虚拟仿真技术在化工教育中的应用与发展

许重华

（北京东方仿真软件技术有限公司，北京 100029）

1 引言

近年来随着我国经济社会的持续发展和工业企业转型升级的不断推进，尤其是《中国制造2025》发展战略和行动纲领的出台，使得我们非常幸运，可以亲身经历一个从工业大国到工业强国跨越与蜕变的历史时期。在化工、石油加工等相关流程工业领域，生产装置的不断大型化、复杂化，促使自动化、智能化水平普遍提高，这必然对化工教育的教学/培训提出了新的更高的要求。为满足行业进步提出的新要求，各类化工院校在培训体系上，都在注重和企业联合办学，将企业的需求直接转化成课程目标的设置安排；在教学和培训方式上，普遍建立了完整的课堂-实验-实习实训体系，建立了不少典型的、有代表性的、有较强适应性的、包括各类单元或流程级的培训系统；这些培训系统不仅仅要求绿色环保、节能安全、技术先进、信息化程度高、而且要求实现跨专业融合，多种综合性技能培训与技能考核于一身，满足非正常工况和事故应急预案处理培训，满足流程工业相关专业——安全及风险防范培训、自动化仪电应用培训、品质控制培训、环境监测与保护培训等多专业内涵培训的需要。在这个背景下，计算机虚拟仿真技术，越来越受到化工教育的重视，应用也越来越广泛。

2 化工虚拟仿真系统在化工院校教学中的应用现状

2012年3月，教育部发布了《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》明确指出：“以教育信息化带动教育现代化，是我国教育事业发展的战略选择。”[1]

在职教领域，2014年10月，《国务院关于加快发展现代职业教育的决定》中指出：“提高信息化水平。构建利用信息化手段扩大优质教育资源覆盖面的有效机制，推进职业教育资源跨区域、跨行业共建共享，逐步实现所有专业的优质数字教育资源全覆盖。支持与专业课程配套的虚拟仿真实训系统开发与应用。推广教学过程与生产过程实时互动的远程教学。加快信息化管理平台建设，加强现代信息技术应用能力培训，将现代信息技术应用能力作为教师评聘考核的重要依据。”[2]

在高教领域，2015年10月，《关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》更是明确指出：“虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。”“构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学目的。”[3]

所以，作为中国制造业最重要的组成部分——化工行业，应该积极响应国家的要求和号召，积极推进化工行业教育培训与信息化技术的融合，利用虚拟仿真技术推动和提升化工行业专业教学与培训的水平，推动核心技术技能的传承与创新，助力中国化工行业由大变强。

目前国内有几百所高等院校和职业院校都在深化教学改革，适应现代化工行业对人才的需求，在化工类及相关专业，引入了化工虚拟仿真软件作为现代化教学手段，表1是北京东方仿真软件技术有限公司（以下简称“东方仿真”）基于本公司用户应用数据库得到的统计数据，由于东方仿真是中国大陆化工仿真行业目前占有市场份额最大的服务商，因此表1显示的数据基本能够反映出化工教育各类院校“本地”和“在线”仿真教学开展的情况。

表1 化工教育各类院校在线仿真教学开展情况

表1中用户统计以院系为单位，包括化学工程、应用化工、石油加工、油气储运、高分子材料、分析检验等专业。由表1可见，仿真应用在教学培训中的普及度已经非常高，在线应用已是大势所趋。

根据东方仿真自己的大数据统计，在2016年有43%的用户（含学校用户和工业企业用户）反馈了实际使用情况：东方仿真化工相关专业仿真软件，总体被使用20.3万小时，总被登录38.9万次，平均每个用户使用仿真软件的时间是470小时/年。2014-2016年这三年间，平均每个用户每年使用仿真软件的时间提升了100小时，详见表2。虽然上述数据仅仅是东方仿真公司自己的应用数据，但也在一定程度上表明无论是学校用户，还是企业用户，现阶段对仿真软件的应用程度都越来越高了。

表2 东方仿真化工相关专业仿真软件年均使用时数（2014-2016年）

3 化工虚拟仿真培训系统的三要素

化工仿真系统是以现有的计算机软硬件技术为基础，在深入了解化工行业各种过程、设备、控制系统及其生产操作的条件下，首先开发出化工各种工艺过程的动态数学算法模型；然后设计实现出可以和真实世界近似一致的人机交互界面，通过以上两种技术的结合，从而实现对操作动作以及操作导致结果及现象的逼真模拟仿真。另外，为了更好的组织教学培训或考核，往往针对化工流程操作组织培训的特点，开发了相应教学培训管理系统，如图1所示。

图1 化工虚拟仿真培训系统三要素

一个典型的虚拟仿真系统培训系统一般包括：某一方面专门的数学模型算法库；行业特色的人机交互界面；为了达到某种教学组织目的的辅助教学培训管理系统三部分组成。化工虚拟仿真培训系统的结构也是如此。

3.1 算法模型——仿真系统的灵魂

对化工装置仿真模拟，其动态算法模型具有特殊地位。在基于工艺与设备原理建立的机理动态数学模型的基础上，依据设计数据和装置实际生产数据，对数学模型的各种参数进行推算确定，从而获得精确的算法模型。所以，只有更多一线工业仿真项目积累的开发者，才能够积累更多更逼真的化工装置的算法模型。算法模型是一个仿真系统逼真度的最本质保障，也是培训内涵效果的核心体现，以及仿真系统扩展性的基础和关键，是仿真系统的灵魂。

3.2 人机界面——身临其境的操作场景

在化工领域的仿真系统人机交互界面，有着浓重的行业特色。一般遵从工业一线的操作界面，包括：模拟中控室主操岗位的仿DCS操作软件界面，模拟现场操作的现场就地站操作界面。最近几年随着计算机技术和游戏产业的发展，现场就地站的操作界面从简单的2D界面；逐渐发展到3D界面；还有支持虚拟现实硬件的VR界面；支持增强现实的AR界面；甚至出现了从实际装置等比例缩小的，又可以和仿真算法双向数据通讯的硬件装置作为人机交互界面的仿真系统。但不管出现什么新技术，人机界面都必备的条件，其根本目的，都是为受训者创造更加逼真的，身临其境的操作场景的初衷是没有改变的。

3.3 辅助教学培训管理系统——考核评价实训效果的必要条件

这是为了达到某种教学目的，进行有效教学组织应用的子系统，也是系统应用的必要条件。原来的虚拟仿真培训系统往往并不重视这部分功能，但随着仿真系统越来越复杂，应用的场景越来越多，辅助教学培训管理系统越来越重要了。一般包括：任务引领和在线评价模块；单人/多人组队和角色选择模块；单机/网络应用模块；事故或培训任务自定义模块。辅助教学培训管理系统，是实现教学组织，考核评定的必要工具。近两年，随着在线应用的普及和大数据概念的推广，如何建立化工仿真培训应用行为的大数据和对大数据的应用，也初露端倪。

4 化工领域的虚拟仿真培训系统的发展历程

从仿真系统三要素的角度，回顾一下这些年虚拟仿真培训系统（不包括工业设计类的仿真系统）在化工相关领域的发展历程。

4.1 从算法模型角度看

算法是专业内涵可以实现的基础。这些年化工仿真培训系统的专业内涵设计，向两个维度发展——“深度”和“宽度”，详见表3。

4.2 从人机交互界面看

仿真培训系统的人机交互界面，就是利用计算机图形技术、多媒体技术、包括三维建模技术等高新技术手段,能够在计算机上构建一个逼真的，和真实世界尽可能接近的，具有视、听、触等多种感知的模拟现实场景，用户可以及时、不受限地观察虚拟环境中的事物，同时通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境的感觉。人机交互界面的逼真度，对培训的效果，受训者的参与感都有着最直接的影响。这些年的发展历程，详见图2和表4。

表3 算法模型向深度和宽度发展

4.3 从辅助教学/培训管理系统看

图2 人机交互界面的演进

表4 人机交互界面的阶段性技术特点

作为服务某种教学组织目的子系统，一般包括：任务引导和在线评价模块；单人/多人组队和角色选择模块；单机/网络应用模块；事故或培训任务自定义模块。辅助教学培训管理系统，是实现教学组织，考核评定的必要工具，这些年的发展历程，详见表5。

5 化工虚拟仿真培训系统最流行的几种新技术应用和未来发展趋势

5.1 3D虚拟现实技术的大规模应用在加速，对算法的要求也更高

现代化工教育的发展与科学技术变革是紧密联系和相互作用的。随着3D技术，虚拟现实技术的日益成熟，现代化工教育发展将迎来一个崭新的时期。国家虚拟仿真实验室主任、中国工程院院士、教育部原副部长赵沁平指出，2016年是中国虚拟现实技术发展元年[4]，标志就是伴随着虚拟现实硬件设备成本的降低、内容的丰富，虚拟现实技术一定会得到更加广泛地应用。

3D虚拟现实技术的应用本质就是人机界面不断进化的结果，因为3D人机界面建立了不同于二维软件的空间感，有利于3D虚拟仿真软件可以包含更多的培训内涵，这也必然导致3D软件对算法模型的要求也更高。相对于传统二维的仿真教学软件，3D虚拟现实仿真软件在应用上主要有表6所列的不同。

表5 辅助教学/培训管理系统的阶段性技术特点

5.2 网络化在线培训带来更多全新的教学应用场景和应用模式

2017年8月，中国互联网络信息中心（CNNIC）发布了第40次中国互联网络发展状况统计报告[5]。截止2017年6月，中国在线教育用户规模达1.44亿，较2016年底增加662万人，其中，手机在线教育用户规模为1.20亿，与2016年底相比增长2 192万人，增长率为22.4%。“互联网+教育”真的来了，而且很有可能一下就进入了“移动互联网时代”。

一个摆在职业教育面前的是事实压力是——越来越大的生源压力，职业教育也是需要思考如何借助互联网寻找新的生存和发展路径。因此，职业教育要借助互联网工具，从过去单纯面向培养全日制学生向面向学生和成人兼而有之的方向转型。以服务学生发展和提升服务企业能力为出发点，在专业建设、课程开发、教育教学组织上，都要跟上行业企业转型发展的步伐。目前中国化工教育协会推动的“国家开放大学石油和化工学院”的工作已经启动，就是一个非常好的尝试。

为说明在线仿真应用的一些进展，列举了东方仿真的仿真软件在化工类技能实践大赛赛前培训和化工类院校在线应用和本地应用情况统计变化曲线来说明在线仿真应用的一些进展。跨越时间、空间，在很短时间覆盖几十所院校上万人次的培训，只有在线培训才可以实现，如图4所示。化工类院校在线应用和本地应用情况统计变化曲线，如图5所示。在2017年6月，仿真软件在线应用用户数第一次超过了本地应用用户数。

表6 传统二维工艺仿真教学软件与3D虚拟现实仿真软件在应用上的区别

图3 工段级顶岗实习仿真

5.3 手持设备进课堂不可阻挡

上面CNNIC在2017年的报告中，也提到了手持设备在教育领域的加速应用。在化工职业教育领域中，手持设备的应用相对普通教育才刚刚开始。但强调以学生为中心，主张学生由外部刺激的被动接受者和知识灌输对象转变为信息加工的主体和知识学习的主动吸纳者，教师由知识的传授者变为学生学习的帮助者和促进者的趋势非常明显。手持设备上的仿真软件的设计和原来传统的课堂上的辅助老师授课用的各类课件和软件明显不同。

手持设备+资源库+微课+仿真APP与教材，设备的整合，形成的伴随式移动课堂，如图6所示。这个将教材和手机应用整合的例子有一些明显的特点：

⑴ 是对原有技术手段升级后带来的革命性的应用体验提升。手机扫描二维码引导资源库，是对传统书配光盘模式的升级；手机APP模式的仿真软件，是对PC版仿真软件的升级。优化和提升的效果体现在应用地点的选择方便性上、在获得知识的速度上、在软件后期可持续完善迭代升级的频率上。

⑵ 真正实现了随时随地的伴随式教学指导，而且学生是应用的主体。

⑶ 基于手机，可以更方便的推动学生之间，学生和老师之间的互动。

因此，仿真软件和手持设备的结合应用，相对传统的PC应用，在应用的时间和空间上都得到了进一步的扩展，可以更好的实现伴随模式的教与学——在手机进课堂引入后，学习从“边看边思考”的过程转变成了“边看边操作”的过程，大大改变了原有的学习学习和教学组织模式。但手机进课堂后，一方面带来了“移动性”“便捷性”，另一方面也带来了一个巨大的全新挑战——老师如何推动学习者能够在“碎片化”的环境下尽可能完成每一次有意义的学习任务；如何重新安排和设置一个有趣的课堂，可以让学生利用手机进行学习，而不是作为娱乐的工具，还需要更多摸索和尝试。

图4 短时间覆盖众多院校的大规模在线培训

图5 2017年6月化工仿真软件在线应用第一次超过了本地应用的用户数

图6 伴随式移动课堂

5.4 软硬结合半实物仿真装置技术仍然是目前综合实习/实训的最好载体

随着2007年全国首套不走真实物料的半实物仿真工厂在上海信息学校落成，仿真软件与微缩实体装置相结合的半实物仿真工厂正式开启了在学校应用的时代。经过近10年的发展，半实物仿真工厂这种新的技术形态也得到了进一步的完善和发展。

一套具有代表性的模拟化工生产工艺装置的实训系统应该包括：静设备、动设备、反应器，塔设备、各种阀门以及相关仪表（流量、液位、压力表等）组成。所有DCS操作在仿真DCS上操作完成（就是仿真软件），现场阀操作在装置现场真实操作（和真实装置的操作一致），现场仪表和中控室DCS操作站反应的工艺参数变化来源于“数学模型模拟计算出的参数”，如图7所示。

虽然半实物仿真装置有了硬件，但其本质的核心还是运行在实训系统后台的工艺机理模型，只是人机交互界面从单纯的软件改变成有软件（中控室中的仿DCS软件），有硬件（现场装置上的阀门操作）。精确的工艺机理模型算法做支撑依然是半实物仿真装置的精髓。

一套完整的半实物仿真装置的一般从表7所列三个维度体现出其技术水平指标。

当前半实物仿真装置作为一种面向多专业综合实习的教学平台，未来可能的三个发展趋势，见表8所列。

6 问题与展望

虚拟仿真技术作为一项近年新兴的科学技术，还处在一个不断探索前进与不断完善的阶段。从目前来看，从教育部门、到学校、教师都已经认识到了虚拟仿真技术对于职业教育实践性教学环节巨大技术应用潜力，以及未来可以起到的重要作用。但在实际应用中，依然存在着许多问题亟待解决，笔者认为虚拟仿真技术，当前还是处于与教育、培训等领域不断地相互适应和相互匹配的阶段，是“巨变的前夜”。

6.1 期待学校硬件配置能满足技术发展需求

虚拟仿真技术对计算机及相关硬件的要求比较高，许多学校原来的硬件还不能满足对虚拟仿真技术应用的需要，对一些学校还存在经济上的负担。但笔者认为，这个因素的瓶颈随着技术的发展应该会很快消失。

6.2 期待相互兼容的统一标准

图7 模拟化工生产工艺装置的实训系统的构成

表7 半实物仿真装置的技术水平指标

教学类虚拟仿真软件作为信息化辅助教学的一种新的技术手段，因为发展的时间比较短，所以质量还有待提高，对虚拟仿真技术的研发标准也不统一，尤其是在目前越来越多的计算机辅助教学课件，软件，学习支撑平台相互交织使用越来越多的情况下，如何做到标准统一，推动相互兼容，方便内容和体系的整合，是虚拟仿真技术应用可以进一步推广和放大的关键因素之一。但如何鼓励百花齐放，又可以推动建立统一标准，从而降低社会的总体交流、分享、运营成本，从来都不是一件容易的事情。

6.3 期待新的教学理论支撑

虚拟仿真软件的应用越来越依赖网络，在线应用也更加普遍，手持设备的应用也越来越多，云端的大数据对用户的作用越来越重要，但这些都是建立在相互开放，更多以学生为中心的核心理念之上的，这对传统的教学组织形态，教学管理模式和教学理念都是一个巨大的改变和挑战，无论对学校，还是对老师都是如此。所以，在面对“虚拟仿真+移动互联网”这样颠覆性的新技术应用推广时，及时地提出和建立新的符合时代需要的教学理论支撑体系尤其关键。

6.4 期待院校与公司协同创新

虚拟仿真软件的开发相对先前的多媒体课件、资源库的开发，在技术复杂度上，在后续技术维护上，在开发周期和资金投入上，都提升很多。仅依靠学校和教师个人的参与和投入是明显不够的，只看重开发研发形成1.0版的产品也是不够的。这就必然需要让第三方技术公司加入，与学校一起参与到虚拟仿真技术在教学应用全周期过程中——参与研发/开发、提供使用过程中的持续技术支持，提供后续持续不断地迭代升级，协同创新。那么学校，技术公司之间如何分工，建立这么样一种合理的运营模式也都是一个全新的课题。

表8 实物仿真装置未来可能的三个发展趋势

总之，在这个技术飞速发展的时代，抱着一颗开放的心，接受新事物，理解新事物，应用新事物，顺应时代潮流的发展，最终完成自身的迭代更新、体系升级，效率提升是所有行业都面临的课题，化工教育也不例外。特别需要利益相关方（政府、学校、教师、公司）共同努力，相互合作，在先进的工具和技术基础上，一道开辟助力中国制造业人才素质培养提升的现代化工教育发展之路。

[1] 中华人民共和国教育部.教育信息化十年发展规划（2011-2020年）（教技〔2012〕5号）[Z].2012-03-13.

[2] 中华人民共和国国务院.国务院关于加快发展现代职业教育的决定（国发〔2014〕19号）[Z].2014-06-22.

[3] 中华人民共和国教育部办公厅.教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知（教高司函〔2015〕24号）[Z].2015-06-04.

[4] 赵章红.以虚拟现实技术助推职业教育发展[N].河南日报，2016-11-16（14）.

[5] 中国互联网络信息中心（CNNIC）.第40次《中国互联网络发展状况统计报告》[EB/OL].http://cnnic.cn/hlwfzyj/hlwxzbg/hlwtjbg/201 708/P020170807351923262153.pdf，2017-08-03.