徐環(huán)斐，劉月濤，王 政，高傳慧，丁 麗，田文德

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042)

2019年教育部高教司強(qiáng)調(diào)要持續(xù)通過互聯(lián)網(wǎng)+教育和智能+教育等方式實(shí)現(xiàn)高等教育變軌超車。要面向未來，推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深化融合。在之前2018年召開的新時(shí)代全國高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議中，150多所高校認(rèn)真學(xué)習(xí)貫徹《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》，并進(jìn)行一流本科教育宣言，要致力于變軌超車，將繼續(xù)深入推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+高等教育，打破傳統(tǒng)教育的時(shí)空界限和學(xué)校圍墻，改革教學(xué)形態(tài)，教育形態(tài)和組織形態(tài)。 2018年4月教育部提出的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》強(qiáng)調(diào)要將知識(shí)資源數(shù)字化、平面資源立體化，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的大資源化[1-3]。

化工設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)是面向社會(huì)需求，培養(yǎng)服務(wù)于化工行業(yè)的拔尖創(chuàng)新型人才和卓越工程師人才。學(xué)生掌握化工設(shè)計(jì)的基本工作程序、了解化工工廠設(shè)計(jì)的內(nèi)容、和相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙、表格及文檔，實(shí)踐一個(gè)化工工廠的全過程，從廠址的選擇到設(shè)備的設(shè)計(jì)和布置到開車試運(yùn)行等全部過程。本課程的學(xué)習(xí)是對(duì)化工基礎(chǔ)知識(shí)等傳統(tǒng)教學(xué)模式的延伸和拓展，是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，內(nèi)容龐雜，概念較多，要求學(xué)生的實(shí)踐性和創(chuàng)造性較強(qiáng)。化工設(shè)計(jì)課程是與其他高等教育基礎(chǔ)課程和化工類專業(yè)課程互相滲透同時(shí)緊密相連，用到了高等數(shù)學(xué)、物理、化工倫理學(xué)、化工原理、分離工程、反應(yīng)工程、機(jī)械制圖、流程模擬等諸多知識(shí)，是化工類本科學(xué)生需要重點(diǎn)掌握但同時(shí)又表現(xiàn)出了相當(dāng)大掌握難度的一門專業(yè)必修課。虛擬仿真是利用計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互，給體驗(yàn)者創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化的三維虛擬世界,并通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，提供體驗(yàn)者一個(gè)觀測(cè)與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。虛擬仿真技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，如多感知性、存在感、交互性、自主性、沉浸感、構(gòu)想性等；其在機(jī)械制造、自動(dòng)化、醫(yī)療、藥學(xué)、化工、土建等多個(gè)專業(yè)教育領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。化工類高等院校通過虛擬仿真技術(shù)積極拓展化工專業(yè)課程建設(shè)，提高本科生的學(xué)習(xí)興趣，優(yōu)化教學(xué)模式，提高學(xué)生思維能力和解決實(shí)際工程問題能力，通過實(shí)現(xiàn)線上線下的虛實(shí)結(jié)合，增加了學(xué)生的參與度，提高了《化工設(shè)計(jì)》課程教學(xué)品質(zhì)。

1 《化工設(shè)計(jì)》教學(xué)現(xiàn)狀

《化工設(shè)計(jì)》課程以化工工廠設(shè)計(jì)為對(duì)象，系統(tǒng)講授化工工廠設(shè)計(jì)的工作程序、國家和行業(yè)內(nèi)的相關(guān)政策和規(guī)范、化工計(jì)算、設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)、車間布置設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、非公用工程設(shè)計(jì)等知識(shí)。具有綜合性(多專業(yè)基礎(chǔ)課知識(shí)的綜合與集成)、實(shí)踐性(面向?qū)嶋H化工工藝設(shè)計(jì)、化工廠設(shè)計(jì)的工程運(yùn)用)等特點(diǎn)。目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決工程技術(shù)問題的能力和創(chuàng)新意識(shí)，讓學(xué)生了解化工設(shè)計(jì)基本原則、工作程序、工作內(nèi)容、設(shè)計(jì)文檔編制方法以及現(xiàn)代工具的應(yīng)用，經(jīng)歷從單元過程到完整流程再到化工廠的設(shè)計(jì)全過程，為培養(yǎng)從事化工設(shè)計(jì)(包括化工工藝設(shè)計(jì)乃至化工廠設(shè)計(jì))、化工生產(chǎn)管理方面的化工人才打下基礎(chǔ)。

目前課程的理論教學(xué)部分主要采用以“教師授課為中心”的傳統(tǒng)課堂授課模式。表現(xiàn)形式為以教師在課堂上進(jìn)行系統(tǒng)講解，而這種形式，難以激發(fā)學(xué)生的潛在興趣和思維創(chuàng)造能力，學(xué)生在課堂上的整體參與度不高[4]?？紤]到本科生在本科教育期間對(duì)真實(shí)化工工廠設(shè)計(jì)建造案例接觸的機(jī)會(huì)較少，化工工廠設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)資源非常有限，學(xué)生對(duì)車間廠房、儀器設(shè)備、管路走向等三維立體空間的構(gòu)造比較陌生，不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的靈活掌握和運(yùn)用，也不利于化工類學(xué)生畢業(yè)后在化工設(shè)計(jì)領(lǐng)域的工作發(fā)展。

同時(shí)，考慮到化工工廠設(shè)計(jì)實(shí)踐的安全性和操作性、化工工廠設(shè)計(jì)的空間要求、技術(shù)難度、學(xué)生人數(shù)較多、學(xué)時(shí)較少，很難全覆蓋的進(jìn)行實(shí)際工廠設(shè)計(jì)的相關(guān)演練。因此，急需大力發(fā)展虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)+《化工設(shè)計(jì)》教學(xué)體系，在虛擬世界中絕對(duì)安全的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)可覆蓋全體學(xué)生的沉浸式參與化工工廠的設(shè)計(jì)建造，增強(qiáng)學(xué)生的參與度，綜合培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，以彌補(bǔ)目前教學(xué)環(huán)節(jié)中的不足[5]。

2基于虛擬仿真技術(shù)的《化工設(shè)計(jì)》課程教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

利用虛擬仿真技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)《化工設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革，通過多方面優(yōu)化應(yīng)用，解決目前課程存在的化工工廠設(shè)計(jì)的難操作、難參與的諸多問題。

2.1 三維體驗(yàn)沉浸感好

實(shí)現(xiàn)三維立體環(huán)境的體驗(yàn)，形象逼真，具有良好的沉浸感和多感知性，是虛擬仿真技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)[6]。學(xué)生可以在化工工廠某一車間內(nèi)進(jìn)行多感官的體驗(yàn)，利用視覺體驗(yàn)、聽覺體驗(yàn)甚至是觸覺體驗(yàn)來感受車間內(nèi)各設(shè)備的平面布置和立面布置，感受設(shè)備之間連接的各管道的布置。通過在化工廠中進(jìn)行漫游，感受廠區(qū)不同區(qū)域布置及思考為何進(jìn)行如此布置，體驗(yàn)工廠的發(fā)展用地，公用工程設(shè)計(jì)?；蚯宄F(xiàn)有設(shè)計(jì)，在原始地塊上進(jìn)行完全重新的布置，對(duì)生活區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、行政區(qū)、配電室、中控室、發(fā)展用地等進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)規(guī)劃。通過三維模型等手段，將現(xiàn)實(shí)中難以進(jìn)行的復(fù)雜化工工廠建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行再現(xiàn)[7]，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)化工工廠設(shè)計(jì)各知識(shí)。點(diǎn)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)學(xué)生和化工工廠的動(dòng)態(tài)交互。以行業(yè)內(nèi)大量實(shí)際數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫支撐，以書本理論知識(shí)作為導(dǎo)向，構(gòu)建虛擬仿真的化工工廠設(shè)計(jì)環(huán)境和三維模型，模擬設(shè)計(jì)過程，以更貼近現(xiàn)實(shí)的手段解決本課程的知識(shí)點(diǎn)太抽象并且難體驗(yàn)問題[8]。

2.2 安全性高

今年，化工行業(yè)出現(xiàn)多次重大安全事故，安全問題再次引起各界關(guān)注和重視。早在2016年4月，國務(wù)院安委會(huì)辦公室即下發(fā)了關(guān)于重大事故的工作文件《標(biāo)本兼治遏制重特大事故工作指南》，要求構(gòu)建安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管控和隱患排查的雙重預(yù)防機(jī)制，是遏制重大事故的重要舉措?；ぴO(shè)計(jì)課程是化工專業(yè)必修課，內(nèi)容也涉及了諸多安全問題。在化工工廠的設(shè)計(jì)過程中，從原材料的入場(chǎng)，到工藝流程的展開，到設(shè)備的運(yùn)行檢修等各個(gè)階段都包含了化學(xué)品安全問題、建筑物構(gòu)筑物安全問題、設(shè)備安全問題、運(yùn)行安全問題、防火防爆問題等[9-10]。目前，很難讓學(xué)生在現(xiàn)實(shí)化工廠環(huán)境中去演練設(shè)計(jì)過程，學(xué)生掌握知識(shí)，運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題時(shí)，有不熟悉到熟悉的過程，在此過程中難免會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作，但若現(xiàn)實(shí)情況下出現(xiàn)錯(cuò)誤設(shè)計(jì)，將出現(xiàn)安全問題，甚至引起重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。在此背景下，虛擬仿真技術(shù)和化工設(shè)計(jì)課程結(jié)合便凸顯出安全性的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。以虛擬仿真技術(shù)為載體的多媒體情景模擬，可以讓學(xué)生在理論講授環(huán)節(jié)之后，展開實(shí)際案例的模擬教學(xué)環(huán)節(jié)。如典型設(shè)備的控制方案這一章節(jié)中，學(xué)生可以在VR場(chǎng)景中進(jìn)行泵、壓縮機(jī)、換熱器、反應(yīng)器、蒸餾塔的自控設(shè)計(jì)和修正。在VR場(chǎng)景中感受常見設(shè)備事故，并進(jìn)行常見事故應(yīng)急處置培訓(xùn)，如對(duì)帶壓容器的安全生產(chǎn)培訓(xùn)和緊急制動(dòng)連鎖停車后處理的培訓(xùn)。安全問題是化工設(shè)計(jì)課程講授重點(diǎn)，通過虛擬仿真技術(shù)，可以保障本課程在安全環(huán)境下順利開展。

2.3 授課的靈活性高

基于虛擬仿真的技術(shù)，可以突破教室授課的空間、時(shí)間和參與人員的局限性，從而大幅度提高化工設(shè)計(jì)課程授課的靈活性。虛擬仿真技術(shù)配合網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，形成互聯(lián)網(wǎng)+化工設(shè)計(jì)課堂，可貫穿整個(gè)專業(yè)課講授階段。在進(jìn)行課堂教學(xué)之前，課程講授團(tuán)隊(duì)老師即可在平臺(tái)上發(fā)布模擬場(chǎng)景和制定學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生可以通過手機(jī)客戶端、電腦客戶端、平板客戶端進(jìn)行隨時(shí)隨地的化工設(shè)計(jì)課程線上學(xué)習(xí)?；ぴO(shè)計(jì)課程和虛擬仿真技術(shù)結(jié)合之后，可以實(shí)現(xiàn)在平臺(tái)中給出視頻、動(dòng)畫、類似游戲任務(wù)等的多形式教學(xué)模塊，并配備現(xiàn)實(shí)工廠的生產(chǎn)實(shí)景和案例說明，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)課堂外無空間和時(shí)間局限的靈活性自學(xué)環(huán)境。同時(shí)，根據(jù)學(xué)生進(jìn)度的不同，學(xué)生可以自主調(diào)至某一章節(jié)，進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固所學(xué)知識(shí)。學(xué)習(xí)程度比較好的學(xué)生，自學(xué)能力比較強(qiáng)，可以走在課堂教學(xué)的前面，進(jìn)行后面即將講到章節(jié)的預(yù)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了通過虛擬仿真技術(shù)和化工設(shè)計(jì)課程的結(jié)合，構(gòu)建了針對(duì)不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生，高彈性、靈活輔助的自學(xué)機(jī)制。

2.4 學(xué)生參與度高

針對(duì)課堂教學(xué)中學(xué)生參與度較低的問題，虛擬仿真技術(shù)可以獲得很強(qiáng)的沉浸感，加案例情景教學(xué)中類似做游戲攻關(guān)一般的特點(diǎn)，可以大大提高學(xué)生的參與度。比如在化工設(shè)計(jì)課程中的非工藝專業(yè)這一章節(jié)，主要講授公用工程的設(shè)計(jì)，給排水、供電、供熱及冷凍工程、采暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)、土建設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制、安全與環(huán)境保護(hù)中的燃燒爆炸和防火防爆、防雷設(shè)計(jì)、環(huán)境污染及其治理等內(nèi)容[8]。在虛擬仿真教學(xué)環(huán)節(jié)，通過三維模型和VR體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)逼真的虛擬化工工廠場(chǎng)景和典型事故案例。學(xué)生身臨其境，以第一人稱的感官體驗(yàn)和視角感受整個(gè)事故發(fā)生的全部過程和參與到緊急處理環(huán)節(jié)。學(xué)生積極主動(dòng)參與到應(yīng)急處置和案例分析過程中，如觸電處理、爆炸處理、火災(zāi)處理、人員中毒處理、危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏處理、廠房爆炸坍塌、高空動(dòng)火作業(yè)、原料輸送離心泵著火、儲(chǔ)罐液位偏高或者偏低引起的連鎖停車事故等。通過VR技術(shù)，學(xué)生沉浸在場(chǎng)景中，經(jīng)歷的事故的發(fā)生發(fā)展，親歷事故的處理，感受到了某些設(shè)計(jì)不妥或者操作不當(dāng)引起的災(zāi)難性后果，感受到巨大的化工工廠帶來的沖擊，體驗(yàn)結(jié)束后學(xué)生分小組進(jìn)行討論，交流學(xué)習(xí)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，鞏固對(duì)化工設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。這種由虛擬仿真技術(shù)帶來的交互性有著強(qiáng)大的吸引力，可以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的能動(dòng)性和參與感。

3 總結(jié)

基于虛擬仿真技術(shù)的化工設(shè)計(jì)課程是在互聯(lián)網(wǎng)+大背景下應(yīng)運(yùn)而生的混合式翻轉(zhuǎn)課堂模式，能夠有效的激發(fā)學(xué)生對(duì)本門課程的興趣，提高了學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)化了化工設(shè)計(jì)課程的教學(xué)效果。同時(shí)，通過虛擬仿真和化工類專業(yè)必修課的結(jié)合，推動(dòng)了工業(yè)4.0時(shí)代的改革和教育2.0時(shí)代的需求，推動(dòng)“六卓越一拔尖”計(jì)劃，滿足了國家對(duì)教育的戰(zhàn)略性調(diào)整，和對(duì)高等教育提出的變軌超車要求。開發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，促進(jìn)了化工設(shè)計(jì)課程在培養(yǎng)卓越工程師計(jì)劃中的作用。因此，基于虛擬仿真技術(shù)的《化工設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革研究十分重要，為將來"互聯(lián)網(wǎng)+化工"多層次人才培養(yǎng)研究提供了有力的指導(dǎo)。