關(guān)于職業(yè)院校化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)裝置建設(shè)的設(shè)想

張超

摘? 要：信息化時(shí)代下，職業(yè)教育需積極探索智能化實(shí)訓(xùn)教學(xué)與資源建設(shè)路徑，開展信息化環(huán)境下的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式創(chuàng)新研究與實(shí)踐。本文以化工專業(yè)為例，探尋信息化技術(shù)在專業(yè)實(shí)訓(xùn)裝置建設(shè)中的融合應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;化工裝置;智能化平臺(tái)

分類號(hào)：D631.15

一、前言

化工專業(yè)職業(yè)教育目標(biāo)是培養(yǎng)合格的化工生產(chǎn)一線操作員工。將來(lái)的就業(yè)崗位主要為化工裝置內(nèi)操和外操人員。無(wú)論是高職還是中職，在專業(yè)課程設(shè)置中，都有化工裝置操作類課程，該課程實(shí)操性強(qiáng)，內(nèi)容與學(xué)生頂崗實(shí)習(xí)和就業(yè)的工作任務(wù)最為接近，其實(shí)施效果直接決定了學(xué)生是否能盡快勝任工作崗位。

化工行業(yè)的連續(xù)化生產(chǎn)特點(diǎn)和高危特征以及對(duì)環(huán)保的特殊要求，致使學(xué)校的化工裝置操作實(shí)訓(xùn)難以呈現(xiàn)企業(yè)真實(shí)的生產(chǎn)情境，一些特定的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目（如事故的應(yīng)急處理演練等）無(wú)法在實(shí)訓(xùn)裝置上開展，同時(shí)目前的化工實(shí)訓(xùn)裝備尚不具備在線教學(xué)條件，對(duì)當(dāng)前提倡的線上線下融合教學(xué)及對(duì)學(xué)生（學(xué)員）實(shí)施個(gè)性化、多樣化、智能化、泛在化的實(shí)訓(xùn)教學(xué)造成瓶頸。因此，充分運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)建設(shè)化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)裝置，對(duì)于營(yíng)造實(shí)訓(xùn)中心的企業(yè)化生產(chǎn)情境，完善提升實(shí)訓(xùn)中心能級(jí)，促進(jìn)專業(yè)教學(xué)模式創(chuàng)新，提升專業(yè)教學(xué)成效均具有現(xiàn)實(shí)意義。

二、化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)建設(shè)思路與目標(biāo)

1.建設(shè)思路

以信息化技術(shù)引領(lǐng)構(gòu)建職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)新模式，堅(jiān)持立德樹人、融合創(chuàng)新，深化產(chǎn)教融合、校企合作。以化工綜合實(shí)訓(xùn)裝置為載體，立足學(xué)?，F(xiàn)有實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)，遵循從單元到綜合的學(xué)習(xí)規(guī)律，以崗位工作任務(wù)為導(dǎo)向，開發(fā)基于化工操作崗位與工作過(guò)程的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源，開展線上線下融合的混合實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式創(chuàng)新研究與實(shí)踐。

2.建設(shè)目標(biāo)

構(gòu)建基于化工生產(chǎn)過(guò)程的3D和AR仿真的職場(chǎng)環(huán)境，能實(shí)現(xiàn)線上線下相融合的，實(shí)施個(gè)性化、多樣化、泛在化的實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源， 建成與化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求相匹配的，體現(xiàn)職教特色，具有示范引領(lǐng)作用的“化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置”;搭建能真實(shí)體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)和成效，并能為多層面提供分析預(yù)判數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域資源共享的智能化虛擬仿真實(shí)訓(xùn)管理和共享平臺(tái);借鑒國(guó)際先進(jìn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)與管理理念，探索形成基于大數(shù)據(jù)分析的，有特色、可共享的實(shí)訓(xùn)教學(xué)、企業(yè)員工培訓(xùn)考證及社會(huì)實(shí)踐基地的經(jīng)驗(yàn)與模式。

三、化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)建設(shè)內(nèi)容

1. 化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)資源建設(shè)

對(duì)接化工行業(yè)典型工藝，建設(shè)3D虛擬仿真工藝包。根據(jù)實(shí)訓(xùn)裝置工藝流程和生產(chǎn)特性，嵌入設(shè)備、管路、安全等可與線下實(shí)訓(xùn)結(jié)合的若干單元級(jí)數(shù)字化學(xué)習(xí)模塊，在具備了裝置所需單元知識(shí)、技能和素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行綜合裝置虛擬仿真的開停車、運(yùn)行監(jiān)控、故障處理等實(shí)訓(xùn)操作。一套完整的化工仿真實(shí)訓(xùn)資源包含單元級(jí)仿真資源和綜合裝置仿真資源。

（1）單元級(jí)仿真資源

根據(jù)裝置工藝流程開發(fā)相應(yīng)的設(shè)備操作、安全防護(hù)、突發(fā)應(yīng)急等教學(xué)資源和仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。以筆者所在學(xué)校的碳二精制乙烯實(shí)訓(xùn)裝置為例，該裝置工藝反應(yīng)工段為固定床反應(yīng)器發(fā)生乙炔加氫制乙烯的反應(yīng)，分離工段為乙烯乙烷的精餾分離，配套相應(yīng)的罐區(qū)、換熱、流體輸送等設(shè)備。建設(shè)的單元級(jí)仿真實(shí)訓(xùn)資源可包括：安全防護(hù)仿真軟件;精餾塔、反應(yīng)器、換熱器、泵等設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)畫;反應(yīng)與分離單元操作與設(shè)備維護(hù)仿真軟件;化學(xué)品事故應(yīng)急仿真軟件。

（2）綜合裝置仿真資源

針對(duì)學(xué)校已有裝置，在DCS控制系統(tǒng)和OTS操作工培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，除工藝全流程開停車操作、正常運(yùn)行等外，設(shè)計(jì)含危險(xiǎn)源辨識(shí)、生產(chǎn)故障排除、突發(fā)應(yīng)急處理等內(nèi)容的虛實(shí)結(jié)合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。注重內(nèi)外操聯(lián)動(dòng)，高度還原實(shí)際化工生產(chǎn)操作崗位的工作任務(wù)，規(guī)范運(yùn)行化工裝置，強(qiáng)化安全意識(shí)，提升生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、安全穩(wěn)定控制生產(chǎn)過(guò)程、正確應(yīng)對(duì)化工生產(chǎn)中緊急事件的能力。

單元級(jí)仿真教學(xué)資源可用于多種工藝的綜合裝置實(shí)訓(xùn)，根據(jù)工藝流程及生產(chǎn)特性按需鏈接提取學(xué)習(xí)，各?？筛鶕?jù)學(xué)校實(shí)訓(xùn)裝備情況統(tǒng)籌考慮單元級(jí)仿真資源的開發(fā)。

通過(guò)軟件操作界面將所有內(nèi)容有機(jī)整合，除基本的裝置運(yùn)行功能滿足外，設(shè)置引導(dǎo)文（提示性問(wèn)題）、工藝介紹、安全提示（可鏈接到安全生產(chǎn)和事故應(yīng)急等單元級(jí)教學(xué)資源）、設(shè)備應(yīng)用（可鏈接到設(shè)備相關(guān)單元級(jí)教學(xué)資源）、工作頁(yè)等功能模塊。

2.豐富信息化手段的應(yīng)用，提升實(shí)訓(xùn)效果

（1）采用仿真測(cè)量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外聯(lián)動(dòng)

仿真測(cè)量控制系統(tǒng)是DCS與實(shí)體裝置之間的紐帶，是模擬技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的保障。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中所有的儀表檢測(cè)、閥門動(dòng)作等被測(cè)物理量通過(guò)傳感器和變送器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送至仿真模型。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有裝置部分構(gòu)件的改造，打造一套內(nèi)外聯(lián)動(dòng)、軟硬結(jié)合，涵蓋靜設(shè)備、動(dòng)設(shè)備、各種閥門以及相關(guān)儀表、ESD聯(lián)鎖系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)等的實(shí)物仿真裝置，配合任務(wù)向?qū)Ы虒W(xué)法和內(nèi)外操崗位設(shè)置，使學(xué)生在校就能進(jìn)行“工廠化”的上崗操作，學(xué)以致用。真正做到“把工廠搬進(jìn)學(xué)校”，實(shí)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程與崗位工作過(guò)程的零距離。

（2）搭建知識(shí)管理平臺(tái)，支持碎片化學(xué)習(xí)

將安全防護(hù)、工藝知識(shí)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作要點(diǎn)等以圖文、視頻、3D動(dòng)畫、VR等形式呈現(xiàn)，搭建知識(shí)管理平臺(tái)，制作二維碼鏈接張貼或懸掛于裝置現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)點(diǎn)，學(xué)生利用平板可以在實(shí)訓(xùn)操作過(guò)程中隨時(shí)訪問(wèn)與學(xué)習(xí)。

（3）利用聲光煙特效，營(yíng)造真實(shí)情境

8.12天津港爆炸、3.12響水爆炸等特大事故反映出，事故應(yīng)急技能對(duì)事故后果的嚴(yán)重程度起到?jīng)Q定性作用，將事故應(yīng)急訓(xùn)練融入化工綜合裝置實(shí)訓(xùn)中顯得尤為重要。盡管目前市面上已有事故應(yīng)急實(shí)訓(xùn)的半實(shí)物仿真實(shí)訓(xùn)裝置，但大多是獨(dú)立設(shè)置，或者僅限于單元裝置，沒有和全流程工藝裝置運(yùn)行結(jié)合起來(lái)，因此與實(shí)際生產(chǎn)脫節(jié)。學(xué)生在裝置操作實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，由于誤操作或參數(shù)失控，或是教師后臺(tái)設(shè)置故障，觸發(fā)裝置現(xiàn)場(chǎng)的若干聲光煙特效感應(yīng)點(diǎn)，營(yíng)造事故氛圍。學(xué)生觀察到事故現(xiàn)象后可自發(fā)地從正常運(yùn)行的實(shí)訓(xùn)模式切換到事故應(yīng)急訓(xùn)練模式，這種方式與實(shí)際事故發(fā)生的情況更為貼合。

（4）運(yùn)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（MR）技術(shù)，虛實(shí)結(jié)合

MR技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和人員之間搭建交互反饋的信息回路，有很強(qiáng)的代入感和真實(shí)感。MR設(shè)備通過(guò)對(duì)化工裝置場(chǎng)地布局、設(shè)備外觀、管路走向進(jìn)行詳細(xì)識(shí)別、分析、拍攝和采集，使用著在使用過(guò)程中能夠有針對(duì)性地識(shí)別化工裝置的各個(gè)部位，并觸發(fā)相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示。例如，將物料流動(dòng)的三維特效及相關(guān)工藝數(shù)據(jù)疊加在真實(shí)管道影像中，物料反應(yīng)的三維特效及相關(guān)工藝數(shù)據(jù)疊加在真實(shí)的反應(yīng)器影響中，更好地做到理實(shí)結(jié)合。此外，據(jù)調(diào)研得知，化工裝置設(shè)備可繼續(xù)采用傳統(tǒng)的實(shí)物裝置，無(wú)需因?yàn)镸R技術(shù)的應(yīng)用而進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和改造，進(jìn)一步確認(rèn)了MR技術(shù)融合的可行性。

3.智能化實(shí)訓(xùn)管理，建設(shè)共享平臺(tái)

構(gòu)建基于智能化的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)管理和共享平臺(tái)，重構(gòu)教學(xué)流程，實(shí)現(xiàn)線上線下聯(lián)動(dòng)學(xué)習(xí);多維度全過(guò)程進(jìn)行學(xué)生相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)跟蹤、記錄、評(píng)價(jià)與考核，建立課程樹形成學(xué)生學(xué)業(yè)畫像，生成學(xué)生學(xué)業(yè)數(shù)據(jù)的智能評(píng)價(jià)分析報(bào)告，為學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)、教師教學(xué)指導(dǎo)、企業(yè)員工管理、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定等提供更精細(xì)化的數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

（1）基于虛擬仿真與現(xiàn)場(chǎng)裝置相結(jié)合的教學(xué)流程再造

整個(gè)教學(xué)流程以管理平臺(tái)為依托，以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)過(guò)程為主體，以教師指導(dǎo)為保障，全程實(shí)時(shí)保持師生溝通和數(shù)據(jù)智能化自動(dòng)收集及分析。通過(guò)課前認(rèn)知學(xué)習(xí)、課中探究?jī)?nèi)化、課后鞏固提升三個(gè)階段完成教學(xué)過(guò)程。

教學(xué)過(guò)程中線上與線下相結(jié)合，虛擬仿真與現(xiàn)場(chǎng)裝置相結(jié)合，任務(wù)引領(lǐng)、做學(xué)一體，突破時(shí)空限制，激發(fā)學(xué)習(xí)互動(dòng)性和積極性，有效突破實(shí)訓(xùn)難點(diǎn)，迅捷提供教學(xué)反饋，科學(xué)進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)，全面提高教學(xué)效果。

利用平臺(tái)課后作業(yè)數(shù)據(jù)，分析學(xué)生作業(yè)情況，在原有教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上針對(duì)性完善下一次課的復(fù)習(xí)要點(diǎn)及教學(xué)策略。同時(shí)準(zhǔn)備下一次課的預(yù)學(xué)材料和課前任務(wù)，進(jìn)入新的教學(xué)流程。 接收建議書，通過(guò)完成課后實(shí)訓(xùn)報(bào)告和作業(yè)，對(duì)所學(xué)內(nèi)容學(xué)以致用，鞏固提升，并將作業(yè)提交平臺(tái)。

（2）基于線上線下聯(lián)動(dòng)學(xué)習(xí)的 “課程樹”構(gòu)建

基于線上模擬、線下實(shí)操的方式，依據(jù)學(xué)校教務(wù)管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)及即將建設(shè)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)管理和共享平臺(tái)中數(shù)據(jù)為參考，從學(xué)生知識(shí)點(diǎn)、技能點(diǎn)和安全素養(yǎng)等維度進(jìn)行學(xué)生學(xué)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)的收集和分析，匯聚學(xué)生學(xué)習(xí)單元的掌握程度及專業(yè)課程的完成情況，建立學(xué)生學(xué)業(yè)“課程樹”，最終以圖形化的形式智能推送給學(xué)生，形成學(xué)生畫像的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。

（3）建立智能化的教學(xué)分析診斷系統(tǒng)。運(yùn)用所采集的教學(xué)過(guò)程數(shù)據(jù)，通過(guò)不同角度的“閾值”設(shè)定，進(jìn)行警示分析預(yù)判，提供學(xué)生學(xué)習(xí)、教師教學(xué)、企業(yè)和行業(yè)四個(gè)層面的可視化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判書，為學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)、教師教學(xué)指導(dǎo)、企業(yè)員工崗位操作、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定等提供更精細(xì)化的數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

四、結(jié)語(yǔ)

職業(yè)院校虛擬仿真建設(shè)是落實(shí)《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》和地方職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展、教育信息化建設(shè)等相關(guān)行動(dòng)計(jì)劃的舉措之一。職業(yè)院校應(yīng)緊跟科技發(fā)展的步伐，基于專業(yè)和課程特點(diǎn)，積極探索智能化實(shí)訓(xùn)教學(xué)與資源建設(shè)路徑，在教育信息化環(huán)境下開展虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式創(chuàng)新的研究與實(shí)踐。本文所闡述的化工虛擬仿真實(shí)訓(xùn)裝置建設(shè)是上海市中等職業(yè)學(xué)校示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)15個(gè)立項(xiàng)項(xiàng)目之一?！渡虾Ｊ兄械嚷殬I(yè)學(xué)校示范性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室建設(shè)指導(dǎo)意見》提出虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)要深化產(chǎn)教融合校企合作，緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的需求，緊密結(jié)合專業(yè)特色和行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)。因此，在虛擬仿真項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，將引入企業(yè)共建機(jī)制，以企業(yè)典型生產(chǎn)工藝和裝置為藍(lán)本，校企共同研究制定方案，聘請(qǐng)具有豐富生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)技術(shù)人員，深度參與虛擬仿真工藝包開發(fā)、應(yīng)急處置案例設(shè)計(jì)、教學(xué)資源開發(fā)、教學(xué)實(shí)施情境開發(fā)等工作，確保建成的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)裝置做到職業(yè)能力導(dǎo)向，與企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)有高契合度，并能解決真實(shí)實(shí)訓(xùn)條件不具備或運(yùn)行困難，涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等問(wèn)題，全面促進(jìn)信息技術(shù)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)融合創(chuàng)新發(fā)展，達(dá)到創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)教學(xué)新模式、提升實(shí)訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量的效果。

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上海石化工業(yè)學(xué)校? 上海? 200540