現(xiàn)代仿真技術(shù)在高?；ゎ悓I(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

白錦川

酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅酒泉 735000

近年來,隨著我國高等教育改革的不斷深入發(fā)展,高校化工類專業(yè)人才培養(yǎng)必須予以高度重視。傳統(tǒng)的高?；ゎ悓I(yè)教學(xué)模式,已經(jīng)無法滿足于當(dāng)下的教學(xué)需求,需要基于化工類專業(yè)的特色和實際情況,來創(chuàng)新教學(xué)手段,改善教學(xué)現(xiàn)狀。高?；I(yè)知識點較為復(fù)雜,學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有一定的難度,其涉及許多實驗教學(xué)內(nèi)容,僅憑借課堂上的化工教學(xué),很難幫助學(xué)生理解和操作,難以保障最終的教學(xué)效果?；诖?應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮現(xiàn)代仿真技術(shù)作用,將其引入高校化工類專業(yè)教學(xué)中,以直觀地向?qū)W生展示復(fù)雜而抽象的知識,將企業(yè)的真實生產(chǎn)場景通過現(xiàn)代信息技術(shù)搬到學(xué)校,搬到課堂,加深學(xué)生對真實生產(chǎn)畫面內(nèi)容的理解,提高高?；嵱?xùn)課程教學(xué)的內(nèi)在質(zhì)量,實現(xiàn)教學(xué)效益最大化。

一、仿真技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容

仿真技術(shù)是一項綜合性技術(shù),它涵蓋了多個學(xué)科的內(nèi)容。在實際教學(xué)中仿真技術(shù)主要是通過系統(tǒng)模式發(fā)揮自己的作用,這種教學(xué)模式能夠?qū)嶋H生活中的系統(tǒng)或者想象中的系統(tǒng)進行動態(tài)仿真模擬實驗與開發(fā),將抽象的物質(zhì)變得更加真實化和具體化。而且仿真技術(shù)還具有交互性、形象性等多種特征,在計算機信息技術(shù)的支持下,仿真技術(shù)還能夠?qū)嵤┯行У膭討B(tài)實驗,可利用三維立體模型來構(gòu)建虛擬的仿真化學(xué)實驗室。在高?；ゎ悓I(yè)中應(yīng)用仿真技術(shù),十分有必要,其不僅能夠避免化學(xué)實驗帶來的環(huán)境污染和資源浪費,還能夠為學(xué)生提供更多的實訓(xùn)機會,有利于提升學(xué)生的動手操作能力。

仿真技術(shù)在化工類專業(yè)教學(xué)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:一是能夠獲取概念。在化工概念教學(xué)過程中,利用仿真技術(shù)可用動畫的形式來為學(xué)生進行仿真模型實體運動狀況,有利于學(xué)生將抽象的課本知識轉(zhuǎn)化為動態(tài)的畫面進行記憶,方便學(xué)生進行深入理解;二是有利于激勵學(xué)生進行主動學(xué)習(xí)。利用就是計算機仿真技術(shù)來輔助學(xué)生進行化工實訓(xùn),能夠有效把控學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況和進度,可予以學(xué)生良好的引導(dǎo),幫助學(xué)生吸收教師傳授的知識,根據(jù)學(xué)生的實際情況來制訂適宜的實訓(xùn)計劃;三是有利于實現(xiàn)化工訓(xùn)練的智能化。利用仿真技術(shù)來進行實訓(xùn),有著較高的技術(shù)含量,能夠通過實訓(xùn)數(shù)據(jù)來了解學(xué)生的實際學(xué)習(xí)情況,幫助學(xué)生提升自身綜合分析能力;四是有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性。在學(xué)生不斷實踐過程中,其能夠改進自身不足,尋找最佳的實訓(xùn)方案[1]。

二、現(xiàn)階段高校化工類專業(yè)教學(xué)中存在的問題

現(xiàn)階段,在高?；ゎ悓I(yè)教學(xué)過程中,還存在著一定的問題,有待于進一步解決,其問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面:一是在化工類專業(yè)教學(xué)過程中,受辦學(xué)條件、實驗實訓(xùn)條件等影響,教師未能將理論教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合,學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度過于被動,未能突出學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位,不利于全面培養(yǎng)企業(yè)行業(yè)所需的優(yōu)秀化工技能型人才;二是受各種條件的限制,化工類專業(yè)實踐教學(xué)較為薄弱,化工類專業(yè)屬于專業(yè)性很強的工科學(xué)科,需要大量的動手實踐操作,需要在大量真實的環(huán)境中體會,一方面化工生產(chǎn)裝置體量都比較大,而且類別多樣,十分復(fù)雜,如若要采購所有的試驗設(shè)備,要求學(xué)校投入較大的資金,還要做好硬件、系統(tǒng)等維修服務(wù),提供相應(yīng)的場地,這對于學(xué)校來說難以實現(xiàn);另一方面,化工操作條件較為嚴苛,學(xué)校難以為學(xué)生提供適宜的化學(xué)化工操作場所,而且化學(xué)化工操作也有一定的危險性,涉及易燃易爆、有毒有害的化學(xué)試劑,存在一定的安全風(fēng)險,對操作環(huán)境也有著較大的影響;三是受客觀條件的限制,教師在展開實踐教學(xué)的時候,多采用小組合作實驗的方式來進行教學(xué),這不利于培養(yǎng)學(xué)生的獨立實驗?zāi)芰?難以達成良好的教學(xué)效果[2]。四是職業(yè)教育所倡導(dǎo)的產(chǎn)教融合、校企合作難以實現(xiàn)引企入校,受環(huán)境和安全因素,不可能將化工企業(yè)中試和小試裝置放置于校園內(nèi)或?qū)嶒瀸嵱?xùn)中心。

三、現(xiàn)代仿真技術(shù)在高?；ゎ悓I(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

(一)化學(xué)工藝教學(xué)中的應(yīng)用

現(xiàn)代仿真技術(shù)在化學(xué)工藝教學(xué)中有著較好的應(yīng)用效果?；瘜W(xué)工藝是一種化學(xué)生產(chǎn)過程,其研究的是如何將化學(xué)原料加工成化工產(chǎn)品?；瘜W(xué)生產(chǎn)過程涵蓋了多個知識點,包括但不限于化工生產(chǎn)的方法、原理,化工生產(chǎn)流程,化工生產(chǎn)設(shè)備等。在高?；ゎ悓I(yè)教學(xué)過程中,化學(xué)工藝是其中重要組成部分,開課的目的是充實學(xué)生有關(guān)化學(xué)工藝的知識,為其他化工專業(yè)的學(xué)習(xí)奠定扎實基礎(chǔ),增強學(xué)生的化工工程意識,提高學(xué)生的理論知識掌握水平,以便學(xué)生在日后能夠順利完成化工實踐工作。將現(xiàn)代仿真技術(shù)應(yīng)用于化工工藝教學(xué)中,可將課本中靜態(tài)的知識變得動態(tài)化,借用DSC畫面來教授學(xué)生學(xué)習(xí)各類化學(xué)工藝的生產(chǎn)流程,使之獨立掌握操作方法,提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,強化學(xué)生的動手操作能力,以保障化學(xué)工藝教學(xué)質(zhì)量[3]。

(二)儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用

儀器分析是高?；そ虒W(xué)過程中的重要組成部分,其屬于基礎(chǔ)必修課。在學(xué)習(xí)儀器分析知識的時候,學(xué)生不僅要掌握各類化工儀器的分析方法,了解其分析原理,將其應(yīng)用于適宜的化學(xué)分析研究中,還要熟悉各類化工儀器的操作方式,對化工儀器本身結(jié)構(gòu)有一定的了解。傳統(tǒng)的化工儀器分析課程教學(xué),主要是由教師在課堂中進行講解,然后學(xué)生聽講做筆記。在多媒體教學(xué)技術(shù)發(fā)展下,大部分教師開始使用PPT來制作課件進行內(nèi)容講解。一堂課的時間有限,并不長,但儀器分析課程的內(nèi)容對實踐性要求比較高,僅僅是講解理論方面的內(nèi)容,并不能讓學(xué)生充分掌握各類儀器的操作方式,也不利于學(xué)生對相關(guān)原理的理解,這不利于提高儀器分析教學(xué)水平。基于此,教師可以將現(xiàn)代仿真技術(shù)有效應(yīng)用于儀器分析教學(xué)中,使用仿真技術(shù)來教授學(xué)生各類儀器的組成,強化學(xué)生對各類儀器的使用條件的記憶,讓書本中抽象的知識具象化,消除學(xué)生的畏難情緒,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,提升學(xué)生的儀器分析能力。例如在“大學(xué)化學(xué)儀器分析”課程教學(xué)中的應(yīng)用,尤其是在高成本的大型精密儀器教學(xué)中的應(yīng)用,以掃描電子顯微鏡(SEM)及透射電子顯微鏡(TEM)為例,兩臺儀器在教學(xué)中使用虛擬技術(shù)可以讓學(xué)生熟練儀器的操作流程和操作技巧,還能模擬對儀器進行拆卸,熟悉儀器的構(gòu)造,進而能全面激發(fā)學(xué)生的興趣和愛好,為后期的科學(xué)研究也奠定良好的基礎(chǔ)。仿真技術(shù)的應(yīng)用還能讓學(xué)生更加穩(wěn)固的學(xué)習(xí),知識掌握更加扎實。

(三)化工單元操作實驗課中的應(yīng)用

在高?；ゎ悓I(yè)教學(xué)中,化工單元操作實驗課是必不可少的一門課程。但許多學(xué)校因為場地限制、實驗設(shè)備限制而未開展,一般都是通過分組實驗?zāi)Ｊ絹磉M行實驗教學(xué),這雖然能夠達到一定的教學(xué)效果,但是無法鍛煉學(xué)生的獨立實驗?zāi)芰?而且也不利于學(xué)生全面了解實驗過程中的每一個環(huán)節(jié),部分化學(xué)裝置的使用也不到位。還有些學(xué)生在合作實驗的過程中,過于依賴其他同學(xué),實驗狀態(tài)較為懈怠,并沒有親自動手嘗試,難以實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。將仿真技術(shù)應(yīng)用于化工單元操作實驗課中,可幫助學(xué)生進行獨立的實驗操作,使之掌握各類化學(xué)裝置的使用方法,全面了解每一個操作過程,有利于提高學(xué)生的化學(xué)實驗?zāi)芰4]。

(四)化工綜合實訓(xùn)項目中的應(yīng)用

伴隨著自動化技術(shù)和計算機編程技術(shù)的開發(fā),越來越多的化工自動化技術(shù)變成現(xiàn)實,很多化工企業(yè)技術(shù)改造和升級換代過程中大量引進化工自動化裝置,許多操作在化工中控室通過中、遠程操控完成,設(shè)備周圍的操作人員已經(jīng)大量減少,與此同時提高了對從業(yè)者中控操作能力的提升。虛擬仿真技術(shù)恰好逆襲填補了高校化工專業(yè)人才培養(yǎng)中大型實訓(xùn)裝置需要中控裝置的空白,讓一臺大型的綜合實訓(xùn)裝置,既可以實現(xiàn)工藝流程學(xué)習(xí)和化工設(shè)備裝置學(xué)習(xí),又掌握了現(xiàn)代化工中控室操作的需求。

(五)高溫高壓等特殊危險反應(yīng)工藝實訓(xùn)中的應(yīng)用

化工生產(chǎn)過程普遍帶有易燃、易爆、高溫、高壓和易腐蝕等特點,在實驗實訓(xùn)室完成這樣具有危險性質(zhì)的實驗實訓(xùn)顯然不太現(xiàn)實,虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用,將復(fù)雜工藝和實驗技術(shù)變成實踐成為可能,學(xué)生可以通過虛擬仿真技術(shù)在線完成實驗項目,也可以通過改變溫度、壓力、配比、進料量等工藝參數(shù),直觀感受不同工藝參數(shù)下反應(yīng)過程的變化。

(六)職業(yè)健康和安全防護中的應(yīng)用

運用模擬仿真技術(shù)進行化工企業(yè)職業(yè)健康和安全防護、現(xiàn)場取樣等各種場景的培訓(xùn),可以綜合提高企業(yè)工作人員職業(yè)防護能力和操作技巧和方法。在化工企業(yè)消防救援、應(yīng)急處置、特種作業(yè)中,采用模擬仿真技術(shù)開展從業(yè)人員的教學(xué)培訓(xùn),通過模擬事故發(fā)生過程中容易發(fā)生的不同場景,讓所有受訓(xùn)者在教學(xué)中進行直觀畫面感受,感性地認識到強化職業(yè)安全防護的重要性。比如在消防救援前,如何選擇穿戴救援衣物,選擇何種消防器材,消防救援的位置等;在現(xiàn)場取樣過程中,對不同的取樣位置和取樣品種,如何做好個人防護等;在應(yīng)急處置現(xiàn)場,如何辨識危險源,如何選擇最佳的應(yīng)急處置方法,應(yīng)急處置的流程等;在動火、動土、受限空間、高空作業(yè)等特殊作業(yè)過程中,如何啟動作業(yè)證辦理到施工驗收完成等;模擬仿真技術(shù)可以在有限的資源和空間中,用最少的付出和成本,盡快提高學(xué)生的職業(yè)安全防護能力,最大化增強防護技巧,可以從學(xué)習(xí)者的一開始,糾正不良的職業(yè)習(xí)慣,為將來合格的從業(yè)者奠定良好的職業(yè)習(xí)慣和安全責(zé)任意識。

四、高?；ゎ悓I(yè)實訓(xùn)教學(xué)中的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用

在高?；ゎ悓I(yè)實訓(xùn)教學(xué)過程中,可以有效應(yīng)用虛擬仿真技術(shù),其能夠通過真實模擬工廠各生產(chǎn)環(huán)節(jié),來對學(xué)生進行實訓(xùn)練習(xí)。既可以模擬工廠開工、停工和正常運行,也可以模擬工廠實際生產(chǎn)中遇到的各類緊急情況和應(yīng)急處理,讓學(xué)生在保證安全的前提下果斷進行應(yīng)急處理,這有利于提升學(xué)生的動手實踐能力。高?；ゎ悓I(yè)教學(xué)重視理論教學(xué)和實踐教學(xué)的有效結(jié)合,學(xué)生在掌握扎實的理論基礎(chǔ)之后,才能將其有效運用于實踐操作中,正確操作實驗過程中的每一個步驟;而學(xué)生只有在動手實踐操作之后,才能更深入地了解理論知識中闡述的概念,并掌握化工生產(chǎn)的實際方法。

在高校化工類專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)過程中,應(yīng)用虛擬仿真技術(shù),需從以下幾個方面著手:一是在實施虛擬仿真實訓(xùn)之前,要先為學(xué)生補充相關(guān)知識點。給學(xué)生留出一定的時間去熟悉化工生產(chǎn)的整個過程,了解其生產(chǎn)特點、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)方式。對于生產(chǎn)中需要使用的設(shè)備進行詳細了解,需掌握其一般信息。學(xué)生還要對相關(guān)行業(yè)的發(fā)展實情有一定的認知,然后再利用虛擬仿真平臺來進行實訓(xùn)。實訓(xùn)前的知識儲備工作十分重要,學(xué)生要知道如何進入平臺,如何操作平臺中的各個模塊,要先學(xué)習(xí)實驗的相關(guān)工藝理論,配備適宜的生產(chǎn)設(shè)備,了解設(shè)備的操作方法,優(yōu)化化工工藝流程。在具備這些知識之后,教師可讓學(xué)生按照要求來撰寫實訓(xùn)報告,提出問題,用實訓(xùn)的方式來解答問題[5]。

二是在進行虛擬仿真實訓(xùn)的過程中,應(yīng)當(dāng)完成具體的化工實訓(xùn)教學(xué)。虛擬仿真實訓(xùn)有多種功能,既可以進行信息發(fā)布,與其他同學(xué)、教師進行交流,還可以將自己的實訓(xùn)成果進行展示。學(xué)生可以利用電腦或是iPad等設(shè)備來遠程連接虛擬仿真實訓(xùn)平臺,直接在線選擇功能,可使學(xué)生在三維虛擬仿真工廠中工作。學(xué)生應(yīng)當(dāng)根據(jù)自己的實際情況,選擇適宜的虛擬實驗?？稍趯嵱?xùn)平臺中進行學(xué)習(xí),掌握相關(guān)安全生產(chǎn)知識,了解該實驗中所使用的化工設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理。實訓(xùn)中會為學(xué)生設(shè)置多項任務(wù),由學(xué)生來執(zhí)行任務(wù),這種方式能夠激發(fā)學(xué)生的斗志和興趣,好比游戲的闖關(guān)模式,具有趣味性,可促使學(xué)生自主地參與到實訓(xùn)教學(xué)中。而且仿真軟件可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù),來對物理設(shè)備、化工過程進行有效模擬,并配合真實仿真軟件,可模擬真實的化工過程。虛擬仿真的另外一個特點是,在任務(wù)完成過程中,科學(xué)合理地設(shè)置一些問題,可以在線完成問題解答,真正做到理論與實踐的相對應(yīng)和相結(jié)合。利用DSC控制系統(tǒng),最大的優(yōu)點是可還原現(xiàn)場,讓學(xué)生仿佛身處于真實的化工工廠中工作,特別3D仿真技術(shù)應(yīng)用,不同的設(shè)備位置和指示牌,整個實驗實訓(xùn)過程就像進入真實車間,可使學(xué)生及早熟悉化工企業(yè)大環(huán)境。

三是在學(xué)生完成虛擬仿真實訓(xùn)之后,虛擬仿真軟件可以將學(xué)生的操作實時數(shù)據(jù)進行有效采集,并對這些數(shù)據(jù)進行科學(xué)分析,然后在線發(fā)布學(xué)生的實訓(xùn)報告。實訓(xùn)系統(tǒng)會對學(xué)生的實驗情況進行考核,判斷學(xué)生是否達到標(biāo)準(zhǔn)要求,這實現(xiàn)了對學(xué)生實訓(xùn)學(xué)習(xí)的量化要求,也有利于學(xué)生了解自己實驗過程中的不足,不斷地改進,可以促進學(xué)生化工實訓(xùn)操作能力的提升[6]。

結(jié)語

總而言之,高校化工專業(yè)實踐教學(xué)受設(shè)備、安全、環(huán)境、成本等較多因素的限制,在化工類專業(yè)教學(xué)過程中,應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù),提高化工類專業(yè)教學(xué)的效益,強化學(xué)生的動手實踐能力和拓展思維,大力保障教育教學(xué)質(zhì)量。