基于虛擬仿真技術(shù)的《化工設計》課程教學改革研究

徐環(huán)斐，劉月濤，王 政，高傳慧，丁 麗，田文德

(青島科技大學 化工學院，山東 青島 266042)

2019年教育部高教司強調(diào)要持續(xù)通過互聯(lián)網(wǎng)+教育和智能+教育等方式實現(xiàn)高等教育變軌超車。要面向未來，推進信息技術(shù)與教育教學的深化融合。在之前2018年召開的新時代全國高等學校本科教育工作會議中，150多所高校認真學習貫徹《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》，并進行一流本科教育宣言，要致力于變軌超車，將繼續(xù)深入推進互聯(lián)網(wǎng)+高等教育，打破傳統(tǒng)教育的時空界限和學校圍墻，改革教學形態(tài)，教育形態(tài)和組織形態(tài)。 2018年4月教育部提出的《教育信息化2.0行動計劃》強調(diào)要將知識資源數(shù)字化、平面資源立體化，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的大資源化[1-3]。

化工設計課程的教學目標是面向社會需求，培養(yǎng)服務于化工行業(yè)的拔尖創(chuàng)新型人才和卓越工程師人才。學生掌握化工設計的基本工作程序、了解化工工廠設計的內(nèi)容、和相關(guān)的設計圖紙、表格及文檔，實踐一個化工工廠的全過程，從廠址的選擇到設備的設計和布置到開車試運行等全部過程。本課程的學習是對化工基礎知識等傳統(tǒng)教學模式的延伸和拓展，是一門綜合性很強的學科，內(nèi)容龐雜，概念較多，要求學生的實踐性和創(chuàng)造性較強。化工設計課程是與其他高等教育基礎課程和化工類專業(yè)課程互相滲透同時緊密相連，用到了高等數(shù)學、物理、化工倫理學、化工原理、分離工程、反應工程、機械制圖、流程模擬等諸多知識，是化工類本科學生需要重點掌握但同時又表現(xiàn)出了相當大掌握難度的一門專業(yè)必修課。虛擬仿真是利用計算機等設備進行人機交互，給體驗者創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化的三維虛擬世界,并通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設備，提供體驗者一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。虛擬仿真技術(shù)有諸多優(yōu)點，如多感知性、存在感、交互性、自主性、沉浸感、構(gòu)想性等；其在機械制造、自動化、醫(yī)療、藥學、化工、土建等多個專業(yè)教育領(lǐng)域有著廣泛的應用?；ゎ惛叩仍盒Ｍㄟ^虛擬仿真技術(shù)積極拓展化工專業(yè)課程建設，提高本科生的學習興趣，優(yōu)化教學模式，提高學生思維能力和解決實際工程問題能力，通過實現(xiàn)線上線下的虛實結(jié)合，增加了學生的參與度，提高了《化工設計》課程教學品質(zhì)。

1 《化工設計》教學現(xiàn)狀

《化工設計》課程以化工工廠設計為對象，系統(tǒng)講授化工工廠設計的工作程序、國家和行業(yè)內(nèi)的相關(guān)政策和規(guī)范、化工計算、設備的選型和設計、車間布置設計、管道設計、技術(shù)經(jīng)濟、非公用工程設計等知識。具有綜合性(多專業(yè)基礎課知識的綜合與集成)、實踐性(面向?qū)嶋H化工工藝設計、化工廠設計的工程運用)等特點。目的是培養(yǎng)學生綜合運用所學理論知識解決工程技術(shù)問題的能力和創(chuàng)新意識，讓學生了解化工設計基本原則、工作程序、工作內(nèi)容、設計文檔編制方法以及現(xiàn)代工具的應用，經(jīng)歷從單元過程到完整流程再到化工廠的設計全過程，為培養(yǎng)從事化工設計(包括化工工藝設計乃至化工廠設計)、化工生產(chǎn)管理方面的化工人才打下基礎。

目前課程的理論教學部分主要采用以“教師授課為中心”的傳統(tǒng)課堂授課模式。表現(xiàn)形式為以教師在課堂上進行系統(tǒng)講解，而這種形式，難以激發(fā)學生的潛在興趣和思維創(chuàng)造能力，學生在課堂上的整體參與度不高[4]?？紤]到本科生在本科教育期間對真實化工工廠設計建造案例接觸的機會較少，化工工廠設計實踐教學資源非常有限，學生對車間廠房、儀器設備、管路走向等三維立體空間的構(gòu)造比較陌生，不利于學生對知識的靈活掌握和運用，也不利于化工類學生畢業(yè)后在化工設計領(lǐng)域的工作發(fā)展。

同時，考慮到化工工廠設計實踐的安全性和操作性、化工工廠設計的空間要求、技術(shù)難度、學生人數(shù)較多、學時較少，很難全覆蓋的進行實際工廠設計的相關(guān)演練。因此，急需大力發(fā)展虛擬仿真技術(shù)為基礎的互聯(lián)網(wǎng)+《化工設計》教學體系，在虛擬世界中絕對安全的環(huán)境下實現(xiàn)可覆蓋全體學生的沉浸式參與化工工廠的設計建造，增強學生的參與度，綜合培養(yǎng)學生的綜合能力，以彌補目前教學環(huán)節(jié)中的不足[5]。

2基于虛擬仿真技術(shù)的《化工設計》課程教學的優(yōu)勢

利用虛擬仿真技術(shù)，有望實現(xiàn)《化工設計》課程教學改革，通過多方面優(yōu)化應用，解決目前課程存在的化工工廠設計的難操作、難參與的諸多問題。

2.1 三維體驗沉浸感好

實現(xiàn)三維立體環(huán)境的體驗，形象逼真，具有良好的沉浸感和多感知性，是虛擬仿真技術(shù)的突出優(yōu)勢[6]。學生可以在化工工廠某一車間內(nèi)進行多感官的體驗，利用視覺體驗、聽覺體驗甚至是觸覺體驗來感受車間內(nèi)各設備的平面布置和立面布置，感受設備之間連接的各管道的布置。通過在化工廠中進行漫游，感受廠區(qū)不同區(qū)域布置及思考為何進行如此布置，體驗工廠的發(fā)展用地，公用工程設計?；蚯宄F(xiàn)有設計，在原始地塊上進行完全重新的布置，對生活區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、行政區(qū)、配電室、中控室、發(fā)展用地等進行統(tǒng)一設計規(guī)劃。通過三維模型等手段，將現(xiàn)實中難以進行的復雜化工工廠建設內(nèi)容進行再現(xiàn)[7]，實現(xiàn)學生對化工工廠設計各知識。點的綜合應用，實現(xiàn)學生和化工工廠的動態(tài)交互。以行業(yè)內(nèi)大量實際數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫支撐，以書本理論知識作為導向，構(gòu)建虛擬仿真的化工工廠設計環(huán)境和三維模型，模擬設計過程，以更貼近現(xiàn)實的手段解決本課程的知識點太抽象并且難體驗問題[8]。

2.2 安全性高

今年，化工行業(yè)出現(xiàn)多次重大安全事故，安全問題再次引起各界關(guān)注和重視。早在2016年4月，國務院安委會辦公室即下發(fā)了關(guān)于重大事故的工作文件《標本兼治遏制重特大事故工作指南》，要求構(gòu)建安全風險分級管控和隱患排查的雙重預防機制，是遏制重大事故的重要舉措?；ぴO計課程是化工專業(yè)必修課，內(nèi)容也涉及了諸多安全問題。在化工工廠的設計過程中，從原材料的入場，到工藝流程的展開，到設備的運行檢修等各個階段都包含了化學品安全問題、建筑物構(gòu)筑物安全問題、設備安全問題、運行安全問題、防火防爆問題等[9-10]。目前，很難讓學生在現(xiàn)實化工廠環(huán)境中去演練設計過程，學生掌握知識，運用知識解決實際問題時，有不熟悉到熟悉的過程，在此過程中難免會出現(xiàn)錯誤動作，但若現(xiàn)實情況下出現(xiàn)錯誤設計，將出現(xiàn)安全問題，甚至引起重大人員傷亡及財產(chǎn)損失。在此背景下，虛擬仿真技術(shù)和化工設計課程結(jié)合便凸顯出安全性的絕對優(yōu)勢。以虛擬仿真技術(shù)為載體的多媒體情景模擬，可以讓學生在理論講授環(huán)節(jié)之后，展開實際案例的模擬教學環(huán)節(jié)。如典型設備的控制方案這一章節(jié)中，學生可以在VR場景中進行泵、壓縮機、換熱器、反應器、蒸餾塔的自控設計和修正。在VR場景中感受常見設備事故，并進行常見事故應急處置培訓，如對帶壓容器的安全生產(chǎn)培訓和緊急制動連鎖停車后處理的培訓。安全問題是化工設計課程講授重點，通過虛擬仿真技術(shù)，可以保障本課程在安全環(huán)境下順利開展。

2.3 授課的靈活性高

基于虛擬仿真的技術(shù)，可以突破教室授課的空間、時間和參與人員的局限性，從而大幅度提高化工設計課程授課的靈活性。虛擬仿真技術(shù)配合網(wǎng)絡平臺，形成互聯(lián)網(wǎng)+化工設計課堂，可貫穿整個專業(yè)課講授階段。在進行課堂教學之前，課程講授團隊老師即可在平臺上發(fā)布模擬場景和制定學習任務，學生可以通過手機客戶端、電腦客戶端、平板客戶端進行隨時隨地的化工設計課程線上學習?；ぴO計課程和虛擬仿真技術(shù)結(jié)合之后，可以實現(xiàn)在平臺中給出視頻、動畫、類似游戲任務等的多形式教學模塊，并配備現(xiàn)實工廠的生產(chǎn)實景和案例說明，以激發(fā)學生學習興趣，實現(xiàn)課堂外無空間和時間局限的靈活性自學環(huán)境。同時，根據(jù)學生進度的不同，學生可以自主調(diào)至某一章節(jié)，進行復習鞏固所學知識。學習程度比較好的學生，自學能力比較強，可以走在課堂教學的前面，進行后面即將講到章節(jié)的預習，實現(xiàn)了通過虛擬仿真技術(shù)和化工設計課程的結(jié)合，構(gòu)建了針對不同學習能力的學生，高彈性、靈活輔助的自學機制。

2.4 學生參與度高

針對課堂教學中學生參與度較低的問題，虛擬仿真技術(shù)可以獲得很強的沉浸感，加案例情景教學中類似做游戲攻關(guān)一般的特點，可以大大提高學生的參與度。比如在化工設計課程中的非工藝專業(yè)這一章節(jié)，主要講授公用工程的設計，給排水、供電、供熱及冷凍工程、采暖通風和空氣調(diào)節(jié)、土建設計和自動控制、安全與環(huán)境保護中的燃燒爆炸和防火防爆、防雷設計、環(huán)境污染及其治理等內(nèi)容[8]。在虛擬仿真教學環(huán)節(jié)，通過三維模型和VR體驗實現(xiàn)逼真的虛擬化工工廠場景和典型事故案例。學生身臨其境，以第一人稱的感官體驗和視角感受整個事故發(fā)生的全部過程和參與到緊急處理環(huán)節(jié)。學生積極主動參與到應急處置和案例分析過程中，如觸電處理、爆炸處理、火災處理、人員中毒處理、危險化學品泄漏處理、廠房爆炸坍塌、高空動火作業(yè)、原料輸送離心泵著火、儲罐液位偏高或者偏低引起的連鎖停車事故等。通過VR技術(shù)，學生沉浸在場景中，經(jīng)歷的事故的發(fā)生發(fā)展，親歷事故的處理，感受到了某些設計不妥或者操作不當引起的災難性后果，感受到巨大的化工工廠帶來的沖擊，體驗結(jié)束后學生分小組進行討論，交流學習的知識和經(jīng)驗，鞏固對化工設計相關(guān)知識點的理解和掌握。這種由虛擬仿真技術(shù)帶來的交互性有著強大的吸引力，可以提高學生的自主學習能力，激發(fā)興趣，增強學生的能動性和參與感。

3 總結(jié)

基于虛擬仿真技術(shù)的化工設計課程是在互聯(lián)網(wǎng)+大背景下應運而生的混合式翻轉(zhuǎn)課堂模式，能夠有效的激發(fā)學生對本門課程的興趣，提高了學生綜合運用知識解決實際工程問題的能力，最終實現(xiàn)優(yōu)化了化工設計課程的教學效果。同時，通過虛擬仿真和化工類專業(yè)必修課的結(jié)合，推動了工業(yè)4.0時代的改革和教育2.0時代的需求，推動“六卓越一拔尖”計劃，滿足了國家對教育的戰(zhàn)略性調(diào)整，和對高等教育提出的變軌超車要求。開發(fā)了學生的創(chuàng)新能力，促進了化工設計課程在培養(yǎng)卓越工程師計劃中的作用。因此，基于虛擬仿真技術(shù)的《化工設計》課程教學改革研究十分重要，為將來"互聯(lián)網(wǎng)+化工"多層次人才培養(yǎng)研究提供了有力的指導。