基于物聯(lián)網(wǎng)+虛擬仿真技術(shù)的新型化工實(shí)踐教學(xué)模式的構(gòu)建與探索

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450000)

目前高?；瘜W(xué)、化工類畢業(yè)生一般不能直接滿足崗位要求，需要企業(yè)培訓(xùn)部門進(jìn)一步培訓(xùn)，原因是學(xué)校教學(xué)和企業(yè)應(yīng)用還存在較大差距，化工類畢業(yè)生實(shí)際掌握的知識(shí)技能與企業(yè)需求存在較大脫節(jié)。隨著國(guó)家“互聯(lián)網(wǎng)+”“新工科”等重大戰(zhàn)略部署，以教育信息化帶動(dòng)教育現(xiàn)代化，使得教育信息化教學(xué)改革中的應(yīng)用成為必然趨勢(shì)。

目前，理論課程與信息化技術(shù)融合發(fā)展進(jìn)行較多探索，獲得在線開放課程、MOOC公開課等形式的成果。但實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐等環(huán)節(jié)的課程僅僅停留在虛擬仿真等形式，存在著片段化、分散化和失真化等缺陷。怎樣將信息化技術(shù)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教育，將信息化技術(shù)與專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行有效融合，研究意義非常重要[1]。

1 化工實(shí)踐教學(xué)面臨的主要問(wèn)題

1.1 化工生產(chǎn)特殊，學(xué)生實(shí)踐質(zhì)量不高

高校注重理論知識(shí)的傳授，而學(xué)生動(dòng)手能力、實(shí)踐能力偏低。畢業(yè)生與崗位需求存在脫節(jié)現(xiàn)象，主要是因?yàn)榻虒W(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生移位，因此出現(xiàn)畢業(yè)生就業(yè)能力不足的情況。對(duì)化學(xué)、化工專業(yè)而言，實(shí)踐教學(xué)是學(xué)生將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)手實(shí)踐、創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在人才培養(yǎng)中起著舉足輕重的作用[2]。

化工行業(yè)工藝復(fù)雜、設(shè)備自動(dòng)化高，其生產(chǎn)過(guò)程存在高溫、高壓、易燃易爆、有毒有害等高危險(xiǎn)性，一旦發(fā)生事故，極易造成人員重大傷亡和環(huán)境污染[3]。因此，崗位對(duì)人員要求較高，包括對(duì)化工工藝流程的認(rèn)知、開停車調(diào)試、生產(chǎn)指標(biāo)調(diào)控等。另外，由于化工生產(chǎn)的特殊性，企業(yè)出于安全、穩(wěn)定生產(chǎn)的考慮，不愿意接受化工類學(xué)生進(jìn)行深層次的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，實(shí)習(xí)生僅憑肉眼觀察整個(gè)生產(chǎn)工藝流程、收集工藝數(shù)據(jù)，生產(chǎn)實(shí)習(xí)內(nèi)容流于形式，實(shí)際上已經(jīng)變成了企業(yè)參觀，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果差、實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)教學(xué)質(zhì)量低下，學(xué)生的解決實(shí)際工程問(wèn)題能力沒(méi)有得到有效鍛煉。

1.2 虛擬仿真仍需進(jìn)一步完善

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》指出：“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性的影響”隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在學(xué)校教學(xué)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)學(xué)校教學(xué)成果提升日益增強(qiáng)，但多數(shù)虛擬仿真建設(shè)項(xiàng)目直觀性差、系統(tǒng)性差、配套服務(wù)不足[4]。

為適應(yīng)化工行業(yè)的發(fā)展，高校必須要加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)的重復(fù)性和再現(xiàn)性，有效提升學(xué)生實(shí)際操控能力，滿足化工行業(yè)的崗位需求需要。通過(guò)虛擬仿真+實(shí)踐操作的教學(xué)模式，學(xué)生直觀了解化工生產(chǎn)過(guò)程，了解各種管道、泵、閥門等設(shè)備特點(diǎn)，從而提高化工類學(xué)生的信息化及動(dòng)手實(shí)踐能力。

2 教學(xué)模式的概述

將物聯(lián)網(wǎng)和虛擬仿真等新興技術(shù)融入教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)設(shè)計(jì)搭建化工實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，將線上虛擬學(xué)習(xí)與線下實(shí)際操作有效融合，共同完成某個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目的知識(shí)講授、操作訓(xùn)練和實(shí)踐考試三個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了“線上線下”“虛實(shí)結(jié)合”化工實(shí)踐教學(xué)體系模式，其功能邏輯圖如圖1所示。

圖1 “線上線下”“虛實(shí)結(jié)合”化工實(shí)踐教學(xué)模式邏輯圖

該教學(xué)模式將化工實(shí)踐學(xué)習(xí)過(guò)程分成多個(gè)梯度，包括化工理論學(xué)習(xí)、理論測(cè)試、視頻學(xué)習(xí)、化工實(shí)踐模擬，逐步擴(kuò)充知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)加大學(xué)習(xí)難度。“化工理論學(xué)習(xí)”是將理論課堂知識(shí)精簡(jiǎn)，結(jié)構(gòu)重塑，提取化工知識(shí)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)能力素質(zhì)培養(yǎng)點(diǎn)，擴(kuò)充工程知識(shí)，使學(xué)生鞏固理論知識(shí)的同時(shí)，掌握實(shí)踐要點(diǎn)。“理論測(cè)試”是在化工理論學(xué)習(xí)后，以在線隨機(jī)試題的形式，評(píng)測(cè)學(xué)生理論知識(shí)掌握情況，同時(shí)評(píng)定學(xué)生是否具備后續(xù)內(nèi)容學(xué)習(xí)的資格。“視頻學(xué)習(xí)”是通過(guò)3D技術(shù)，以動(dòng)畫形式講解實(shí)踐內(nèi)容與方法，需要學(xué)生在掌握理論知識(shí)的前提下完成?！盎?shí)踐模擬”是通過(guò)3D虛擬技術(shù)，模擬實(shí)踐室場(chǎng)景及實(shí)踐裝置，學(xué)生在掌握理論知識(shí)和完成視頻學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)認(rèn)識(shí)設(shè)備、提示練習(xí)、無(wú)提示測(cè)試與評(píng)分等步驟，逐步完成模擬實(shí)踐操作，規(guī)范學(xué)生操作實(shí)踐裝置的過(guò)程，了解不當(dāng)操作產(chǎn)生的現(xiàn)象?！盎?shí)踐模擬”以實(shí)際生產(chǎn)工藝為資源，利用3D虛擬技術(shù)，模擬實(shí)踐室場(chǎng)景及實(shí)習(xí)裝置，學(xué)生在完成全部化工實(shí)踐的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)單元實(shí)踐知識(shí)在連續(xù)實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用方法，將整個(gè)工藝劃分為多個(gè)單元實(shí)踐，從單元實(shí)踐學(xué)習(xí)，逐步擴(kuò)展到完整生產(chǎn)工藝學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)認(rèn)識(shí)設(shè)備、提示練習(xí)、無(wú)提示測(cè)試與評(píng)分等步驟，逐步完成模擬實(shí)踐操作，掌握生產(chǎn)工藝和連續(xù)操作要點(diǎn)。

3 教學(xué)模式的成效和意義

3.1 “線上線下-虛實(shí)結(jié)合”實(shí)現(xiàn)協(xié)同，突出以行業(yè)崗位需求的技能提升

通過(guò)化工實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的發(fā)布與接收、實(shí)踐裝置的認(rèn)知與操作、課前預(yù)習(xí)與課后評(píng)價(jià)、學(xué)生學(xué)習(xí)成效評(píng)價(jià)等教學(xué)功能。學(xué)生進(jìn)入線下的實(shí)踐室進(jìn)行綜合學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，提高線下實(shí)踐的成功率，大大降低不當(dāng)操作以及因此帶來(lái)的廢物排放，將環(huán)境污染的程度在最大程度上降低到最小，同時(shí)提高操作安全性，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好、綠色化工。

3.2 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，突出以學(xué)生職業(yè)技能提升為需求

在實(shí)踐教學(xué)中運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，能給學(xué)生帶來(lái)身臨其境的感受。近年來(lái)，仿真實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫教學(xué)資源庫(kù)、化工原理及化學(xué)工藝學(xué)課程的模擬仿真實(shí)驗(yàn)得到了進(jìn)一步完善。通過(guò)實(shí)踐平臺(tái)模擬相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作步驟，學(xué)生能夠在網(wǎng)絡(luò)上完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、虛擬操作以及實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)等內(nèi)容，如離心泵特性曲線的測(cè)定，學(xué)生在模擬測(cè)試出離心泵的相關(guān)參數(shù)，后期可以通過(guò)實(shí)操數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。線上虛擬平臺(tái)有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

3.3 實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的充分利用，有助于實(shí)踐平臺(tái)的全面開放

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)打破傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)空局限，學(xué)生通過(guò)化工實(shí)踐虛擬平臺(tái)，進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，使得學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間和空間全面解放。為學(xué)生自主學(xué)習(xí)探索，發(fā)揮學(xué)習(xí)主動(dòng)性提供條件，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的全面開放。在化工實(shí)踐教學(xué)改革實(shí)踐中，充分發(fā)揮仿真虛擬在教學(xué)的作用，同時(shí)也要加強(qiáng)與其對(duì)應(yīng)的線下操作，做到“虛實(shí)結(jié)合”。

3.4 豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)

通過(guò)信息化手段將“新工科”內(nèi)涵融入到化工教學(xué)實(shí)踐中，將崗位責(zé)任、崗位意識(shí)、質(zhì)量觀念灌輸。加強(qiáng)實(shí)踐項(xiàng)目中對(duì)環(huán)保指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的整體評(píng)價(jià)，加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展影響的評(píng)價(jià)意識(shí)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提升有效溝通能力，培養(yǎng)工程職業(yè)道德和責(zé)任關(guān)懷理念，最終強(qiáng)化項(xiàng)目層級(jí)管理能力。

4 結(jié)語(yǔ)

“線上線下”“虛實(shí)結(jié)合”新型化工實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式正是信息時(shí)代新型教學(xué)組織模式的必然要求和重要途徑。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把產(chǎn)業(yè)行業(yè)對(duì)人才的各種能力需求，融入化工實(shí)訓(xùn)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的新發(fā)展、行業(yè)對(duì)職業(yè)素養(yǎng)的新要求，引入化工實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程，最終培養(yǎng)具有較強(qiáng)化工行業(yè)背景知識(shí)、工程實(shí)踐能力、勝任行業(yè)發(fā)展需求的技能型人才。