化工装备技术专业虚拟仿真教学平台的建设

商建平

摘要：鉴于石油化工装置中的大型化工装备无法被建成实体的维护检修实训室，考虑到当前有利的政策和信息技术支持下，研究并创建了大型化工装备维护检修虚拟仿真教学平台。该虚拟仿真教学平台弥补了高等职业教育化工装备技术专业没有大型化工装备实训室的空白，加大了校企合作、产教融合深度，提高了教学质量和办学水平，同时大大降低了安全风险和实训操作成本。借助该虚拟仿真教学平台，不仅使学生能够很好地掌握大型化工装备维护检修技术和技能，达到零距离上岗，而且使石油化工企业职工得到前所未有的良好培训，在大检修间隔期越来越长和检修质量越来越高的当今，可为石油化工企业创造更大的利润。

关键词：高等职业教育教学;化工装备技术专业;虚拟仿真实训建设

中图分类号：TP311    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）30-0227-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research and Practice of Virtual Simulation Teaching Platform for Chemical Equipment Technology Specialty

SHANG Jian-ping

（College of Mechanical Engineering， Lanzhou Petrochemical Vocational and Technical University， Lanzhou 730060， China）

Abstract： In view of the fact that large-scale chemical equipment in petrochemical plants could not be built into a physical maintenance and repair training room， and taking into account the current advantageous policy and information technology support， the virtual simulation teaching platform for maintenance and repair of large-scale chemical equipment is studied and established. The virtual simulation teaching platform makes up for the lack of large-scale chemical equipment training room in the major of chemical equipment technology in higher vocational education， increases the depth of the cooperation between school and enterprise， the integration of production and teaching， and improves the teaching quality and the level of running a school， at the same time， it greatly reduces the training safety risk and the training operation cost. With the help of the virtual simulation teaching platform， not only can students master the maintenance and repair technology and skills of large-scale chemical equipment well， and achieve zero distance on duty， but also make the employees of petrochemical enterprises get unprecedented good training， in the long interval of overhaul and the high quality of overhaul， petrochemical enterprises can make more profits.

Key words： higher vocational education teaching; chemical equipment technology specialty; virtual simulation training construction

1 建设背景

现代信息技术的应用为提高教学质量提供了坚实基础条件，在众多教学方法或教学手段改革实践过程中，虚拟仿真教学成为当前高等教育改革的热点之一[1]，这已经体现在了普通本科教育教学改革中。2013年8月，教育部决定开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，充分体现了虚拟仿真教学在高校实践教学体系中的重要地位。目前虚拟现实技术作为信息技术的代表，同多媒体技术、网络技术公认为三大前景最好的计算机技术。根据《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》的指导意见，教育部在2013～2015年启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，得到了社会各界的积极的响应和支持，已遴选出300个国家级虚拟仿真实验教学中心。为推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实驗教学新模式，教育部2017年印发了关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知，计划到2020年遴选出1000项示范性虚拟仿真实验教学项目。

其实，高等职业教育早在2006年就已经开始重视现代信息技术在职业教育教学中所起的作用。教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》（教高〔2006〕16号）中明确指出：“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验。”2012年3月，教育部颁布的《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》中同时也指出职业教育信息化是“教育信息化需要着重加强的薄弱环节”，并提出“加快职业教育信息化建设，支撑高素质技能型人才培养”的发展任务。《教育信息化2.0行动计划》指出，虚拟仿真实训教学平台是教育信息化数字资源的重要组成部分。具有“突破时空限制”“快速复制传播”“呈现手段丰富”的独特优势，是提高职业教育教学质量的重要手段。虚拟仿真教学资源的有效应用、虚拟仿真教学的大力开展，对于实现信息技术与教育教学的深度融合，引领教育信息化从而引领教育现代化具有重要的意义[2]。

《中国教育现代化2035》也对中国教育信息化提出了更高的期望，在新型教学模式上，要坚持以虚拟为载体、学生为中心、在线为常态的原则，探索AR、VR技术与力反馈技术的融合，在模拟真实情景的同时深化学生的具身认知，进一步推动在线教育教学场景化体验的升级[3]。在当前全国范围内开展普通本科教育和职业教育信息化的大背景下，我们早就开始考虑很有必要建设大型化工装备维护检修虚拟仿真教学平台。

2 实训室现状

我们在校企合作、产教融合的基础上，严格按照企业小型化工装备的维护检修规程，已经建成了由小型化工装备组成的化工装备实训基地。基地现有七个实训室，全部都可以完全满足高等职业“化工装备技术”专业教育教学、各类职业院校技能大赛培训和石油化工企业职工培训的需求。这七个实训室分别是泵检查修理实训室、压缩机和通风机检查修理实训室、化工设备检查修理实训室、管道安装实训室、流体输送实训室、设备动态监测实训室和通用件检查修理实训室等。

泵检查修理实训室有叶片泵、容积泵和其他类型泵等117台，能够完成泵的零部件拆装、检查和修理，还能为参加各类大赛的在校学生和企业职工进行赛前培训;压缩机和通风机检查修理实训室有V型压缩机、离心通风机和离心式压缩机等16台，能够完成小型V型压缩机、离心通风机的拆装、检查和修理，而离心式压缩机只能进行结构的观察和原理的理解;化工设备检查修理实训室有列管式换热器、板式换热器、螺旋板式换热器、套管式换热器、反应器和塔节等25台，能够完成常见化工设备的拆装、检查和修理;管道安装实训室有各种阀门、管法兰、弯头、三通和管段等280件，能够完成按照管路工艺图安装管路，有法兰连接、螺纹连接和管路试压操作，还可以进行管件制作等;流体输送实训室有一套由三台离心泵、一台往复式泵、储罐、管路、各种仪表和变频器等组成的流体输送装置，能够完成不同管件流动损失的测定、不同转速下的离心泵流量—扬程性能曲线测定、离心泵串联和并联流量—扬程性能曲线测定和管路特性曲线测定等;设备动态监测实训室有一套状态监测和故障诊断操作软件、硬件、各种探头和应力测试软硬件等19台/套，能夠完成动设备的监测与故障诊断和静设备的应力测定等;通用件检查修理实训室有与化工装备有关的通用机器、零部件和机械装调实验台等150件/台，能够完成机械原理和机械零件结构和原理的理解、齿轮减速器的拆装和为参加各类机械装调大赛的在校学生和企业职工进行赛前培训等。

3 建设必要性

大型化工装备主要是指石油化工装置中的轴流式风机、离心式压缩机、活塞式压缩机、工业蒸汽轮机、烟气轮机、管式加热炉、催化裂化反应器、加氢反应器、大型列管式换热器和各种完整塔设备等化工装备，属于石油化工装置中的重大机组和设备。大型化工装备的维护检修将直接影响着石油化工生产的安全性、稳定性、长周期性、满负荷性和优化性，即“安、稳、长、满、优”。大型化工装备的一线维护检修人员大多数是高等职业院校“化工装备技术”专业的毕业生。所以，高等职业院校“化工装备技术”专业人才培养所需的优良大型化工装备维护检修实训资源是保障石油化工装置“安、稳、长、满、优”生产的初始条件之一。然而，对于大型化工装备，考虑到实体维护检修实训室的设计难度大、建设费用高、占用场地大、安全性差、可操作性差等原因，一直没有建成大型化工装备维护检修校内和校外的实训室。

面对大型化、高新化的大型化工装备，学生在学习中无法实现动手操作。只从书本中进行学习是很难理解大型化工装备的整体和细小结构、工作原理和维护检修知识。专业教师有可能的话也只能是在企业挂职锻炼时才能够到大型化工装备维护检修现场进行观摩学习，无法提升技术和技能。这种教学环境根本无从谈及使学生掌握大型化工装备维护检修实际的技术知识和操作技能。目前已经成为“化工装备技术”专业职业技术教育发展的瓶颈[4]。一方面是高等职业院校“化工装备技术”专业毕业的学生很难胜任大型化工装备维护检修工作，另一方面是石油化工企业用人单位找不到合适的毕业生，只能等到大型化工装备大检修时慢慢培养在职职工，这样的机会要间隔三年以上才会遇到，大大增加了职工培训费用和人工成本。

2020年9月国务院九部委发布的《职业教育提质培优行动计划（2020—2023年）》中要求，旨在加快推进职业教育现代化，促进职业教育和产业人才需求精准对接。通过大型化工装备维护检修虚拟仿真教学平台的建设，将学校教育方式转化为以学生为中心的教学模式。为学生提供全时段全方位的理论与实践学习资源，帮助提升岗位核心竞争力，为学校提供新的理实一体化教学模式，提高信息化教学水平，最终实现校企在人才培养上双向互助，提升社会服务能力。借助该虚拟仿真教学平台，可以培养学生熟练掌握大型化工装备维护检修操作应有的各项技术和技能，达到与石油化工企业零距离上岗的要求。该虚拟仿真教学平台的建成，不仅可以增强学生的学习兴趣，提高“化工装备技术”专业的教学质量，而且可以在全国范围内乃至在国际范围内提升同行业的竞争力。

4 建设可行性

4.1 政策支持

2020年10月，教育部职成司正式发布《关于开展职业教育示范性虚拟仿真基地建设工作的通知》，明确提出发挥职教集团推进企业参与职业教育办学的纽带作用，建设100个示范性虚拟仿真实训基地。经过我院的申报，大型化工装备维护检修虚拟仿真教学平台为省教育厅专项资金建设项目。

4.2 虚拟仿真技术成熟

4.2.1 VR技术

利用计算机产生三维立体的图像，在佩戴VR视镜的情况下，可使学生全身心地投入到计算机创建的三维虚拟VR石油化工装置工作环境中，该环境中的大型化工装备，看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，就像在真实石油化工装置的客观世界中一样，能给人一种身临其境的感觉[5]。

4.2.2 3D技术

三维虚拟现实场景以真实场景为背景设计展现在电脑屏幕上，使用3D虚拟平台，与真实场景具有一致性。操作者可交互完成漫游、搭建、认识实习、虚拟操作等过程。从而使教师和学生在操作时心情愉快，获得较高的沉浸感。解决了大型化工装备的“见不到、想不来、动不成、难对应”等难题，促进了大型化工装备的理论与实践相统一和知识与技能相统一，大大提高了大型化工装备的教学效果。

5 建设方案

大型化工装备虚拟仿真教学平台的研究开发是在职业教育学院、石油化工企业和仿真制作企业合作共建下完成的。学院专业教师和石油化工企业设备工程师在掌握仿真制作软件的基础上，继续严格按照石油化工企业大型化工装备的维护检修规程，始终参与虚拟仿真教学平台的设计和编制，并给予及时的反馈和改进意见。考虑到石油化工装置中大型化工装备维护检修频次，还考虑到在有限的建设资金支持下，为保证虚拟仿真教学平台的建设质量，大型化工装备维护检修虚拟仿真教学平台建设内容主要包括活塞式压缩机、离心式压缩机、工业汽轮机、管式加热炉、塔设备（板式塔和填料塔）和大型列管式换热器等六种七台化工装备的维护检修虚拟仿真。

按每个化工装备需完成的维护检修任务分为结构拆装、状态监测和维护、故障诊断和处理和检查修理等四个模块，再将各模块按具体训练操作分为若干个分模块，每一分模块均有按石油化工企业维护检修规程标准的操作步骤方法和相应的操作控制评分标准。结构拆装模块为VR仿真系统，状态监测和维护、故障诊断和处理和检查修理三个模块为3D仿真系统。

下面以离心式压缩机为例，列举单台化工装备各模块下的分模块和分模块的设计内容和要求。

1）结构拆装模块

分模块主要有整体结构、工作原理、转子结构、定子结构、密封结构和轴承结构等。

2）状态监测和维护模块

分模块主要有状态监测、运行维护、停车维护和开、停车操作等。

3）故障诊断和处理模块

分模块主要有性能达不到要求、异常振动和异常噪声、喘振、轴承故障、叶片损坏、齿轮增速器故障、润滑油达不到要求和驱动机超负荷等。

4）检查修理模块

分模块主要有各检修周期的检修、联轴器的检修、机组主螺栓的拆装检修、机壳的拆装检修、定子的检修、转子的检修、密封的检修和轴承及轴承座的检修等。

每个分模块都有各自的设计内容和要求。为减少篇幅，这里只列举“转子的检修”分模块的设计内容和要求，主要有转子起吊和就位要求、检查转子轴承轴颈浮环密封轴颈和轴端联轴器工作表面等部位的损伤以及修理方法、检查转子上密封工作表面处磨损、检查转子上的所有螺纹、检查轴承轴颈、油膜密封轴颈和止推盘轴颈等的圆度和圆柱度、检查转子上密封部位、轴颈部位、平衡盘外圆和轴端联轴器工作部位处的径向跳动及处理、检查叶轮、止推盘和止推轴肩处的端面跳动及处理、检查转子的轴向窜量以及叶轮与扩压器的重叠数据、检测转子直线度偏差、检查转子的尺寸、转子无损探伤（磁粉检测和着色渗透检测）的检查、转子不平衡的原因分析、转子的动平衡（低速和高速）、检查各级叶轮出口与隔板流道对中情况和检查转子窜量等检修内容，以及各内容和要求的操作控制评分标准。

在《职教20条》和《提质培优计划》影响下，学校通过大型化工设备维护检修虚拟仿真教学平台的建设，将有条件与企业联手，深化校企合作、产教融合，发展“双元制”模式，將高等职业人才培养与企业职工培训紧密对接。

该虚拟仿真教学平台可以承接像化工机器、化工设备、化工装备检修技术等专业理论课程的有关大型化工装备理论教学任务，以及像化工机器维护检修实训、化工设备维护检修实训、状态监测与故障诊断实训和润滑与密封实训等专业实训课程的有关大型化工装备实践教学任务，还可以承接石油化工企业大型化工装备维护检修的职工培训任务和“1+X”证书取证培训任务等。

6 虚拟仿真教学平台

6.1 化工装备结构拆装VR仿真系统

该VR仿真系统可以实现化工装备自由旋转观察、结构拆解装配过程播放、工作原理学习、零件作用学习、自主拆解装配学习、结构探索学习、理论知识讲解等功能。

6.2 维护与检修操作3D仿真系统

该3D仿真系统可以实现状态监视与维护、联锁逻辑与事故操作、故障诊断与处理、检查修理与启停车操作等功能。具体的功能要求有对设备、人物、场景的三维模拟，帮助学生巩固化工装备结构原理;在计算机终端上实现多人或多任务共同训练;学生自主操作，通过答题方式完成任务，学习化工装备的状态监测和维护、故障诊断和处理、检查修理操作;学生可以进行佩戴劳保用品和选择工量具的操作;学生操作可以实现人物移动，游戏化教学;学生自主漫游学习厂区布局等。

6.3 其他化工装备资源素材库

除了VR仿真系统和3D仿真系统中大型化工装备之外的其他50多种典型化工装备，可以通过多媒体技术动态被展示出其整体浏览、外部形态、内部结构、工作原理等内容。展示过程为自动播放，有人工配音讲解及文字说明信息，大大丰富了本虚拟仿真教学平台的教学内容。

6.4 虚拟仿真教学平台配套平台

6.4.1 学员仿真平台

按照课程-课题-任务三层架构设计的实训教学模式，并配套相应的学习资源、任务攻略、练习题，在有限的课时内进行任务安排，实现相应的教学目标，并生成实训报告。

6.4.2 教师管理平台

可实现查看和管理学员状态和数据、学员冻结及解冻、练习模式和考试模式设置、通用事故库管理、成绩管理和自动考评功能等。

6.4.3 手机端平台

可提供2D、3D等形式的动画、视频、课件、题库等云端资源，也可由教师编写相关试题，下发任务，监控课堂学习情况等。

7 结束语

从我院“化工装备技术”专业近几年毕业生的就业率和就业去向等情况来看，社会仍然需要大量的高等职业教育层次“化工装备技术”专业人才，特别需要能够胜任大型化工装备维护检修岗位的“化工装备技术”高技能型专业人才。倒推着大型化工装备维护检修的实训资源在“化工装备技术”专业高等职业教育教学中越加显得重要。多年来，学院与石油化工企业经过长期地研讨，始终没有一个良好的、滿意的解决方案，导致一直没有建成大型化工装备维护检修实体实训室。随着现代信息技术的不断发展，职业教育虚拟仿真教学平台的信息化水平得到了前所未有的提高。在当前这种大背景下，我院的大型化工装备维护检修虚拟仿真教学平台填补了专业教育教学没有大型化工装备维护检修实体实训室的空白。该虚拟仿真教学平台是在职业教育学院、石油化工企业和仿真制作企业合作共建下研究开发完成的，其教学的实践性、操作性、互动性、个性化和自适应性也是前所未有的强大，在高等职业教育“化工装备技术”专业人才培养的过程中将发挥越来越重要的作用。

参考文献：

[1] 柳洪洁，宋月鹏，马兰婷，等.国内外虚拟仿真教学的发展现状[J].教育教学论坛，2020（17）：124-126.

[2] 石秀玲，付铖.信息化背景下职业教育虚拟仿真教学探究[J].河北职业教育，2020，4（2）：47-49，53.

[3] 翟雪松，史聪聪.《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》的实施现状、挑战与展望[J].现代教育技术，2020，30（12）：20-27.

[4] 李群松.高职院校内化工装备技术实训基地建设探索[J].广东化工，2014，41（12）：225-226，228.

[5] 李琴.化工装备技术专业生产性实训基地建设的探索与实践[J].化工设计通讯，2016，42（9）：82-83.

【通联编辑：梁书】