基于虚拟仿真技术的《化工设计》课程教学改革研究

徐环斐，刘月涛，王 政，高传慧，丁 丽，田文德

(青岛科技大学 化工学院，山东 青岛 266042)

2019年教育部高教司强调要持续通过互联网+教育和智能+教育等方式实现高等教育变轨超车。要面向未来，推进信息技术与教育教学的深化融合。在之前2018年召开的新时代全国高等学校本科教育工作会议中，150多所高校认真学习贯彻《教育信息化十年发展规划(2011-2020)》，并进行一流本科教育宣言，要致力于变轨超车，将继续深入推进互联网+高等教育，打破传统教育的时空界限和学校围墙，改革教学形态，教育形态和组织形态。 2018年4月教育部提出的《教育信息化2.0行动计划》强调要将知识资源数字化、平面资源立体化，实现互联网的大资源化[1-3]。

化工设计课程的教学目标是面向社会需求，培养服务于化工行业的拔尖创新型人才和卓越工程师人才。学生掌握化工设计的基本工作程序、了解化工工厂设计的内容、和相关的设计图纸、表格及文档，实践一个化工工厂的全过程，从厂址的选择到设备的设计和布置到开车试运行等全部过程。本课程的学习是对化工基础知识等传统教学模式的延伸和拓展，是一门综合性很强的学科，内容庞杂，概念较多，要求学生的实践性和创造性较强。化工设计课程是与其他高等教育基础课程和化工类专业课程互相渗透同时紧密相连，用到了高等数学、物理、化工伦理学、化工原理、分离工程、反应工程、机械制图、流程模拟等诸多知识，是化工类本科学生需要重点掌握但同时又表现出了相当大掌握难度的一门专业必修课。虚拟仿真是利用计算机等设备进行人机交互，给体验者创造一个实时反映实体对象变化的三维虚拟世界,并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，提供体验者一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。虚拟仿真技术有诸多优点，如多感知性、存在感、交互性、自主性、沉浸感、构想性等；其在机械制造、自动化、医疗、药学、化工、土建等多个专业教育领域有着广泛的应用。化工类高等院校通过虚拟仿真技术积极拓展化工专业课程建设，提高本科生的学习兴趣，优化教学模式，提高学生思维能力和解决实际工程问题能力，通过实现线上线下的虚实结合，增加了学生的参与度，提高了《化工设计》课程教学品质。

1 《化工设计》教学现状

《化工设计》课程以化工工厂设计为对象，系统讲授化工工厂设计的工作程序、国家和行业内的相关政策和规范、化工计算、设备的选型和设计、车间布置设计、管道设计、技术经济、非公用工程设计等知识。具有综合性(多专业基础课知识的综合与集成)、实践性(面向实际化工工艺设计、化工厂设计的工程运用)等特点。目的是培养学生综合运用所学理论知识解决工程技术问题的能力和创新意识，让学生了解化工设计基本原则、工作程序、工作内容、设计文档编制方法以及现代工具的应用，经历从单元过程到完整流程再到化工厂的设计全过程，为培养从事化工设计(包括化工工艺设计乃至化工厂设计)、化工生产管理方面的化工人才打下基础。

目前课程的理论教学部分主要采用以“教师授课为中心”的传统课堂授课模式。表现形式为以教师在课堂上进行系统讲解，而这种形式，难以激发学生的潜在兴趣和思维创造能力，学生在课堂上的整体参与度不高[4]。考虑到本科生在本科教育期间对真实化工工厂设计建造案例接触的机会较少，化工工厂设计实践教学资源非常有限，学生对车间厂房、仪器设备、管路走向等三维立体空间的构造比较陌生，不利于学生对知识的灵活掌握和运用，也不利于化工类学生毕业后在化工设计领域的工作发展。

同时，考虑到化工工厂设计实践的安全性和操作性、化工工厂设计的空间要求、技术难度、学生人数较多、学时较少，很难全覆盖的进行实际工厂设计的相关演练。因此，急需大力发展虚拟仿真技术为基础的互联网+《化工设计》教学体系，在虚拟世界中绝对安全的环境下实现可覆盖全体学生的沉浸式参与化工工厂的设计建造，增强学生的参与度，综合培养学生的综合能力，以弥补目前教学环节中的不足[5]。

2基于虚拟仿真技术的《化工设计》课程教学的优势

利用虚拟仿真技术，有望实现《化工设计》课程教学改革，通过多方面优化应用，解决目前课程存在的化工工厂设计的难操作、难参与的诸多问题。

2.1 三维体验沉浸感好

实现三维立体环境的体验，形象逼真，具有良好的沉浸感和多感知性，是虚拟仿真技术的突出优势[6]。学生可以在化工工厂某一车间内进行多感官的体验，利用视觉体验、听觉体验甚至是触觉体验来感受车间内各设备的平面布置和立面布置，感受设备之间连接的各管道的布置。通过在化工厂中进行漫游，感受厂区不同区域布置及思考为何进行如此布置，体验工厂的发展用地，公用工程设计。或清除现有设计，在原始地块上进行完全重新的布置，对生活区、生产区、行政区、配电室、中控室、发展用地等进行统一设计规划。通过三维模型等手段，将现实中难以进行的复杂化工工厂建设内容进行再现[7]，实现学生对化工工厂设计各知识。点的综合应用，实现学生和化工工厂的动态交互。以行业内大量实际数据作为数据库支撑，以书本理论知识作为导向，构建虚拟仿真的化工工厂设计环境和三维模型，模拟设计过程，以更贴近现实的手段解决本课程的知识点太抽象并且难体验问题[8]。

2.2 安全性高

今年，化工行业出现多次重大安全事故，安全问题再次引起各界关注和重视。早在2016年4月，国务院安委会办公室即下发了关于重大事故的工作文件《标本兼治遏制重特大事故工作指南》，要求构建安全风险分级管控和隐患排查的双重预防机制，是遏制重大事故的重要举措。化工设计课程是化工专业必修课，内容也涉及了诸多安全问题。在化工工厂的设计过程中，从原材料的入场，到工艺流程的展开，到设备的运行检修等各个阶段都包含了化学品安全问题、建筑物构筑物安全问题、设备安全问题、运行安全问题、防火防爆问题等[9-10]。目前，很难让学生在现实化工厂环境中去演练设计过程，学生掌握知识，运用知识解决实际问题时，有不熟悉到熟悉的过程，在此过程中难免会出现错误动作，但若现实情况下出现错误设计，将出现安全问题，甚至引起重大人员伤亡及财产损失。在此背景下，虚拟仿真技术和化工设计课程结合便凸显出安全性的绝对优势。以虚拟仿真技术为载体的多媒体情景模拟，可以让学生在理论讲授环节之后，展开实际案例的模拟教学环节。如典型设备的控制方案这一章节中，学生可以在VR场景中进行泵、压缩机、换热器、反应器、蒸馏塔的自控设计和修正。在VR场景中感受常见设备事故，并进行常见事故应急处置培训，如对带压容器的安全生产培训和紧急制动连锁停车后处理的培训。安全问题是化工设计课程讲授重点，通过虚拟仿真技术，可以保障本课程在安全环境下顺利开展。

2.3 授课的灵活性高

基于虚拟仿真的技术，可以突破教室授课的空间、时间和参与人员的局限性，从而大幅度提高化工设计课程授课的灵活性。虚拟仿真技术配合网络平台，形成互联网+化工设计课堂，可贯穿整个专业课讲授阶段。在进行课堂教学之前，课程讲授团队老师即可在平台上发布模拟场景和制定学习任务，学生可以通过手机客户端、电脑客户端、平板客户端进行随时随地的化工设计课程线上学习。化工设计课程和虚拟仿真技术结合之后，可以实现在平台中给出视频、动画、类似游戏任务等的多形式教学模块，并配备现实工厂的生产实景和案例说明，以激发学生学习兴趣，实现课堂外无空间和时间局限的灵活性自学环境。同时，根据学生进度的不同，学生可以自主调至某一章节，进行复习巩固所学知识。学习程度比较好的学生，自学能力比较强，可以走在课堂教学的前面，进行后面即将讲到章节的预习，实现了通过虚拟仿真技术和化工设计课程的结合，构建了针对不同学习能力的学生，高弹性、灵活辅助的自学机制。

2.4 学生参与度高

针对课堂教学中学生参与度较低的问题，虚拟仿真技术可以获得很强的沉浸感，加案例情景教学中类似做游戏攻关一般的特点，可以大大提高学生的参与度。比如在化工设计课程中的非工艺专业这一章节，主要讲授公用工程的设计，给排水、供电、供热及冷冻工程、采暖通风和空气调节、土建设计和自动控制、安全与环境保护中的燃烧爆炸和防火防爆、防雷设计、环境污染及其治理等内容[8]。在虚拟仿真教学环节，通过三维模型和VR体验实现逼真的虚拟化工工厂场景和典型事故案例。学生身临其境，以第一人称的感官体验和视角感受整个事故发生的全部过程和参与到紧急处理环节。学生积极主动参与到应急处置和案例分析过程中，如触电处理、爆炸处理、火灾处理、人员中毒处理、危险化学品泄漏处理、厂房爆炸坍塌、高空动火作业、原料输送离心泵着火、储罐液位偏高或者偏低引起的连锁停车事故等。通过VR技术，学生沉浸在场景中，经历的事故的发生发展，亲历事故的处理，感受到了某些设计不妥或者操作不当引起的灾难性后果，感受到巨大的化工工厂带来的冲击，体验结束后学生分小组进行讨论，交流学习的知识和经验，巩固对化工设计相关知识点的理解和掌握。这种由虚拟仿真技术带来的交互性有着强大的吸引力，可以提高学生的自主学习能力，激发兴趣，增强学生的能动性和参与感。

3 总结

基于虚拟仿真技术的化工设计课程是在互联网+大背景下应运而生的混合式翻转课堂模式，能够有效的激发学生对本门课程的兴趣，提高了学生综合运用知识解决实际工程问题的能力，最终实现优化了化工设计课程的教学效果。同时，通过虚拟仿真和化工类专业必修课的结合，推动了工业4.0时代的改革和教育2.0时代的需求，推动“六卓越一拔尖”计划，满足了国家对教育的战略性调整，和对高等教育提出的变轨超车要求。开发了学生的创新能力，促进了化工设计课程在培养卓越工程师计划中的作用。因此，基于虚拟仿真技术的《化工设计》课程教学改革研究十分重要，为将来"互联网+化工"多层次人才培养研究提供了有力的指导。