VR 技术在化工自动化专业实践教学中的应用

2023-09-26刘芽南李娅飞孟然平申子超

石家庄职业技术学院学报 2023年4期

刘芽南 ,李娅飞 ,孟然平 ,程普 ,申子超

(1.河北化工医药职业技术学院a.教务处;b.机电工程系河北石家庄 050026;2.河北轨道运输职业技术学院机辆学院,河北石家庄 052165)

VR 为Virtual Reality(虚拟现实)的简称.较有代表性的主要有美国北卡罗莱纳大学于1992年成立的VR 技术与教育实验室,该实验室专门用于评价VR 对于教育的影响[1].近年来,国外学者一直在研究如何在教育中更好地利用VR 技术,2014年文献[1]提出应该在远程教育中推广应用虚拟现实技术;文献[2]对教学中应用VR技术进行了研究,发现在教学过程中VR技术可以有效地提升教学效果.

本文探索如何有效地将VR 技术应用于化工自动化专业实践教学.

1 VR技术在职业教育实践教学中的应用

在中国知网以“虚拟现实&与实践教学”为主题词检索2018～2022 年相关论文,共检索到713篇,主题主要涉及教学模式、教学改革、实践教学、职业教育等,涉及学科主要为高等教育、职业教育、教育理论与教育管理、中等教育等.

检索论文的研究结果显示,大部分院校乐于在实践环节引入虚拟现实技术,而虚拟现实技术的应用有助于学生进一步熟悉实训环境,了解实训步骤,验证实训结果,并且虚拟现实技术的应用进一步提高了学生的学习兴趣,激发了学习的积极性和主动性,一定程度上弥补了实训设备不足的缺点,有效提高了实训环节的教学质量.

(1)增加真实感,提高趣味性

将虚拟现实技术引入化工自动化专业实践课堂中,学生就能通过一台设备感受到真实生动的仿真实训环境.学生通过操作,能够积极参与到实践教学中,这样既能够增加课堂学习的趣味性,又能提高学生自主学习的投入感.VR 实训教学环境见图1.

图1 VR 实训教学环境

(2)搭建虚拟平台,降低实训室建设成本

利用VR技术搭建虚拟平台,具有成本低廉,占地面积小,利用率高的特点,并且还可以多次反复练习.利用虚拟现实设备进行实训,既有利于学生实训水平的提升,又可避免实践环节中的物料损坏,有利于降低成本.

(3)知识单元过程化呈现,提升教学质量

应用虚拟现实技术,将知识的展现形式从教师讲的单一平面转换到了多维的立体面,抽象的知识变得具体形象化,并且可以实现知识单元过程化呈现,这是真实实训设备难以做到的.

例如,釜式反应器在化学工业中应用十分普遍,在有机染料、农药等行业中用于碳化、硝化、转化、卤化等反应中也极为普遍,而反应温度的测量和控制是实现釜式反应器最佳操作的关键.釜式反应器温度控制是化工自动化专业实践教学中化工生产实训的重要内容.

任何一个化学反应均要求合适的反应温度,而最适宜的反应温度要综合考虑化学反应速度、化学平衡和催化剂活性等.在实际化工生产中,为了控制反应釜内化学反应的温度,通常采用控制进料温度、控制传热量及串级控制的方法.但在反应釜温度控制的实训环节中,受原材料、设备及授课安全的限制,往往教师在讲解后不进行实际演示,学生无法亲身体会温度对于反应釜内化学反应的实际影响,对相关内容理解不够深入.

采用VR 技术,可以让学生在虚拟环境中通过自己动手操作调节反应釜内的温度,切身体会到加入定量的加热剂或冷却剂后,由于反应釜容量大或聚合釜物料黏度大,产生的温度迟滞现象,导致反应釜难以达到严格的温度控制要求的情况.

在化工自动化专业实践课程中应用虚拟现实技术,可以克服化工生产过程的缺点,使学生学到的知识不是局限于教师的讲授,而是来源于自己的亲身感受,提高了教学的真实性,加深了学生的理解,提高了教学质量.具体过程和效果见图2.

图2 采用VR 技术过程与效果示意图

(4)教学内容可实时更新,有利于对接行业前沿技术

利用虚拟现实技术可随时调整教学内容,便于日常实践教学紧跟产业最新需求及行业最新生产工艺,使化工自动化专业的实践教学内容与行业的最新发展紧密对接,减少行业发展与学校教学的差距,有利于为化工自动化行业输送更多高质量的技术技能人才.

2 VR技术运用于化工自动化专业实践教学面临的挑战

VR 技术在化工自动化专业实践教学中的应用取得了成效,展现了优势,但也面临一些挑战.

(1)虚拟现实化工自动化实训系统性能有待提高

虚拟现实技术是将实际的生产工艺进行虚拟化,但是与实际的生产工艺仍然有一定的差距.例如,实际的化工生产车间,最终的产品是否达到国家、行业标准是很多内外部因素共同影响的结果,而现阶段所研发的虚拟现实技术操作都是按照理想的生产环境开发的,并没有将外界所有的影响因素考虑在内,这是虚拟现实技术实际应用过程中所面临的一个十分重要的问题,需要不断提高虚拟现实技术实训系统的性能,使其更加接近真实生产环境.

(2)虚拟现实优质课程资源稀缺,缺乏行业统一标准

现阶段伴随着虚拟现实技术的发展,VR 教育软件类产品也逐渐增多,但是各个企业开发的虚拟现实资源往往针对具体某个专业或者某个课程,开发的资源往往也不能兼容,内容单薄且分散,甚至出现了虚拟现实教育产品设计形式大于内容的现象[3];由于大部分虚拟现实资源的设计者都是互联网公司员工,缺乏一线教学人员的参与,从而导致虚拟现实资源的设计与实际专业需求契合度较低,难以满足个性化需要,所以亟需统一行业标准,开发优质的虚拟现实教学资源.

(3)虚拟现实技术在化工自动化专业中的应用评价体系不成熟

化工自动化专业的VR 实践教学内容、课程标准、考核评价体系均需要逐步完善,各学校要根据本校虚拟现实技术的应用情况,逐步建立适用于本校实际情况的虚拟现实技术应用评价体系.

(4)实训教师的素质需不断提高

实训教学教师应具备较高的实践操作技能素养,并且具备一定的信息技术水平,实践教学中虚拟现实设备或软件难免出现一些问题,教师应具备独立指导学生解决这些问题的能力.

3 提升化工自动化实践教学VR 技术应用成效的途径

(1)构建开放型的虚拟实训资源学习平台

伴随着虚拟现实技术的逐步发展,单纯依靠学校资源和力量搭建的虚拟现实资源已不能满足实际的需要.通过校企合作的方式开发虚拟仿真实训资源,并研发相关的行业标准,供全国院校共同使用,对院校的课程改革大有裨益.

构建开放型的虚拟实训资源学习平台为学生提供学习服务,让学生在家里或者宿舍就可以在平台上进行学习,平台为学生提供实境化的学习环境,学习过程中教师和学生还可以进行问题留言或在线交流,便于学生选择学习时间和内容,打破了时间和空间的限制,有助于学生自主学习,提高学生的学习质量和实训技能.

(2)完善虚拟仿真实训考核评价体系

利用化工自动化专业虚拟仿真实训资源可以将化工生产过程分单元进行实训操作.学生通过虚拟现实实训考核系统的任务完成情况,展示自己对于化工生产过程的掌握程度,从而完成考核,这样既可以减少因为操作失误导致学生人身受到伤害的问题,又可以消除因为操作不规范导致实训考核结果不理想的情况[3].虚拟仿真实训考核评价系统相对于以往的实训评价来说,变得更加规范与严格,进一步提升了实训评价考核的公平性,从一定程度上改革课程考核评价方式,在学校教学考核方面起到了积极的作用[3].