虛擬仿真工廠在高職實(shí)訓(xùn)中應(yīng)用研究

王欣羽

摘要：通過分析實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀，介紹了虛擬仿真工廠運(yùn)用在化工類實(shí)踐教學(xué)中的必要性。虛擬仿真工廠的建設(shè)不僅可以節(jié)省空間和時(shí)間，而且能增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)效果。

Abstract： By analyzing the present situation of the practical teaching，this paper introduces the necessity of virtual simulation factory in the practical teaching of chemical industry. The construction of virtual simulation factory not only saves space and time， but also enhances the effect of the practical teaching.

關(guān)鍵詞：虛擬仿真工廠；化工；實(shí)訓(xùn)；教學(xué)效果

Key words： virtual simulation factory；chemical industry；practical training；teaching effect

中圖分類號(hào)：G717 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）02-0258-02

0 引言

實(shí)踐教學(xué)是理論教學(xué)的一種深化和延伸拓展[1]。當(dāng)今社會(huì)，科技進(jìn)步帶來了更先進(jìn)的生產(chǎn)力，但高級(jí)技工的貧乏卻成為了突出問題。一是學(xué)生經(jīng)過了理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，但動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)卻很少，難以學(xué)以致用，不利于技術(shù)的熟練掌握；二是企業(yè)對(duì)安全的重視，尤其是煉油化工行業(yè)，已成為當(dāng)前企業(yè)的頭等大事，而學(xué)生入廠實(shí)訓(xùn)將增加這一不確定因素，使得實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目難以入廠；三是職業(yè)院校雖然建有實(shí)訓(xùn)設(shè)備，但維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)，又不能完全跟上設(shè)備更新?lián)Q代速度，使得設(shè)備老舊，學(xué)生實(shí)訓(xùn)條件缺乏[2]。而且，石油化工行業(yè)高溫高壓的生產(chǎn)條件，使得不安全因素的等級(jí)往往較高，危害性較為嚴(yán)重，也使得危害發(fā)生時(shí)的后果難以承擔(dān)。為此，現(xiàn)代化石油化工虛擬仿真工廠將成為高職院校學(xué)生實(shí)訓(xùn)的有效途徑。

虛擬仿真工廠是模擬職場環(huán)境和操作作業(yè)過程的虛擬仿真軟件。通過使用者在虛擬環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)裝置的認(rèn)識(shí)及操作過程，有利于提高其崗位操作的規(guī)范性；通過對(duì)典型生產(chǎn)裝置的模擬，真實(shí)再現(xiàn)各操作流程，有利于使用者加快掌握生產(chǎn)原理、熟練操作和提高操作的安全性。由于是虛擬軟件，這提高了學(xué)生參與的廣泛性和積極性，對(duì)實(shí)訓(xùn)時(shí)間和空間的要求也更為靈活，對(duì)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)也省時(shí)省力；本課題以石油化工為對(duì)象，重點(diǎn)研究和重點(diǎn)探討虛擬仿真工廠在石油化工專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)及畢業(yè)實(shí)習(xí)中的應(yīng)用。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬教學(xué)、虛擬課堂已在發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的應(yīng)用，這是我們要直面的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。近年來，在國家教育部的大力倡導(dǎo)下，虛擬仿真技術(shù)也逐步走進(jìn)了高職教育的大門。在教育教學(xué)中，廣泛使用的信息技術(shù)手段為學(xué)生們展示了更為精彩的知識(shí)，豐富和完善了學(xué)生們的理論構(gòu)架，有效的提高了學(xué)院的教學(xué)質(zhì)量[3]。虛擬仿真教學(xué)技術(shù)憑借其優(yōu)秀的沉浸性、交互性，極為濃厚的勾起了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在虛擬的生產(chǎn)操作中，真實(shí)的提高了學(xué)生的技能水平和動(dòng)手能力，有助于提高學(xué)生們的核心競爭力，這對(duì)解決職業(yè)院校學(xué)生實(shí)訓(xùn)難、實(shí)習(xí)難和就業(yè)難提供了一條新思路。目前，虛擬仿真教學(xué)方式已可以應(yīng)用到高職院校的很多專業(yè)，如服裝設(shè)計(jì)、數(shù)控技術(shù)、機(jī)電技術(shù)、焊接技術(shù)、食品加工等。

傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式是學(xué)生在固定的場地，如實(shí)驗(yàn)室、企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場等，動(dòng)手實(shí)際操作，教師現(xiàn)場講解的方式進(jìn)行。因其直觀方便和貼近生產(chǎn)，歷來是高職實(shí)訓(xùn)課程的主要教學(xué)方式[4]。然而這種實(shí)訓(xùn)教學(xué)有其一定的局限性，設(shè)備投入大、受時(shí)間場地影響、安全風(fēng)險(xiǎn)也較大，這使實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)程面臨窘境。為了解決這些問題，充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展帶來的便利，虛擬工廠、虛擬實(shí)驗(yàn)正式進(jìn)入我們的視野。憑借其安全高效的性能，越來越成為高職院校實(shí)訓(xùn)教學(xué)行之有效的技術(shù)手段和發(fā)展趨勢。因此，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)必然成為高職院校的最佳選擇。

1 化工類課程的現(xiàn)狀

化工類課程是石油化工院校學(xué)生的專業(yè)課程，而實(shí)踐課程是學(xué)習(xí)掌握化工類知識(shí)的重要環(huán)節(jié)，化工實(shí)踐課多以實(shí)際操作為主，通過多人共同完成內(nèi)外操的配合，同時(shí)要記錄原始數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和最終數(shù)據(jù)，最后根據(jù)實(shí)踐結(jié)果完成實(shí)踐報(bào)告等工作[5]。傳統(tǒng)的化工類實(shí)踐課程主要有老師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行頂崗實(shí)習(xí)、小型的化工設(shè)備操作訓(xùn)練和仿真操作。在化工廠或煉油廠中學(xué)生只能夠了解到化工生產(chǎn)操作的裝置的結(jié)構(gòu)、工藝流程和工藝參數(shù)等，由于考慮到實(shí)際生產(chǎn)的安全性，很難讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)際操作。[6]但這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在許多不足的地方，主要有以下幾點(diǎn)：

①化工類實(shí)踐教學(xué)無法與實(shí)際生產(chǎn)緊密的結(jié)合在一起，比如一個(gè)復(fù)雜的實(shí)際生產(chǎn)，我們?yōu)榱丝紤]環(huán)境污染問題和安全問題，將其簡單化，不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)和技能的掌握和理解。

②化工類設(shè)備一般投入較大，生產(chǎn)運(yùn)行成本及維護(hù)成本較高。

③實(shí)際生產(chǎn)中，每項(xiàng)操作需由多位操作人員配合完成，而對(duì)學(xué)生而言，單個(gè)學(xué)生所掌握的技能就不能完整，缺乏對(duì)整體的把握和認(rèn)知，不利于整體水平的提升。

④由于化工類課程的抽象性和實(shí)際性，很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。化工類課程實(shí)踐學(xué)時(shí)少與應(yīng)用技能要求不斷提高的矛盾，給教學(xué)帶來了極大的挑戰(zhàn)[7]。

2 虛擬仿真工廠的優(yōu)勢

近年來，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)已在高職教學(xué)中得到了普遍應(yīng)用，充實(shí)了實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程，提高了學(xué)生的核心技能水平，成為提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段[8]。虛擬仿真技術(shù)有效的替代了傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐課程，解決了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中設(shè)備投資大、維護(hù)成本高、時(shí)間場地受限等問題，每個(gè)學(xué)生能夠從容模擬掌握現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)操作，與理論知識(shí)相結(jié)合，自行摸索其中的技能技巧，于技術(shù)先進(jìn)性、教學(xué)效率、資源利用、經(jīng)濟(jì)投入、節(jié)能環(huán)保方面都具有突出貢獻(xiàn)，順應(yīng)國家職業(yè)學(xué)院教育的教學(xué)理念及發(fā)展方向。整個(gè)教學(xué)過程貫穿現(xiàn)代化教學(xué)方法，使教學(xué)資源利用更優(yōu)化更有效。endprint

3 虛擬仿真工廠在化工類課程中的典型應(yīng)用

①效果展示。

虛擬仿真工廠較好的完成了化工管路和實(shí)際生產(chǎn)中空間位置的一致性，增強(qiáng)了三維場景的現(xiàn)實(shí)效果[9]。本文以常減壓虛擬仿真操作為例，圖1為常減壓操作虛擬仿真工廠的總貌圖，展現(xiàn)了進(jìn)入工廠后學(xué)生對(duì)崗位的選擇，對(duì)裝置整體的感知。圖2為內(nèi)外操的協(xié)同操作，還原工廠的真實(shí)場景，主操可向外操發(fā)布指令，外操收到后進(jìn)行現(xiàn)場操作，同時(shí)主操在DCS現(xiàn)場可以監(jiān)控外操的完成情況。

②虛擬仿真工廠的運(yùn)用途徑。

虛擬工廠分別可以循序漸進(jìn)的一次進(jìn)行認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和頂崗實(shí)習(xí)。每個(gè)實(shí)習(xí)階段分為初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)。學(xué)生在實(shí)習(xí)之前要先進(jìn)入培訓(xùn)室進(jìn)行安全培訓(xùn)和工藝流程的學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)的過程中，由于裝置大，設(shè)備多，所以我們可以通過查找和定位的功能找到相應(yīng)的設(shè)備。虛擬工廠具備工藝操作、事故判斷與處理、設(shè)備儀表使用維護(hù)等功能。使學(xué)生能在虛擬的生產(chǎn)環(huán)境中獲得實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)。

③使用評(píng)價(jià)。

通過虛擬工廠，老師在教授中可以將復(fù)雜的化工生產(chǎn)流程、繁多的各種設(shè)備和控制難度大的操作形象化、簡單化和可實(shí)現(xiàn)化，同時(shí)將虛擬工廠與多媒體課件聯(lián)合使用，不但豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，而且使得操作中的重點(diǎn)難點(diǎn)更易于理解，優(yōu)化了教學(xué)質(zhì)量[10]。

學(xué)生可以借助虛擬工廠平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了人人參與操作工藝設(shè)備，人人感受到半真實(shí)的生產(chǎn)環(huán)境，為學(xué)生今后相應(yīng)的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

虛擬仿真工廠不僅突破了平面仿真軟件由于空間位置展示困難的瓶頸，而且突破了時(shí)間和空間的限制。利用虛擬仿真技術(shù)，不僅強(qiáng)化了實(shí)踐課程的教學(xué)，使得教學(xué)內(nèi)容更具時(shí)效性和感染力，更增加了學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會(huì)，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力，為學(xué)生綜合能力的提升提供一大助力。

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