技术基础。2022年2月教育司司长陈子季指出，为了更好满足因产业升级和经济结构调整对技能人才的需求，可以根据专业教学要求，推出模拟仿真实训教学环境；在现场实习安排困难或危险性高的专业领域，开发替代性虚拟仿真实训系统；针对教学中难以理解的复杂结构复杂运动等，开发仿真教学软件等[1]。通过职业数字化教育的建设，VR技术已广泛的应用在职教的很多领域。在中国知网中，以“VR”为关键词在主题类一共可搜索到22,256条文章，以“VR+教育”为关键词在主题类得到886条结果，其中VR技术广泛应用在红色文化、档案展览、新闻传播、传媒影视、电子工业、医学、机械、建筑、旅游乃至学前教育等多学科领域。以“化工职业教育”为关键词得到10条结果，其中主要是素质教育、道德培养等内容。在其基础上继续输入关键词“VR、化工职业教育”“VR、化工专业”以及“虚拟现实、化工专业”等，均得到0条结果。然而化工产业具有连续化、大型化、复杂化等特点及高温、高压、易爆等危险性，使得真实生产无法在学校开展，学生在学习过程中存在“看不见、进不去、动不了、难再现”等难题。因此可以依托VR技术营造沉浸式教学环境、促进教学理念、教学模式和教学方法改革，从而完成更精彩的教育、更简单的学习。

1.VR技术在化工职业教育中的应用

(1)借助VR技术，增强理论学习效果

化工生产设备庞大、结构复杂，不能信手拈来，随时搬到课堂上。在理论学习中，动画、视频、仿真等多种信息化手段虽然已经很好地服务教学，但由于学生并未感受到真实生产，所以只是单纯的懂得原理、无法将所学知识与真实生产联系，学习的兴趣、主动性低，学习效果一般。因此运用VR技术可以让冷冰冰的知识变得更形象、更具有真实性。比如借助VR技术，在虚拟工厂中，创建真实的生产工艺流程、运行工况等教学现场，学生在虚拟环境下可以看到和现实设备一样的塔设备、换热器等，通过将课堂教学与化工生产实际紧密联系，解决理论学习脱离工厂实际、无法感知真实生产等难题，更好的完成化工生产各工段的流程认知、设备认知等理论知识，提升课程教学效果，为后续工业化生产奠定基础。

(2)借助VR技术，完成工业化生产

现代化工生产的工艺流程复杂，化工专业传统实训项目考虑可操作性因素多以单元化为主，真实生产场景及完整生产流程的实训项目十分少，实训教学内容与教学内容之间逻辑关系不够紧密，教学内容与生产实践之间脱节，不能满足学生职业技能的培养，也不适应企业对应用化工专业高技能人才的实际需要。借助VR技术，在虚拟环境下，让学生走进工厂，通过创设真实的工作任务，学生可以以操作工、技术员等不同身份参与生产，从阀门开关到安全措施制定，让学生真实体验工业生产，并通过轮岗制度多角度亲历全过程生产，有利于学生巩固理论知识，强化操作技能，熟悉将来的工作环境，推进教育教学与生产实践的有效对接，满足企业需要具有扎实的理论知识、又具有高素质综合技能型“灰领”人才。

(3)借助VR技术，缩短教学时长

化工生产具有连续化特点，且不同的操作方式耗时不同，有些教学过程耗时较长，很难在有限的教学时间内开展。如甲醇精制、烯烃分离等工段都需要进行多次精馏操作，而精馏操作为保证混合物系的分离效果，需要长时间的共沸状态，因此在操作中会导致一方面学时数不足，另一方面实验效率低而无法开展。通过VR技术可根据实际生产方式，改变仿真时钟设置，缩短等待时间，让学生能够有更多的时间去参与生产，观察现象；并且运用VR技术，可以规避掉真实生产连续性特点，学生在开展工业化操作时可以随开随做，做完可随时关闭。

(4)借助VR技术，开展安全教育培训

化工生产过程十分复杂且存在危险，为保证企业生产过程的安全，需要积极开展安全教育，提高学生安全意识，培养学生的规范操作习惯。单纯的安全知识讲解、视频演示等方式只能让学生懂得相关知识，很难让学生从意识深处意识到安全生产的重要性。运用VR技术，可创设具有安全隐患的真实生产情景，对学生系统性的进行三级安全教育、安全标识的认知，厂区危险源辨识等安全培训，让学生扎实掌握判识安全隐患技能，并能对安全隐患进行认知、查找、整改。这种借助VR技术创设的真实生产环境更容易激发学员参加安全教育的学习兴趣，通过置身各种复杂和突发环境中，强化学员对安全事故的感性认识，提高学生的应变能力。

(5)借助VR技术，开展事故体验及处理

化工生产过程由于存在易燃、易爆、有毒、有害等物料，在生产中有可能发生火灾、爆炸、泄露事故，如若事故处理不当将会造成毁灭性的后果，因此事故处理的训练对于学生至关重要。而学生的生活、学习环境离生产事故很远，无法感知事故带来的后果，更不可能有机会处理事故，因此这方面的训练是缺失的。为更好的解决这个问题，可借助VR技术，让学生在虚拟的环境中经历一场接近真实的如火灾、爆炸、泄漏等事故，充分感受事故的毁灭性，体会日常安全管理的疏忽将导致怎样严重的结果，从而产生巨大的警醒作用。并且运用VR技术，可以让学生在虚拟的化工企业环境下进行火灾、爆炸、泄露等故障处理，提高应学员应急处置的能力和水平，提升企业安全运行水平的同时，不用担心故障处理过程中受到伤害。

(6)借助VR技术，开展应急预案演练

应急演练在传统开展过程中成本高、局限性大，实际可操作性差，学生参与性差等。借助VR技术，以真实发生的典型安全事故案例为蓝本，使学生沉浸于事故中，掌握安全操作规程，制定应急预案，查找应急程序所存在的缺陷，弥补应急管理中人力、设备、通讯等应急资源配备的不足，并能达到人人动手[2]，增强学生应对突发安全事故的处置技能。通过VR技术在应急预案演练中的应用，极大的降低了演练的成本，并且可以根据需要及时定制、调整演练内容。

(7)借助VR技术，开展多人协同操作

在熟练安全应急演练、工业化生产单人操作后，升级为多人协同操作。借助VR技术，创设真实生产场景，学生根据企业岗位要求进行角色扮演，开展多人协同操作。通过借助VR技术中的多人协同操作，整体上提高学生的操作技能、沟通水平、团队协作能力等多方面的水平与能力。

2.VR技术在化工职业教育中的问题

“VR+教育”广泛应用在档案展览、新闻传播、电子工业、医学、机械、建筑、旅游乃至学前教育等多学科中，可以解决教学过程中的重难点问题，适用现代化职业教育的发展趋势。但VR技术运用在化工职业教育的过程中仍存在一些问题，应用效果并不理想。VR资源最核心的是要贴合教学内容，结合实际生产，然而现阶段VR的产品相对单一，很难满足化工职业教育，需要加大对VR资源的开发力度。现有的VR资源里很多真实的工厂场景简单，设备与企业真实设备之间还有差距，学生很难融入环境，需要优化场景缺陷。目前VR资源在教学中更多的是堆砌，没有更好的服务教学，因此也需要进行改进。

3.VR技术在化工职业教育中的的优化策略

针对VR+化工职业教育所存在的问题，借助科技的快速发展，提出了相对应的解决策略。

(1)建立优质VR资源的优化策略

目前，化工职业教育中的VR资源产品和内容都相对单一，为更好利用VR资源开展教学，需要投入大量的人力、物力、财力。社会中缺乏优质复合型人才进行VR资源的制作开发。就此问题，人社部等部门将“虚拟现实工程技术人员”列为16个新职业之一，教育部也将“虚拟现实技术本科专业”纳入到《普通高等学校本科专业目录（2020年版）》[3]。通过注重虚拟现实技术专业人才的培养，满足VR产业发展的需求。

VR资源不单纯是有画面有场景，还需要有符合实际教学的内容，因此只是单纯依靠技术人员的制作是远远不够的，制作团队应该由技术人员、一线教师、企业和教育专家组成，共同研究、制订VR资源的内容和表现形式等。教学团队和技术团队应分工研究，首先需要一线教师根据教学的内容提出需求，技术团队和教师团队紧密沟通、探讨VR的呈现方式和角度等，撰写VR资源的内容脚本，共同打磨出既符合教学设计，又符合企业实际操作，又有意境的VR内容。在制作过程中，为减轻学习者的疲劳感和眩晕感，应关注时间，合理拆分教学内容，设计VR资源，制作的VR资源应不易过长。VR资源中的操作应该完成参照企业实际的操作规范，为学员建立规范的操作习惯。

(2)丰富VR资源内容的优化策略

为避免课程的VR资源建立不当或过多，引发VR资源过度浪费的现象，应系统建立、丰富VR教学资源。在建立VR资源过程中，应遵循课程设置原则，将课程内容进行逐步分析细化，将各类章节分解为独立又有联系的知识点或技能点，结合VR资源的建设特点、方法对各章节所需内容进行开发，使VR教学资源具有一定的系统，避免资源的重合和浪费。

除了要防止VR资源的浪费外，如出现内容上的缺失也将影响教学质量。在工业化生产中，除了正常的开停车操作外，还有很多故障需要处理，比如阀卡、泵坏等，其中有些设备故障，要想处理得当，需要让学员了解在真实生产中设备出现的异常现象，因此可借助VR让学生身临其境的感受及处理。比如工业化生产进行流体输送常常会使用到离心泵。离心泵使用过程中典型故障有气缚和汽蚀两个现象。这两个现象在企业都会出现，而很多学生很难区分，分析不对更不易进行正确处理。可以借助VR技术创设出离心泵故障的生产情景，当离心泵无法送液时，学生在此环境中观察泵出口流量的变化情况、感受泵有无发出异常振动和噪声，判断离心泵是发生了哪个故障。然后根据故障情况，进行相关故障处理操作，解决这一故障。在故障排除过程中，可借助VR技术考核学生的操作。当操作正确，进入下一步故障排查与操作；当操作错误，模拟出现的相应事故，引起学生的警示。在VR资源中通过加入故障更加丰富资源，不单培养学生实际动手能力，还可以加强学生分析问题解决问题的能力，潜移默化中使学生树立良好的职业理想。

(3)弥补场景缺陷的优化策略

VR资源就是要让学员能够身临其境的进行学习与操作，但如果出现真实场景无法超清还原、场景转换卡顿等问题，就将造成学生很难沉浸其中，严重影响学习效果。VR是通过计算机运算而生成的虚拟的真实环境，对生成过程中对网络带宽、信号传输有很高要求，才可以完成庞大的数据运算量和图像传输量。因此要善于借助先进技术，解决VR资源中场景的超清复原。5G技术具有速率高、传播快、延时短、容量大等特点，可将5G技术融入到VR中，使VR中的数据传输更快、图像传输更流畅。据“2022世界电信和信息社会日”大会透露，目前中国已建成5G基站155.9万个，全国所有地级市和县城城区都覆盖到，已建成全球规模最大的移动宽带和光纤网络。借助5G技术，通过超高容量的云端存储和高速、稳定的数据传输，将部分数据和计算任务交由云端完成[4]，可弥补真实场景无法超清还原、场景转换卡顿等问题，实现受训者难辨真假的虚拟环境。

(4)VR资源在教学中融入的优化策略

当今时代VR技术在化工职业教育的课堂中的结合度依旧不是特别高，因此为了更好的让VR资源融入教学中，丰富教学手段，解决教学问题，需要从教师、学生两个维度分别探究VR资源与教学的优化策略。

①教师教学设计的优化策略、在教学过程中以适应现代化职业教育的发展趋势，重构学科课程教学内容，借助VR技术，将课堂教学与化工生产紧密结合，积极推进模块化教学模式的改革。在改革中，应加大教师教学设计能力、VR设备使用能力的培养，提高教师整体教学能力。要求教师可根据教学目标，结合教学内容，善于运用VR技术等手段，将教学方式方法，教学过程评价等教学环节进行重新整合与设计，使教学实现理实融合、虚实结合。

②学生学习方面的优化策略。5G环境下，借助VR技术将真实的工厂实景和教学内容进行叠加，使学生在教室实现虚拟生产，在虚拟工厂实景可增加学生对教学内容的理解。在VR资源中根据相关知识点，尝试小游戏，边学边做边玩，增加学生的趣味性和参与度。通过虚拟现实产生的参与度将会让学生们的探索欲望从一开始的玩耍最终转向学习思考[5]。学生在该环境下按照企业的操作规范进行操作，操作后的结果VR快速取得并进行评估，以便让学生更清楚的了解在操作过程中的薄弱点、易错点与错误次数等，对于操作熟练的学生，设置安全事故，教师引导学生分析，找到解决的方案，使学生的理论知识用于实践，实践能力飞跃式提升。

4.结论

VR技术在化工职业教育中的应用改变了传统的教学方法，克服了化工企业运行中的高温、高压给学生在企业实习、实训带来的不能亲自动手操作的弊端。借助VR技术，教学改革为学生进入虚拟的生产场景，完成工艺流程、设备认知、生产操作训练。通过边讲边看边做，学生能够熟悉设备、工艺流程、掌握正确操作，更好的将理论知识用于实践。但是VR在化工职业教育的实际教学使用过程中受制于现有条件，仍然不能做到广泛应用。相信伴随着科技、5G的高速发展、职业教育的利好政策、教师教学能力的增长，VR技术会得到突破和发展，从而弥现有不足，更好的服务于化工职业教育。