職業(yè)學(xué)校化工專業(yè)課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)研究

王志平

【摘要】化工類職業(yè)學(xué)校是培養(yǎng)化工企業(yè)操作工的搖籃，化工專業(yè)課程教學(xué)直接決定了學(xué)員日后能否勝任企業(yè)一線操作工作崗位。利用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式，依托實(shí)訓(xùn)設(shè)備，在虛擬技術(shù)手段下，進(jìn)行沉浸式的化工學(xué)習(xí)。學(xué)員在此過程中學(xué)習(xí)了化工理論知識、掌握了化工操作技能、提升了職業(yè)素養(yǎng)，為日后進(jìn)入化工企業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】實(shí)訓(xùn)教學(xué)? 虛實(shí)結(jié)合? 操作技能

【中圖分類號】G712.4 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）40-0067-03

化工行業(yè)是傳統(tǒng)行業(yè)，石油化工、基礎(chǔ)化工和化學(xué)化纖是國家的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，因此化工行業(yè)是人類生產(chǎn)生活離不開的行業(yè)?；ば袠I(yè)操作工的好壞是一個化工企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，因此化工行業(yè)對于一線操作工的要求越來越高。

如何培養(yǎng)技能更高、職業(yè)素養(yǎng)更好的操作工[1]，如何讓學(xué)員在學(xué)校里學(xué)到更多貼近企業(yè)真實(shí)生產(chǎn)的知識，是每一所職業(yè)學(xué)校老師所關(guān)注的。

傳統(tǒng)的化工教學(xué)注重依托實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)理實(shí)一體教學(xué)，近年來隨著信息技術(shù)、人工智能、虛擬技術(shù)的發(fā)展，把化工教學(xué)和虛擬技術(shù)結(jié)合起來，從而模擬化工廠真實(shí)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生身臨其境，沉浸式學(xué)習(xí)，真正學(xué)到知識。

本文分析了傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了本?；そ虒W(xué)過程和虛擬技術(shù)結(jié)合的必要性，總結(jié)了化工教學(xué)和虛擬技術(shù)結(jié)合的教學(xué)方式。

一、理實(shí)一體教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)

傳統(tǒng)的化工教學(xué)以實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備為載體，開展理實(shí)一體和實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

理實(shí)一體教學(xué)在教室、實(shí)驗(yàn)室、實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行。首先設(shè)定不同的項(xiàng)目和課題，以一個子項(xiàng)目或者一個子課題為一節(jié)課的主題。在學(xué)習(xí)和完成這些項(xiàng)目和課題的時候，以化工裝置、設(shè)備設(shè)施、單元操作和化工案例等為教學(xué)載體，通過項(xiàng)目教學(xué)的形式，把理論教學(xué)和實(shí)操教學(xué)結(jié)合起來，讓學(xué)員能夠完成項(xiàng)目和課題的同時學(xué)到化工生產(chǎn)知識和技能。

實(shí)訓(xùn)教學(xué)在實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行。首先選定不同的實(shí)訓(xùn)模塊，例如以化工中試生產(chǎn)裝置操作，泵、壓縮機(jī)傳動設(shè)備運(yùn)行，管路機(jī)械組裝，分離操作等為實(shí)訓(xùn)模塊。每一實(shí)訓(xùn)模塊中包含了很多實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和實(shí)訓(xùn)任務(wù)，例如化工廠的加料和卸料、離心泵的開停車操作、管路的氣密性試驗(yàn)等。完成這些項(xiàng)目和任務(wù)的時候，以上述實(shí)訓(xùn)模塊為載體，通過預(yù)先設(shè)定的任務(wù)，在任務(wù)實(shí)施和成果檢驗(yàn)的過程中，學(xué)員學(xué)會了生產(chǎn)所需要的化工專業(yè)知識，掌握了化工操作技能，提升了職業(yè)素養(yǎng)。

傳統(tǒng)教學(xué)以項(xiàng)目為載體，通過任務(wù)引領(lǐng)的方式讓學(xué)員在做中學(xué)、學(xué)中做，學(xué)員能夠通過一個實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目和實(shí)訓(xùn)任務(wù)的完成，不斷提升操作技能，不斷強(qiáng)化職業(yè)素養(yǎng)，不斷建立化工知識體系。但是傳統(tǒng)教學(xué)也有不足之處，實(shí)訓(xùn)設(shè)備和真實(shí)生產(chǎn)裝置有所區(qū)別，實(shí)訓(xùn)過程無法完成真實(shí)的生產(chǎn)操作。因此本校教師積極開拓了新的教學(xué)思路。

二、仿真軟件教學(xué)

本校的化工教學(xué)過程還以2D和3D仿真軟件為載體，通過仿真軟件學(xué)習(xí)和操作，學(xué)員能夠接觸到與化工實(shí)際生產(chǎn)一模一樣的真實(shí)生產(chǎn)工藝，能夠通過調(diào)節(jié)參數(shù)穩(wěn)定化工生產(chǎn)過程，能夠分析溫度、壓力等對化工生產(chǎn)的影響，能夠處理化工生產(chǎn)過程中的故障，能夠根據(jù)生產(chǎn)實(shí)況分析生產(chǎn)過程中的事故。和傳統(tǒng)的理實(shí)一體、實(shí)踐教學(xué)相比，仿真教學(xué)可以模擬學(xué)校無法直接現(xiàn)場呈現(xiàn)的典型化工生產(chǎn)過程，同時，事先植入仿真系統(tǒng)中的操作步驟和評分指標(biāo)能夠客觀直接地對學(xué)員整個練習(xí)和操作過程給予評判。

仿真軟件教學(xué)因其能模擬真實(shí)化工生產(chǎn)，操作評分直接客觀，從而得到了本校教師的青睞。但是仿真軟件教學(xué)也存在著弊端。例如仿真操作軟件一般只是給予操作步驟分，但操作是否規(guī)范以及操作的順序正確與否并不屬于系統(tǒng)評分，很容易導(dǎo)致學(xué)員為了得到操作步驟分，使用快速捷徑的操作方法，而這恰恰違背了化工企業(yè)需按照化工生產(chǎn)嚴(yán)格規(guī)范的SOP流程操作的思路。

三、虛實(shí)結(jié)合教學(xué)

隨著信息技術(shù)和化工行業(yè)的不斷融合，化工專業(yè)操作技能的提升越來越依托虛擬仿真技術(shù);隨著實(shí)踐教學(xué)和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，線上和線下教學(xué)整合資源，更能提升學(xué)員的自主學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)效率。因此在結(jié)合“虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，能實(shí)不虛”的原則下，應(yīng)該充分發(fā)揮虛擬技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的重要性，建設(shè)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)體系。

（一）半實(shí)物實(shí)訓(xùn)裝置教學(xué)

半實(shí)物實(shí)訓(xùn)裝置是以化工廠真實(shí)生產(chǎn)裝置為原型，按照一定的比例縮小制作而成的。建好實(shí)訓(xùn)裝置以后，配套建設(shè)一套功能全面的DCS系統(tǒng)和工藝仿真軟件。學(xué)員可以在逼真的環(huán)境中，真實(shí)的操作過程中，提升化工操作能力。

半實(shí)物實(shí)訓(xùn)裝置區(qū)別于實(shí)物裝置和仿真教學(xué)，但又融合了實(shí)訓(xùn)裝置和仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)。半實(shí)物實(shí)訓(xùn)裝置以真實(shí)的裝置為原型，現(xiàn)場閥門、設(shè)備可以動作，實(shí)操感強(qiáng)。操作時無需真實(shí)物料，無各類安全隱患，無污染，實(shí)訓(xùn)成本低廉。同時，現(xiàn)場操作和DCS系統(tǒng)聯(lián)動，可以通過調(diào)節(jié)溫度、壓力等參數(shù)掌握化工工藝過程。半實(shí)物實(shí)訓(xùn)裝置以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到了學(xué)員的青睞。

以本校危險(xiǎn)化學(xué)品離心泵實(shí)操考核系統(tǒng)為例，依托于現(xiàn)場的實(shí)際離心泵，配備先進(jìn)的3D虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)，以?；飞a(chǎn)過程中離心泵的典型事故應(yīng)急預(yù)案及異常處理方案為內(nèi)容，提供具有交互功能的三維虛擬場景與操作，能夠高精度地模擬離心泵的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)變化、事故現(xiàn)象，以及異常處理和應(yīng)急處置的操作過程。學(xué)員可以在現(xiàn)場開關(guān)離心泵，可以在DCS端調(diào)節(jié)參數(shù)，可以在仿真系統(tǒng)中處理著火泄漏事故。通過半實(shí)物實(shí)訓(xùn)裝置的學(xué)習(xí)，學(xué)員的理論知識得到了強(qiáng)化，操作能力得到了提升。

（二）VR實(shí)訓(xùn)教學(xué)

VR是指虛擬現(xiàn)實(shí)，顧名思義，就是虛擬和現(xiàn)實(shí)相互結(jié)合。從理論上來講，化工VR實(shí)訓(xùn)教學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是利用化工生產(chǎn)中的真實(shí)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生的電子信號，將其與各種輸出設(shè)備結(jié)合使其轉(zhuǎn)化為能夠讓學(xué)員操作和感受到的現(xiàn)象。

VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為促進(jìn)化工教學(xué)發(fā)展的一種新型手段。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以幫助學(xué)員打造生動、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)員通過真實(shí)感受來增強(qiáng)記憶，相比于被動性灌輸，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)更容易讓學(xué)員接受，這種方式更容易激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。例如化工生產(chǎn)中如果違背生產(chǎn)安全操規(guī)程，可能引發(fā)泄漏、火災(zāi)、人員傷亡等現(xiàn)象及事故，以前的教學(xué)方式只能通過文字、圖片、案例、視頻結(jié)合的方式教學(xué)，學(xué)員更多的是被動接收知識，缺乏直觀的感受和認(rèn)知。而VR虛擬技術(shù)可以模擬泄漏和火災(zāi)現(xiàn)場，學(xué)員佩戴特定的眼鏡，可以在模擬的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)堵漏或者滅火。學(xué)員可以身臨其境，學(xué)習(xí)相關(guān)知識和技能。

（三）AR實(shí)訓(xùn)教學(xué)

AR是指增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，顧名思義，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也被稱為擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)，AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是促使真實(shí)世界信息和虛擬世界信息內(nèi)容之間綜合在一起的較新的技術(shù)內(nèi)容。AR實(shí)訓(xùn)教學(xué)是將原本在實(shí)際裝置中比較難以進(jìn)行體驗(yàn)和操作的實(shí)際信息借助電腦和軟件等科學(xué)技術(shù)，實(shí)施模擬仿真處理，將虛擬信息內(nèi)容疊加在真實(shí)生產(chǎn)裝置中加以有效應(yīng)用，并且在這一過程中，操作員能夠感知操作過程，從而實(shí)現(xiàn)超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。AR最特別的地方在于其真實(shí)實(shí)訓(xùn)操作環(huán)境和虛擬物體之間重疊之后，能夠在同一個畫面以及空間中同時存在。當(dāng)然，哪一部分是實(shí)際的，哪一部分是虛擬的，操作者也很容易區(qū)分。AR實(shí)訓(xùn)教學(xué)的實(shí)現(xiàn)也需要一個特定的頭盔，通過頭盔上面的眼鏡能夠看到虛擬的畫面。

例如傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，換熱器冷熱流體的交換，借助動畫、視頻的方式演示。而AR實(shí)訓(xùn)教學(xué)則可以把換熱器冷熱流體的交換過程做成三維動畫，該動畫以小程序的方式植入后臺，當(dāng)戴上特定頭盔，選擇該程序，動畫就能展現(xiàn)在眼前，該動畫可以單獨(dú)觀看，也可以在換熱器運(yùn)行過程中觀看，在交互式的學(xué)習(xí)過程中實(shí)現(xiàn)了知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

（四）MR實(shí)訓(xùn)教學(xué)

MR實(shí)訓(xùn)教學(xué)綜合了VR和AR實(shí)訓(xùn)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，改進(jìn)了VR和AR實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中的缺點(diǎn)，MR實(shí)訓(xùn)教學(xué)即混合現(xiàn)實(shí)教學(xué)。和VR實(shí)訓(xùn)教學(xué)相比，它依托于現(xiàn)場實(shí)物裝置;和AR實(shí)訓(xùn)教學(xué)相比，它能把虛擬的影像和現(xiàn)場設(shè)備做高度疊加，建立全息影像。當(dāng)操作人員帶上裝有眼鏡的頭盔時，能沉浸式置身于化工廠，操作者能實(shí)現(xiàn)交互學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)高效學(xué)習(xí)，理論知識得到了更深層次的理解，操作技能得到更高效的提升。

MR實(shí)訓(xùn)教學(xué)和VR、AR實(shí)訓(xùn)教學(xué)一樣，依托于電腦、投屏電視、特定眼鏡，例如微軟公司的Hololens眼鏡完全能實(shí)現(xiàn)MR實(shí)訓(xùn)教學(xué)要求。以化工裝置操作中單元級設(shè)備離心泵的學(xué)習(xí)為例，離心泵的原理、離心泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、離心泵的拆裝、離心泵的運(yùn)行都可以通過MR實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)。同時，學(xué)員佩戴MR眼鏡，在仿真工廠現(xiàn)場進(jìn)行巡檢，能查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。在MR實(shí)訓(xùn)課程中，MR會帶來更強(qiáng)烈的沉浸感，能實(shí)現(xiàn)立體抓取離心泵的各部件進(jìn)行組裝，達(dá)到二維向三維立體質(zhì)變的體驗(yàn)，讓知識與人交互、互動起來?？傊?，MR實(shí)訓(xùn)教學(xué)更直觀，更具體，操作性強(qiáng)，符合現(xiàn)代化工信息化與趣味性的教學(xué)理念。

四、結(jié)語

通過本文的論述，化工專業(yè)課程的教學(xué)還是應(yīng)該遵循“虛實(shí)結(jié)合，相互補(bǔ)充，能實(shí)不虛”的教學(xué)原則。對于能夠依托實(shí)訓(xùn)裝置解決的教學(xué)知識點(diǎn)和操作技能，一定要以實(shí)訓(xùn)裝置為主體，通過項(xiàng)目教學(xué)、任務(wù)引領(lǐng)的方式讓學(xué)員在自主學(xué)習(xí)的過程中學(xué)習(xí)理論知識，掌握操作技能。依托實(shí)訓(xùn)裝置難以實(shí)現(xiàn)的知識點(diǎn)和操作技能則考慮使用虛擬技術(shù)。例如虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)訓(xùn)條件下無法完成的實(shí)訓(xùn)操作，或由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備昂貴而難以實(shí)現(xiàn)的操作訓(xùn)練。同時，通過VR、AR、MR創(chuàng)建一個能夠和實(shí)物裝置融合在一起的逼真的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，在沉浸式的虛擬世界中進(jìn)行操作練習(xí)，豐富的互動性既增加了真實(shí)感又激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。

毋庸置疑，和傳統(tǒng)教學(xué)相比，富有科技性的虛擬仿真教學(xué)更為直觀、更加受學(xué)員青睞，教學(xué)效果更加出色。并且虛擬技術(shù)能打破時間和空間的局限性，為學(xué)員提供開放的學(xué)習(xí)環(huán)境，支持多人同時在線學(xué)習(xí)，讓學(xué)員隨時隨地進(jìn)行實(shí)踐操作訓(xùn)練。

虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式解決了化工實(shí)訓(xùn)教學(xué)的難題，為能培養(yǎng)知識儲備豐富、操作技能過硬、職業(yè)素養(yǎng)高的現(xiàn)代化工人才奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂國峰.基于學(xué)科核心素養(yǎng)的中職化工實(shí)訓(xùn)教學(xué)策略研究[J].職業(yè)教育，2019（44）：26.