关于职业院校化工虚拟仿真实训装置建设的设想

张超

摘  要：信息化时代下，职业教育需积极探索智能化实训教学与资源建设路径，开展信息化环境下的虚拟仿真实训教学模式创新研究与实践。本文以化工专业为例，探寻信息化技术在专业实训装置建设中的融合应用。

关键词：虚拟仿真;化工装置;智能化平台

分类号：D631.15

一、前言

化工专业职业教育目标是培养合格的化工生产一线操作员工。将来的就业岗位主要为化工装置内操和外操人员。无论是高职还是中职，在专业课程设置中，都有化工装置操作类课程，该课程实操性强，内容与学生顶岗实习和就业的工作任务最为接近，其实施效果直接决定了学生是否能尽快胜任工作岗位。

化工行业的连续化生產特点和高危特征以及对环保的特殊要求，致使学校的化工装置操作实训难以呈现企业真实的生产情境，一些特定的实训项目（如事故的应急处理演练等）无法在实训装置上开展，同时目前的化工实训装备尚不具备在线教学条件，对当前提倡的线上线下融合教学及对学生（学员）实施个性化、多样化、智能化、泛在化的实训教学造成瓶颈。因此，充分运用虚拟现实、增强现实、物联网、大数据等技术建设化工虚拟仿真实训装置，对于营造实训中心的企业化生产情境，完善提升实训中心能级，促进专业教学模式创新，提升专业教学成效均具有现实意义。

二、化工虚拟仿真实训建设思路与目标

1.建设思路

以信息化技术引领构建职业教育实训教学新模式，坚持立德树人、融合创新，深化产教融合、校企合作。以化工综合实训装置为载体，立足学校现有实训基础，遵循从单元到综合的学习规律，以岗位工作任务为导向，开发基于化工操作岗位与工作过程的虚拟仿真实训资源，开展线上线下融合的混合实训教学模式创新研究与实践。

2.建设目标

构建基于化工生产过程的3D和AR仿真的职场环境，能实现线上线下相融合的，实施个性化、多样化、泛在化的实训教学资源， 建成与化工产业发展需求相匹配的，体现职教特色，具有示范引领作用的“化工虚拟仿真实训教学装置”;搭建能真实体现学生学习状态和成效，并能为多层面提供分析预判数据，实现跨区域资源共享的智能化虚拟仿真实训管理和共享平台;借鉴国际先进实训教学与管理理念，探索形成基于大数据分析的，有特色、可共享的实训教学、企业员工培训考证及社会实践基地的经验与模式。

三、化工虚拟仿真实训建设内容

1. 化工虚拟仿真实训教学资源建设

对接化工行业典型工艺，建设3D虚拟仿真工艺包。根据实训装置工艺流程和生产特性，嵌入设备、管路、安全等可与线下实训结合的若干单元级数字化学习模块，在具备了装置所需单元知识、技能和素养的基础上，可进行综合装置虚拟仿真的开停车、运行监控、故障处理等实训操作。一套完整的化工仿真实训资源包含单元级仿真资源和综合装置仿真资源。

（1）单元级仿真资源

根据装置工艺流程开发相应的设备操作、安全防护、突发应急等教学资源和仿真实训项目。以笔者所在学校的碳二精制乙烯实训装置为例，该装置工艺反应工段为固定床反应器发生乙炔加氢制乙烯的反应，分离工段为乙烯乙烷的精馏分离，配套相应的罐区、换热、流体输送等设备。建设的单元级仿真实训资源可包括：安全防护仿真软件;精馏塔、反应器、换热器、泵等设备的结构动画;反应与分离单元操作与设备维护仿真软件;化学品事故应急仿真软件。

（2）综合装置仿真资源

针对学校已有装置，在DCS控制系统和OTS操作工培训系统应用的基础上，除工艺全流程开停车操作、正常运行等外，设计含危险源辨识、生产故障排除、突发应急处理等内容的虚实结合实训项目。注重内外操联动，高度还原实际化工生产操作岗位的工作任务，规范运行化工装置，强化安全意识，提升生产风险辨识、安全稳定控制生产过程、正确应对化工生产中紧急事件的能力。

单元级仿真教学资源可用于多种工艺的综合装置实训，根据工艺流程及生产特性按需链接提取学习，各校可根据学校实训装备情况统筹考虑单元级仿真资源的开发。

通过软件操作界面将所有内容有机整合，除基本的装置运行功能满足外，设置引导文（提示性问题）、工艺介绍、安全提示（可链接到安全生产和事故应急等单元级教学资源）、设备应用（可链接到设备相关单元级教学资源）、工作页等功能模块。

2.丰富信息化手段的应用，提升实训效果

（1）采用仿真测量控制系统，实现内外联动

仿真测量控制系统是DCS与实体装置之间的纽带，是模拟技术得以实现的保障。现场设备中所有的仪表检测、阀门动作等被测物理量通过传感器和变送器转换成电信号，传送至仿真模型。通过对现有装置部分构件的改造，打造一套内外联动、软硬结合，涵盖静设备、动设备、各种阀门以及相关仪表、ESD联锁系统、DCS控制系统等的实物仿真装置，配合任务向导教学法和内外操岗位设置，使学生在校就能进行“工厂化”的上岗操作，学以致用。真正做到“把工厂搬进学校”，实现实训教学过程与岗位工作过程的零距离。

（2）搭建知识管理平台，支持碎片化学习

将安全防护、工艺知识、设备结构、操作要点等以图文、视频、3D动画、VR等形式呈现，搭建知识管理平台，制作二维码链接张贴或悬挂于装置现场相应点，学生利用平板可以在实训操作过程中随时访问与学习。

（3）利用声光烟特效，营造真实情境

8.12天津港爆炸、3.12响水爆炸等特大事故反映出，事故应急技能对事故后果的严重程度起到决定性作用，将事故应急训练融入化工综合装置实训中显得尤为重要。尽管目前市面上已有事故应急实训的半实物仿真实训装置，但大多是独立设置，或者仅限于单元装置，没有和全流程工艺装置运行结合起来，因此与实际生产脱节。学生在装置操作实训过程中，由于误操作或参数失控，或是教师后台设置故障，触发装置现场的若干声光烟特效感应点，营造事故氛围。学生观察到事故现象后可自发地从正常运行的实训模式切换到事故应急训练模式，这种方式与实际事故发生的情况更为贴合。

（4）运用混合现实技术（MR）技术，虚实结合

MR技术在现实世界、虚拟世界和人员之间搭建交互反馈的信息回路，有很强的代入感和真实感。MR设备通过对化工装置场地布局、设备外观、管路走向进行详细识别、分析、拍摄和采集，使用着在使用过程中能够有针对性地识别化工装置的各个部位，并触发相关的数据显示。例如，将物料流动的三维特效及相关工艺数据叠加在真实管道影像中，物料反应的三维特效及相关工艺数据叠加在真实的反应器影响中，更好地做到理实结合。此外，据调研得知，化工装置设备可继续采用传统的实物装置，无需因为MR技术的应用而进行特殊设计和改造，进一步确认了MR技术融合的可行性。

3.智能化实训管理，建设共享平台

构建基于智能化的虚拟仿真实训管理和共享平台，重构教学流程，实现线上线下联动学习;多维度全过程进行学生相关数据的自动跟踪、记录、评价与考核，建立课程树形成学生学业画像，生成学生学业数据的智能评价分析报告，为学生的个性化学习、教师教学指导、企业员工管理、行业标准设定等提供更精细化的数据分析服务。

（1）基于虚拟仿真与现场装置相结合的教学流程再造

整个教学流程以管理平台为依托，以学生为中心，以学习过程为主体，以教师指导为保障，全程实时保持师生沟通和数据智能化自动收集及分析。通过课前认知学习、课中探究内化、课后巩固提升三个阶段完成教学过程。

教学过程中线上与线下相结合，虚拟仿真与现场装置相结合，任务引领、做学一体，突破时空限制，激发学习互动性和积极性，有效突破实训难点，迅捷提供教学反馈，科学进行教学评价，全面提高教学效果。

利用平台课后作业数据，分析学生作业情况，在原有教学设计的基础上针对性完善下一次课的复习要点及教学策略。同时准备下一次课的预学材料和课前任务，进入新的教学流程。 接收建议书，通过完成课后实训报告和作业，对所学内容学以致用，巩固提升，并将作业提交平台。

（2）基于线上线下联动学习的 “课程树”构建

基于线上模拟、线下实操的方式，依据学校教务管理系统、网络学习平台及即将建设的虚拟仿真实训管理和共享平台中数据为参考，从学生知识点、技能点和安全素养等维度进行学生学业相关数据的收集和分析，汇聚学生学习单元的掌握程度及专业课程的完成情况，建立学生学业“课程树”，最终以图形化的形式智能推送给学生，形成学生画像的学习数据。

（3）建立智能化的教学分析诊断系统。运用所采集的教学过程数据，通过不同角度的“阈值”设定，进行警示分析预判，提供学生学习、教师教学、企业和行业四个层面的可视化风险预判书，为学生的个性化学习、教师教学指导、企业员工岗位操作、行业标准设定等提供更精细化的数据分析服务。

四、结语

职业院校虚拟仿真建设是落实《国家职业教育改革实施方案》和地方职业教育高质量发展、教育信息化建设等相关行动计划的举措之一。职业院校应紧跟科技发展的步伐，基于专业和课程特点，积极探索智能化实训教学与资源建设路径，在教育信息化环境下开展虚拟仿真实训教学模式创新的研究与实践。本文所阐述的化工虚拟仿真实训装置建设是上海市中等职业学校示范性虚拟仿真实训室建设15个立项项目之一。《上海市中等职业学校示范性虚拟仿真实训室建设指导意见》提出虚拟仿真项目建设要深化产教融合校企合作，紧密结合经济社会发展对人才培养的需求，紧密结合专业特色和行业产业发展动态。因此，在虚拟仿真项目建设过程中，将引入企业共建机制，以企业典型生产工艺和装置为蓝本，校企共同研究制定方案，聘请具有丰富生产经验的专业技术人员，深度参与虚拟仿真工艺包开发、应急处置案例设计、教学资源开发、教学实施情境开发等工作，确保建成的虚拟仿真实训装置做到职业能力导向，与企业实际生产有高契合度，并能解决真实实训条件不具备或运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题，全面促进信息技术与实训教学融合创新发展，达到创新实训教学新模式、提升实训教学质量的效果。

参考文献

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[5]《上海市中等職业学校示范校虚拟仿真实训室建设指导意见》2020.5

上海石化工业学校  上海  200540