虚拟仿真技术在化工实习实训教学中的应用探讨

赵志刚，冉茂飞

(西南民族大学 化学与环境保护工程学院，四川 成都 610041)

1 引言

化工行业在我国国民经济中占有重要地位，是国家的基础和支柱产业之一[1]。由于化工生产过程涉及高温高压、易燃易爆和有毒有害原料等问题，行业对动手能力强与解决实际生产问题能力出众的工程人才有着强烈的需求。目前，大多数高校开设的化学工程与工艺专业就是面向社会培养从事化工应用及相关工作的专业人才。目前，各高校多采用进驻化工企业进行生产实习实训，为学生建立理论联系实践的机会，培养学生在化工生产中的实际操作能力[2-3]。通过在工厂接触生产现场，学生可以了解工艺流程，掌握设备运行指标，分析探讨各类生产过程中的突发事件，提高提出问题、分析问题、解决问题的能力，进而增强就业竞争力，更好地为社会服务[4]。

然而，在实习过程中存在很多客观问题影响了进厂实习实训的教学效果：1.教学计划中要求的学生总实习时间达半年以上，且要进行上百人规模的综合实训，这些是很多化工企业难以承受的。2.企业出于安全性考虑，严格限制学生实习时的时间和范围，甚至实习时要求学生只能看不许碰，而很多管路设备都进行了包裹处理等，导致无法看到管路或设备的真实情况，学生实习参与度很低[3]。因此这些问题使学生在企业综合实习的教学目的无法完全达到，学生不能获得亲身参与生产实践活动的真实体验，远远没能达到实习教学的目的，造成了学生在实践能力培养中的缺失。随着信息技术的发展，虚拟仿真技术日益成熟，使得借助虚拟装置设备进行实验实习教学成为可能。

根据《教育部关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知(教高司函[2013]94 号》中提出的"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。要求各高校分年度建设一批具有示范、引领作用的虚拟仿真实验教学中心，持续推荐教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新"精神，西南民族大学化学与环境保护工程学院于2016年建设了四川省省级化学化工类虚拟仿真实验中心。在随后的教学中，中心针对化工实验实习教学中存在的问题，对虚拟仿真实验教学进行了有益的探索，以期能提高学生的化工综合实训效果。

2 化工虚拟仿真的意义和作用

随着多媒体技术、网络教学、远程教育的兴起，使高校各学科的教学模式发生了巨大改变，教育信息化已引发高等教育改革教育理念和教学模式的深刻革命[5-6]。从目前全国各高校开展的情况来看，虚拟仿真技术在化工实习教学中有着很多突出的优势：(1)日臻成熟的虚拟现实技术，将以往实习中大规模、高消耗、高危险性、大型综合等化工实习实训教学内容，以数字化动态模型及3D 虚拟现实仿真的形式，让学生在安全、经济的实训条件下可以不受时间和空间的限制而进行实习实训练习。(2)虚拟仿真实践训练提供生动、逼真的虚拟工厂学习环境，通过模拟工厂开车、停车、正常运行和各种事故现象处理，使学生在虚拟工厂中获得感官上的体验和互动。而且计算机真实地再现生产中的化工单元过程，使学生在学校里就可以达到企业中管理各生产设备的效果，学生可以更深刻理解和综合应用所学的专业知识，进而培养学生分析和解决生产操作中各种问题的能力[3]。(3)培训内容可以不断更新，使实践训练及时跟上各化工新技术的发展。特别是通过鼓励学生将创新实验项目的实验内容开发成为到化工虚拟仿真软件有效地提高了学生创新能力的培养。

3 虚拟仿真实验教学平台的建设与实践

西南民族大学化学化工类虚拟仿真中心依托西南民族大学四川省省级实验教学示范中心与化学工程与工艺四川省级卓越工程师计划而建。虚拟实验中心本着"虚实结合，相互补充，能实不虚"的建设原则，结合自身民族高校化工专业的教学特色和化工专业实训的教学目的和要求，将理论教学、实验训练、企业实训和虚拟实训有效结合。目前中心虚拟仿真模块已经用于学校化学化工类10余个专业的仿真实习、化工实训、认识实习、化工原理仿真实验、专业课程设计、毕业设计等教学实践环节，构建了由基础实验仿真模块、专业实验仿真模块及生产实训仿真模块3大虚拟仿真实验结构体系，如图1 所示。作为其中重要的部份，生产实习实训仿真模块除了经典的传统化工工艺(合成氨、合成甲醇)仿真，还有以民族地区特色化工产品生产工艺、优秀教师的创新设计项目等特色内容开发的一系列拥有知识产权的仿真实训软件，见于图2。虚拟仿真实训平台的建立实现了化工各专业实验与实习实训的交叉与延伸，有助于现代化工技术复合型人才的培养。

图1 虚拟仿真中心的实验教学模块

图2 生产实训模块包含的主要教学内容

4 虚拟仿真生产实习的教学实施简介

4.1 实习前预习

在学生进行虚拟仿真实习前，应安排学生在规定的时间内了解相关产品的生产工艺特点、生产主要设备、行业现状和前景等背景资料，进而了解实习企业及相关行业的现状和前景。通过虚拟仿真平台可以通过很多方式进行有效的实习预习，如学生登录平台后，可以通过图文阅读和视频演示，学习工艺原理、设备构造和使用方法、工艺流程和其他相关扩展知识。在了解完一定的背景知识后，按照实习报告的写作要求拟好自己关于实习过程的相关问题，以便通过仿真实训得到答案，达到预习实习的目的。

4.2 虚拟实训平台上完成实习实训

中心虚拟仿真教学平台具有网上选课、信息发布、互动交流和成果展示等功能。通过网上选课功能，学生可采用个人电脑、iPad等设备登录虚拟实验平台方便地远程登录系统，并选择合适的虚拟仿真实验项目，见于图3，图4；在虚拟仿真实训过程中，学生在3D虚拟仿真工厂里以角色扮演(role playing)的形式在工厂中与软件中设置的企业管理人员进行互动学习，掌握生产安全知识、化工设备结构与原理等重要知识点，见于图5。虚拟化工实习软件在这个实习过程中设置了一定量的实习任务，每当学生的角色完成了一个任务后会获得奖励，这样类似游戏软件的实习方式有效地提高了学生在虚拟仿真实习软件中练习的积极性。

同时，仿真实习软件利用计算机虚拟现实技术对实物设备和化工过程进行仿真模拟，通过与实际化工过程中相同的DCS 控制系统和现场实操两种操作方式对典型化工单元操作过程中的开停车及正常生产等内容进行操作练习，见于图6，7。这样的实习方式弥补了传统企业实习中学生无法亲自动手操作的不足，使学生对实习的化工工艺路线、控制方式及常规故障处理等操作有了更深的理解和掌握。

图3 虚拟仿真实验平台远程登录系统

图4 虚拟仿真实验项目的选择

图5 虚拟仿真实习中与工作人员的互动学习

图6 虚拟仿真实习中DCS操作系统的操作练习

图7 虚拟仿真实习中现场实操练习

图8 虚拟仿真中数据的采集与分析

4.3 实习实训的评价

在学生进行了各项实习操作练习后，虚拟仿真软件可以对模拟实验操作中实时测得的数据进行收集分析，进而在线出具实验报告。实验结束后，系统可根据预定评分标准完成成绩评定。这样就达到了对学生实习教学效果进行量化考核的目的，改变传统过程中只能依靠实习报告评阅这样简单、低效的评价方式，提高学生实习过程中的实习效果。

5 结语

采用计算机技术进行化工虚拟仿真实习的方式，不仅克服了传统企业实习中化工过程高危险性、高污染及高成本等困难，而且使学生突破了实习中时间和空间的限制。利用虚拟仿真技术，不仅强化了实习的教学效果，使得教学内容更具感染力和吸引力，更增加了学生的进行化工实际操作的实践机会，提高了学生的动手能力和处理故障的能力，为学生培养工程实践能力提供一大助力。