王志平（上海石化工業(yè)學(xué)校，上海 200000）

0 引言

職業(yè)教育承擔(dān)著培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)技能人才，傳承專業(yè)技術(shù)技能的社會責(zé)任。因此培養(yǎng)一個專業(yè)知識豐富，操作技能水平高，職業(yè)素養(yǎng)好的企業(yè)操作員工一直是職業(yè)教育追求的目標。特別是化工行業(yè)，因其原料的特殊性、工藝的復(fù)雜性、安全的重要性，一線操作員工的整體素質(zhì)將直接影響企業(yè)的高質(zhì)量生產(chǎn)。職業(yè)院校在培養(yǎng)化工行業(yè)操作員工的過程中必須緊貼企業(yè)生產(chǎn)實際，緊跟企業(yè)生產(chǎn)動態(tài)，積極提升學(xué)生的專業(yè)操作能力，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，為學(xué)生日后成為一名合格的化工行業(yè)操作人員打下堅實的基礎(chǔ)。根據(jù)《關(guān)于推動現(xiàn)代職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展的意見》相關(guān)文件，現(xiàn)代化工的大力發(fā)展更需要高素質(zhì)技術(shù)技能人才，需要能工巧匠[1]。因此職業(yè)院校必須不斷整合教學(xué)資源，優(yōu)化教學(xué)過程，培養(yǎng)具有匠心匠藝的操作人員，為2035年職業(yè)教育整體水平進入世界前列、技能型社會基本建成而努力。

為培養(yǎng)高素質(zhì)的技術(shù)技能人才，職業(yè)院校的老師們必須開發(fā)與之相適應(yīng)的教學(xué)資源。文章以離心泵單元操作的教學(xué)為切入點，闡述離心泵單元操作的開發(fā)過程。

隨著信息技術(shù)、人工智能、虛擬技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化工的發(fā)展越來越多的和這些技術(shù)融合在一起?；そ虒W(xué)過程也一樣，依托于信息技術(shù)、虛擬技術(shù)，借助人工智能和物聯(lián)網(wǎng)，模擬化工廠真實生產(chǎn)環(huán)節(jié)，呈現(xiàn)化工廠真實生產(chǎn)情景，讓學(xué)生能夠沉浸式學(xué)習(xí)，從而使得學(xué)生學(xué)到的理論知識更扎實，操作技能水平更精湛。文章作者總結(jié)闡述了基于MR虛擬技術(shù)，離心泵單元操作的開發(fā)過程。

1 MR虛擬技術(shù)

MR是指增強現(xiàn)實的技術(shù)，和VR、AR一樣，MR技術(shù)的出現(xiàn)，使得真實的裝置和無法觸摸的虛擬世界結(jié)合起來。使用者在使用MR的過程中，很難區(qū)分現(xiàn)實裝置和虛擬畫面，這就是增強現(xiàn)實技術(shù)[2]。MR的實現(xiàn)依托于實物裝置，還需要借助電腦、投屏電視、特定眼鏡等設(shè)備，為了達到虛擬畫面和實物裝置的融合，還需要在實物裝置現(xiàn)場進行測量定位[3]。例如微軟的Hololens眼鏡完全能實現(xiàn)MR教學(xué)的要求。教師電腦端能夠選擇眼鏡上需要呈現(xiàn)的操作內(nèi)容，投屏電視上能夠看到學(xué)員戴上眼鏡所能看到的畫面，保證所有學(xué)員教學(xué)同步。正是由于MR的出現(xiàn)，很多無法在實物裝置上呈現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容可以以虛擬的方式展現(xiàn)出來。將虛擬的畫面疊加在實物裝置中，做到全息影像[4]，構(gòu)建沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，從而使得學(xué)生對理論知識的理解更深入，實際操作技巧和能力更嫻熟。

以化工裝置操作中單元級設(shè)備離心泵的學(xué)習(xí)為例，離心泵的工作原理，離心泵泵殼、葉輪、軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，離心泵各部件的拆解和組裝，離心泵的正常開車操作，離心泵的停車操作，離心泵的故障和應(yīng)急處理都可以通過MR教學(xué)實現(xiàn)。具體實現(xiàn)過程需要依托離心泵實物裝置，裝置配套的教學(xué)區(qū)，現(xiàn)場定位系統(tǒng)等。例如離心泵配套全息裝置教學(xué)臺，配置有教師站LED大屏、全息展示臺、全息眼鏡若干。教師通過LED大屏幕控制全息展示臺中現(xiàn)實的影像內(nèi)容，學(xué)員戴上眼鏡可以現(xiàn)場操作，LED屏幕上能展示學(xué)員操作過程。學(xué)員佩戴MR眼鏡，在現(xiàn)場進行巡檢，能查看設(shè)備的運行狀態(tài)和運行參數(shù)。除此之外，MR會帶來更強烈的沉浸感，能實現(xiàn)立體抓取離心泵的各部件進行組裝，達到二維向三維立體質(zhì)變的體驗，讓知識與人交互起來?？傊琈R教學(xué)更直觀，更具體，操作性強，符合現(xiàn)代化工信息化與趣味性的教學(xué)理念。下面作者將展開分析MR在離心泵單元操作中的應(yīng)用開發(fā)。

2 離心泵的結(jié)構(gòu)

離心泵是在化工行業(yè)廣泛應(yīng)用的用于輸送液體的動設(shè)備。相比于其他輸送設(shè)備，離心泵性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、實用性強，超過80%的液體輸送工作都采用離心泵實現(xiàn)。因此離心泵單元操作是化工生產(chǎn)中最基本的單元操作，也是化工職業(yè)院校學(xué)生必須要掌握的化工單元操作技能。

離心泵的種類很多，這里我們以最基本的離心泵——單級單吸式離心泵為例開發(fā)設(shè)計。一臺離心泵分為兩部分，轉(zhuǎn)動部分和固定部分。轉(zhuǎn)動部分主要包括電機、葉輪和泵軸。固定部分主要包括泵殼和密封裝置。在常規(guī)的教學(xué)過程中，通過圖片講解，學(xué)生對離心泵的結(jié)構(gòu)有了一定的認識，再通過剖面圖講解，學(xué)生對離心泵的結(jié)構(gòu)有了更深入理解。這種認識離心泵結(jié)構(gòu)的教學(xué)方式過于單一，學(xué)生不能一目了然看到離心泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但通過利用MR技術(shù)可以改變當(dāng)前的教學(xué)過程。

利用MR技術(shù)，把離心泵的3D影像植入電腦端，在電腦端，離心泵的結(jié)構(gòu)可以進行拆解和組裝。而通過佩戴MR眼鏡，離心泵的影像可以和實訓(xùn)現(xiàn)場的離心泵裝置完全疊加[4]，并且離心泵的各部件可以隨意拆解和組裝。在離心泵單元操作中，站在固定的位置，學(xué)生只需戴上MR眼鏡，離心泵全息影像就展現(xiàn)在眼鏡中，離心泵的葉輪和泵軸可以進行抓取，離心泵的端蓋可以進行拆解，離心泵的機械密封可以進行組裝，同時每一部分的操作過程中，都配備有語音說明和操作詳解，學(xué)生通過各部件的抓取、拆解和組裝實現(xiàn)交互式和沉浸式學(xué)習(xí)，并最終以離心泵的設(shè)備認知卡作為檢驗本內(nèi)容學(xué)習(xí)掌握情況的手段。采用此種教學(xué)方式，學(xué)生能完全掌握并學(xué)會離心泵的基本結(jié)構(gòu)。

3 離心泵的工作原理

離心泵的工作原理是電動機通過聯(lián)軸器帶動離心泵的葉輪進行運轉(zhuǎn)。在離心泵輸送液體的過程中，通常會先進行罐泵操作。當(dāng)開啟電機后，電動機開始運轉(zhuǎn)，葉輪在電動機的帶動下旋轉(zhuǎn)，離心泵中的液體受到葉片高速旋轉(zhuǎn)的推力，也開始旋轉(zhuǎn)。同時由于離心力的作用，離心泵內(nèi)的液體從葉輪中心被甩入到葉輪的周圍，并因此獲得了能量，泵內(nèi)液體高速流入離心泵泵殼內(nèi)。離心泵的泵殼一般呈蝸形通道，液體在流入泵殼蝸形通道后，由于截面積不斷擴大，液體的動能轉(zhuǎn)變成了靜壓能，因此液體以較高的壓力輸送到了需要的地方。葉輪的不斷旋轉(zhuǎn)使得輸送液體的流速增大，葉輪中心的液體不斷被甩出，離心泵泵殼的吸入口和泵中心位置都形成了一定程度的真空，在這種壓差下，液體不斷被吸入離心泵泵殼內(nèi)，以此來補充被甩出的液體。離心泵不斷地吸入液體，不斷地給予吸入液體一定的能量，將液體輸送到所需的位置。這便是離心泵連續(xù)不斷輸送液體的具體過程。

基于MR的離心泵的工作原理教學(xué)過程不單單是講解液體在離心泵內(nèi)的流動過程，還需要將離心泵的初始狀態(tài)、泵入口閥開啟后液體流動狀態(tài)、電機開啟后液體流動狀態(tài)、泵出口閥開啟后液體流動狀態(tài)對比起來動態(tài)學(xué)習(xí)，如表1所示。在動態(tài)對比學(xué)習(xí)之后，把平面的圖片轉(zhuǎn)化成3D液體流動特效，和實物裝置進行疊加，完成離心泵正常開車單元操作。

表1 離心泵單元操作液體流動狀態(tài)對比

同時，MR可以實現(xiàn)“透視”效果。離心泵輸送液體時，液體在管道內(nèi)和泵腔內(nèi)的流動狀態(tài)皆不可見，因此操作者只能通過老師的講解想象泵內(nèi)的流動狀態(tài)，而看不到內(nèi)部物料的流動。利用MR技術(shù)可以把液體流動畫面做成3D特效形式，再利用技術(shù)把特效疊加在離心泵實物裝置上。當(dāng)離心泵在正常運轉(zhuǎn)時，操作者借助MR眼鏡能一目了然看到離心泵內(nèi)液體的流動狀態(tài)，加深對理論知識點的理解。從而操作者在離心泵單元操作過程中，能直觀感受離心泵的工作原理，進行沉浸式學(xué)習(xí)。

4 離心泵的開車操作

離心泵作為最基本的單元設(shè)備，正常操作離心泵非常重要。離心泵的開車操作包括開車前的檢查，開車操作，以及開車后的確認。其中開車前的檢查包含泵的軸承潤滑油是否加到位，盤泵確認泵是否運轉(zhuǎn)，罐泵排氣操作，確認好后續(xù)流程是否打通等。開車操作是指長按機泵電機啟動離心泵，密切關(guān)注電流和壓力確保泵正常啟動，啟動正常后緩慢開啟出口閥。開車后的確認是指確認壓力、溫度、聲音等是否正常。

基于MR虛擬技術(shù)的離心泵開車操作把實物離心泵和MR虛擬技術(shù)融合在一起。首先通過拖拽卡片的形式正確描述離心泵的正常開車過程。然后戴上MR眼鏡在離心泵裝置上操作。MR眼鏡中看到的影像能和現(xiàn)場離心泵裝置做全息疊加。學(xué)生首先確認離心泵入口閥打開，此時學(xué)生手動打開入口閥，會從眼鏡中看到流體隨著入口閥的打開，液體充滿了泵腔體，也能直觀地從壓力表上看到離心泵入口壓力的變化。學(xué)生手動按住電機3～4秒確定離心泵開啟，葉輪隨著軸承開始運轉(zhuǎn)，眼鏡中能看到泵腔體內(nèi)的液體也開始做離心旋轉(zhuǎn)，同時能看到出口管路中的液體呈現(xiàn)晃動狀態(tài)，出口壓力表指針晃動。學(xué)生手動打開出口閥，泵進入正常運行狀態(tài)，液體充滿整個管路。通過虛擬技術(shù)，眼鏡中能看到離心泵正常運轉(zhuǎn)中的電流、壓力、流量等參數(shù)。從而借助MR虛擬技術(shù)實現(xiàn)了萬物可視的畫面，如圖1所示。

圖1 離心泵全息影像疊加畫面

基于MR的離心泵開車操作，不僅完成了離心泵的正常開車操作，還能在操作過程中重現(xiàn)離心泵的工作原理，學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)沉浸式和交互式學(xué)習(xí)，從而加深了對知識的理解，提升了操作技能。

5 離心泵機械密封泄漏著火應(yīng)急處理

離心泵機械密封泄漏著火是離心泵常見的故障之一，而教學(xué)過程中不可能在裝置現(xiàn)場實際引發(fā)泄漏著火進行知識點的講解。因此如何在教學(xué)過程中模擬離心泵機械密封泄漏著火，并進行相關(guān)應(yīng)急處理知識講解是傳統(tǒng)教學(xué)過程中的教學(xué)難點[5]。依托離心泵實物裝置和MR虛擬技術(shù)結(jié)合，在裝置現(xiàn)場配合聲、光、電等特效，可以把離心泵機械密封泄漏著火及應(yīng)急處理過程呈現(xiàn)出來。

外操佩戴MR眼鏡在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)泄漏引發(fā)的初期小火，外操用滅火器滅火。2 min后，沒有及時滅火，火勢增大，MR眼鏡中呈現(xiàn)中期火災(zāi)場景。緊接著MR眼鏡給出應(yīng)急預(yù)案流程指示和疏散逃離路線指示。內(nèi)操、外操和班長一起啟動應(yīng)急預(yù)案和火災(zāi)疏散。并在相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測后解除應(yīng)急預(yù)案。利用MR技術(shù)展示應(yīng)急事故處理可以模擬火災(zāi)現(xiàn)場，在實際情境中，模擬火災(zāi)應(yīng)急處置流程，滅火和報警及相應(yīng)的疏散過程，并可模擬人員中毒救護情景，而這些技術(shù)都是傳統(tǒng)教學(xué)不可能呈現(xiàn)的教學(xué)效果。

MR在事故案例教學(xué)方面能夠彌補傳統(tǒng)教學(xué)的不足，貼合企業(yè)實際生產(chǎn)需求。MR技術(shù)可以在實訓(xùn)裝置中進行的安全生產(chǎn)應(yīng)急事故演練。主要是針對化工廠特有硫化氫泄漏中毒、液體烴泄漏著火、氫氣泄漏著火等突發(fā)事故，對中毒人員的救治、救援人員的應(yīng)急處置、非救援人員的疏散逃離進行模式，并融入聲、光、電等舞臺設(shè)計特效，還原化工廠生產(chǎn)事故情景，以提高學(xué)員安全防護意識與臨危不亂的心理素質(zhì)，強化安全技能、固化安全行為。

6 結(jié)語

文章闡述了基于MR混合現(xiàn)實技術(shù)，離心泵單元操作的設(shè)計和開發(fā)過程。并從離心泵的結(jié)構(gòu)、離心泵的工作原理、離心泵的開車操作、離心泵的著火應(yīng)急處置等方面分析總結(jié)了MR技術(shù)和離心泵單元操作過程的融合。毋庸置疑，借助MR混合現(xiàn)實的手段，離心泵單元操作過程的可視性和可操作性更強了，學(xué)生能夠在交互式和沉浸式的學(xué)習(xí)過程中儲備更多的理論知識，獲得更多的操作技能。筆者也會不斷致力于換熱器、加熱爐、精餾塔等更多單元操作設(shè)備的MR技術(shù)開發(fā)。

在現(xiàn)代化工大力發(fā)展的背景下，化工行業(yè)的起點和門檻越來越高，職業(yè)院校培養(yǎng)能夠勝任現(xiàn)代化工行業(yè)一線操作工的責(zé)任越來越重。作為一線教師，我們應(yīng)該從實際出發(fā)，找尋更適合現(xiàn)代化工的教學(xué)模式。特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和職業(yè)教育教學(xué)應(yīng)該做更深度的融合，從而使得職業(yè)教育更高質(zhì)量發(fā)展，為現(xiàn)代化工培養(yǎng)更多的匠人。