VR 技術(shù)在化工自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

劉芽南 ,李婭飛 ,孟然平 ,程 普 ,申子超

(1.河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院a.教務(wù)處;b.機(jī)電工程系 河北 石家莊 050026;2.河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)輛學(xué)院,河北 石家莊 052165)

VR 為Virtual Reality(虛擬現(xiàn)實(shí))的簡(jiǎn)稱.較有代表性的主要有美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)于1992年成立的VR 技術(shù)與教育實(shí)驗(yàn)室,該實(shí)驗(yàn)室專門用于評(píng)價(jià)VR 對(duì)于教育的影響[1].近年來(lái),國(guó)外學(xué)者一直在研究如何在教育中更好地利用VR 技術(shù),2014年文獻(xiàn)[1]提出應(yīng)該在遠(yuǎn)程教育中推廣應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);文獻(xiàn)[2]對(duì)教學(xué)中應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在教學(xué)過(guò)程中VR技術(shù)可以有效地提升教學(xué)效果.

本文探索如何有效地將VR 技術(shù)應(yīng)用于化工自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué).

1 VR技術(shù)在職業(yè)教育實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

在中國(guó)知網(wǎng)以“虛擬現(xiàn)實(shí)&與實(shí)踐教學(xué)”為主題詞檢索2018～2022 年相關(guān)論文,共檢索到713篇,主題主要涉及教學(xué)模式、教學(xué)改革、實(shí)踐教學(xué)、職業(yè)教育等,涉及學(xué)科主要為高等教育、職業(yè)教育、教育理論與教育管理、中等教育等.

檢索論文的研究結(jié)果顯示,大部分院校樂(lè)于在實(shí)踐環(huán)節(jié)引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用有助于學(xué)生進(jìn)一步熟悉實(shí)訓(xùn)環(huán)境,了解實(shí)訓(xùn)步驟,驗(yàn)證實(shí)訓(xùn)結(jié)果,并且虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性,一定程度上彌補(bǔ)了實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足的缺點(diǎn),有效提高了實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量.

(1)增加真實(shí)感,提高趣味性

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入化工自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐課堂中,學(xué)生就能通過(guò)一臺(tái)設(shè)備感受到真實(shí)生動(dòng)的仿真實(shí)訓(xùn)環(huán)境.學(xué)生通過(guò)操作,能夠積極參與到實(shí)踐教學(xué)中,這樣既能夠增加課堂學(xué)習(xí)的趣味性,又能提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的投入感.VR 實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境見(jiàn)圖1.

圖1 VR 實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境

(2)搭建虛擬平臺(tái),降低實(shí)訓(xùn)室建設(shè)成本

利用VR技術(shù)搭建虛擬平臺(tái),具有成本低廉,占地面積小,利用率高的特點(diǎn),并且還可以多次反復(fù)練習(xí).利用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行實(shí)訓(xùn),既有利于學(xué)生實(shí)訓(xùn)水平的提升,又可避免實(shí)踐環(huán)節(jié)中的物料損壞,有利于降低成本.

(3)知識(shí)單元過(guò)程化呈現(xiàn),提升教學(xué)質(zhì)量

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),將知識(shí)的展現(xiàn)形式從教師講的單一平面轉(zhuǎn)換到了多維的立體面,抽象的知識(shí)變得具體形象化,并且可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)單元過(guò)程化呈現(xiàn),這是真實(shí)實(shí)訓(xùn)設(shè)備難以做到的.

例如,釜式反應(yīng)器在化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用十分普遍,在有機(jī)染料、農(nóng)藥等行業(yè)中用于碳化、硝化、轉(zhuǎn)化、鹵化等反應(yīng)中也極為普遍,而反應(yīng)溫度的測(cè)量和控制是實(shí)現(xiàn)釜式反應(yīng)器最佳操作的關(guān)鍵.釜式反應(yīng)器溫度控制是化工自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中化工生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)的重要內(nèi)容.

任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)均要求合適的反應(yīng)溫度,而最適宜的反應(yīng)溫度要綜合考慮化學(xué)反應(yīng)速度、化學(xué)平衡和催化劑活性等.在實(shí)際化工生產(chǎn)中,為了控制反應(yīng)釜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的溫度,通常采用控制進(jìn)料溫度、控制傳熱量及串級(jí)控制的方法.但在反應(yīng)釜溫度控制的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中,受原材料、設(shè)備及授課安全的限制,往往教師在講解后不進(jìn)行實(shí)際演示,學(xué)生無(wú)法親身體會(huì)溫度對(duì)于反應(yīng)釜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際影響,對(duì)相關(guān)內(nèi)容理解不夠深入.

采用VR 技術(shù),可以讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中通過(guò)自己動(dòng)手操作調(diào)節(jié)反應(yīng)釜內(nèi)的溫度,切身體會(huì)到加入定量的加熱劑或冷卻劑后,由于反應(yīng)釜容量大或聚合釜物料黏度大,產(chǎn)生的溫度遲滯現(xiàn)象,導(dǎo)致反應(yīng)釜難以達(dá)到嚴(yán)格的溫度控制要求的情況.

在化工自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐課程中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以克服化工生產(chǎn)過(guò)程的缺點(diǎn),使學(xué)生學(xué)到的知識(shí)不是局限于教師的講授,而是來(lái)源于自己的親身感受,提高了教學(xué)的真實(shí)性,加深了學(xué)生的理解,提高了教學(xué)質(zhì)量.具體過(guò)程和效果見(jiàn)圖2.

圖2 采用VR 技術(shù)過(guò)程與效果示意圖

(4)教學(xué)內(nèi)容可實(shí)時(shí)更新,有利于對(duì)接行業(yè)前沿技術(shù)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可隨時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容,便于日常實(shí)踐教學(xué)緊跟產(chǎn)業(yè)最新需求及行業(yè)最新生產(chǎn)工藝,使化工自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)的最新發(fā)展緊密對(duì)接,減少行業(yè)發(fā)展與學(xué)校教學(xué)的差距,有利于為化工自動(dòng)化行業(yè)輸送更多高質(zhì)量的技術(shù)技能人才.

2 VR技術(shù)運(yùn)用于化工自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

VR 技術(shù)在化工自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用取得了成效,展現(xiàn)了優(yōu)勢(shì),但也面臨一些挑戰(zhàn).

(1)虛擬現(xiàn)實(shí)化工自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)性能有待提高

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將實(shí)際的生產(chǎn)工藝進(jìn)行虛擬化,但是與實(shí)際的生產(chǎn)工藝仍然有一定的差距.例如,實(shí)際的化工生產(chǎn)車間,最終的產(chǎn)品是否達(dá)到國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是很多內(nèi)外部因素共同影響的結(jié)果,而現(xiàn)階段所研發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)操作都是按照理想的生產(chǎn)環(huán)境開(kāi)發(fā)的,并沒(méi)有將外界所有的影響因素考慮在內(nèi),這是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中所面臨的一個(gè)十分重要的問(wèn)題,需要不斷提高虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的性能,使其更加接近真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境.

(2)虛擬現(xiàn)實(shí)優(yōu)質(zhì)課程資源稀缺,缺乏行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)階段伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,VR 教育軟件類產(chǎn)品也逐漸增多,但是各個(gè)企業(yè)開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)資源往往針對(duì)具體某個(gè)專業(yè)或者某個(gè)課程,開(kāi)發(fā)的資源往往也不能兼容,內(nèi)容單薄且分散,甚至出現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)教育產(chǎn)品設(shè)計(jì)形式大于內(nèi)容的現(xiàn)象[3];由于大部分虛擬現(xiàn)實(shí)資源的設(shè)計(jì)者都是互聯(lián)網(wǎng)公司員工,缺乏一線教學(xué)人員的參與,從而導(dǎo)致虛擬現(xiàn)實(shí)資源的設(shè)計(jì)與實(shí)際專業(yè)需求契合度較低,難以滿足個(gè)性化需要,所以亟需統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源.

(3)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在化工自動(dòng)化專業(yè)中的應(yīng)用評(píng)價(jià)體系不成熟

化工自動(dòng)化專業(yè)的VR 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、課程標(biāo)準(zhǔn)、考核評(píng)價(jià)體系均需要逐步完善,各學(xué)校要根據(jù)本校虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用情況,逐步建立適用于本校實(shí)際情況的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用評(píng)價(jià)體系.

(4)實(shí)訓(xùn)教師的素質(zhì)需不斷提高

實(shí)訓(xùn)教學(xué)教師應(yīng)具備較高的實(shí)踐操作技能素養(yǎng),并且具備一定的信息技術(shù)水平,實(shí)踐教學(xué)中虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備或軟件難免出現(xiàn)一些問(wèn)題,教師應(yīng)具備獨(dú)立指導(dǎo)學(xué)生解決這些問(wèn)題的能力.

3 提升化工自動(dòng)化實(shí)踐教學(xué)VR 技術(shù)應(yīng)用成效的途徑

(1)構(gòu)建開(kāi)放型的虛擬實(shí)訓(xùn)資源學(xué)習(xí)平臺(tái)

伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐步發(fā)展,單純依靠學(xué)校資源和力量搭建的虛擬現(xiàn)實(shí)資源已不能滿足實(shí)際的需要.通過(guò)校企合作的方式開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源,并研發(fā)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),供全國(guó)院校共同使用,對(duì)院校的課程改革大有裨益.

構(gòu)建開(kāi)放型的虛擬實(shí)訓(xùn)資源學(xué)習(xí)平臺(tái)為學(xué)生提供學(xué)習(xí)服務(wù),讓學(xué)生在家里或者宿舍就可以在平臺(tái)上進(jìn)行學(xué)習(xí),平臺(tái)為學(xué)生提供實(shí)境化的學(xué)習(xí)環(huán)境,學(xué)習(xí)過(guò)程中教師和學(xué)生還可以進(jìn)行問(wèn)題留言或在線交流,便于學(xué)生選擇學(xué)習(xí)時(shí)間和內(nèi)容,打破了時(shí)間和空間的限制,有助于學(xué)生自主學(xué)習(xí),提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量和實(shí)訓(xùn)技能.

(2)完善虛擬仿真實(shí)訓(xùn)考核評(píng)價(jià)體系

利用化工自動(dòng)化專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)資源可以將化工生產(chǎn)過(guò)程分單元進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作.學(xué)生通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)考核系統(tǒng)的任務(wù)完成情況,展示自己對(duì)于化工生產(chǎn)過(guò)程的掌握程度,從而完成考核,這樣既可以減少因?yàn)椴僮魇д`導(dǎo)致學(xué)生人身受到傷害的問(wèn)題,又可以消除因?yàn)椴僮鞑灰?guī)范導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)考核結(jié)果不理想的情況[3].虛擬仿真實(shí)訓(xùn)考核評(píng)價(jià)系統(tǒng)相對(duì)于以往的實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō),變得更加規(guī)范與嚴(yán)格,進(jìn)一步提升了實(shí)訓(xùn)評(píng)價(jià)考核的公平性,從一定程度上改革課程考核評(píng)價(jià)方式,在學(xué)校教學(xué)考核方面起到了積極的作用[3].

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在化工自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用,創(chuàng)新了化工自動(dòng)化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)方式方法,提高了學(xué)生對(duì)技術(shù)的掌握程度.根據(jù)最新技術(shù)的發(fā)展及時(shí)更新VR模型,有助于學(xué)生了解并掌握行業(yè)前沿技術(shù).