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)技術學院a.教務處;b.機電工程系 河北 石家莊 050026;2.河北軌道運輸職業(yè)技術學院 機輛學院,河北 石家莊 052165)

VR 為Virtual Reality(虛擬現(xiàn)實)的簡稱.較有代表性的主要有美國北卡羅萊納大學于1992年成立的VR 技術與教育實驗室,該實驗室專門用于評價VR 對于教育的影響[1].近年來,國外學者一直在研究如何在教育中更好地利用VR 技術,2014年文獻[1]提出應該在遠程教育中推廣應用虛擬現(xiàn)實技術;文獻[2]對教學中應用VR技術進行了研究,發(fā)現(xiàn)在教學過程中VR技術可以有效地提升教學效果.

本文探索如何有效地將VR 技術應用于化工自動化專業(yè)實踐教學.

1 VR技術在職業(yè)教育實踐教學中的應用

在中國知網(wǎng)以“虛擬現(xiàn)實&與實踐教學”為主題詞檢索2018～2022 年相關論文,共檢索到713篇,主題主要涉及教學模式、教學改革、實踐教學、職業(yè)教育等,涉及學科主要為高等教育、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,大部分院校樂于在實踐環(huán)節(jié)引入虛擬現(xiàn)實技術,而虛擬現(xiàn)實技術的應用有助于學生進一步熟悉實訓環(huán)境,了解實訓步驟,驗證實訓結(jié)果,并且虛擬現(xiàn)實技術的應用進一步提高了學生的學習興趣,激發(fā)了學習的積極性和主動性,一定程度上彌補了實訓設備不足的缺點,有效提高了實訓環(huán)節(jié)的教學質(zhì)量.

(1)增加真實感,提高趣味性

將虛擬現(xiàn)實技術引入化工自動化專業(yè)實踐課堂中,學生就能通過一臺設備感受到真實生動的仿真實訓環(huán)境.學生通過操作,能夠積極參與到實踐教學中,這樣既能夠增加課堂學習的趣味性,又能提高學生自主學習的投入感.VR 實訓教學環(huán)境見圖1.

圖1 VR 實訓教學環(huán)境

(2)搭建虛擬平臺,降低實訓室建設成本

利用VR技術搭建虛擬平臺,具有成本低廉,占地面積小,利用率高的特點,并且還可以多次反復練習.利用虛擬現(xiàn)實設備進行實訓,既有利于學生實訓水平的提升,又可避免實踐環(huán)節(jié)中的物料損壞,有利于降低成本.

(3)知識單元過程化呈現(xiàn),提升教學質(zhì)量

應用虛擬現(xiàn)實技術,將知識的展現(xiàn)形式從教師講的單一平面轉(zhuǎn)換到了多維的立體面,抽象的知識變得具體形象化,并且可以實現(xiàn)知識單元過程化呈現(xiàn),這是真實實訓設備難以做到的.

例如,釜式反應器在化學工業(yè)中應用十分普遍,在有機染料、農(nóng)藥等行業(yè)中用于碳化、硝化、轉(zhuǎn)化、鹵化等反應中也極為普遍,而反應溫度的測量和控制是實現(xiàn)釜式反應器最佳操作的關鍵.釜式反應器溫度控制是化工自動化專業(yè)實踐教學中化工生產(chǎn)實訓的重要內(nèi)容.

任何一個化學反應均要求合適的反應溫度,而最適宜的反應溫度要綜合考慮化學反應速度、化學平衡和催化劑活性等.在實際化工生產(chǎn)中,為了控制反應釜內(nèi)化學反應的溫度,通常采用控制進料溫度、控制傳熱量及串級控制的方法.但在反應釜溫度控制的實訓環(huán)節(jié)中,受原材料、設備及授課安全的限制,往往教師在講解后不進行實際演示,學生無法親身體會溫度對于反應釜內(nèi)化學反應的實際影響,對相關內(nèi)容理解不夠深入.

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

在化工自動化專業(yè)實踐課程中應用虛擬現(xiàn)實技術,可以克服化工生產(chǎn)過程的缺點,使學生學到的知識不是局限于教師的講授,而是來源于自己的親身感受,提高了教學的真實性,加深了學生的理解,提高了教學質(zhì)量.具體過程和效果見圖2.

圖2 采用VR 技術過程與效果示意圖

(4)教學內(nèi)容可實時更新,有利于對接行業(yè)前沿技術

利用虛擬現(xiàn)實技術可隨時調(diào)整教學內(nèi)容,便于日常實踐教學緊跟產(chǎn)業(yè)最新需求及行業(yè)最新生產(chǎn)工藝,使化工自動化專業(yè)的實踐教學內(nèi)容與行業(yè)的最新發(fā)展緊密對接,減少行業(yè)發(fā)展與學校教學的差距,有利于為化工自動化行業(yè)輸送更多高質(zhì)量的技術技能人才.

2 VR技術運用于化工自動化專業(yè)實踐教學面臨的挑戰(zhàn)

VR 技術在化工自動化專業(yè)實踐教學中的應用取得了成效,展現(xiàn)了優(yōu)勢,但也面臨一些挑戰(zhàn).

(1)虛擬現(xiàn)實化工自動化實訓系統(tǒng)性能有待提高

虛擬現(xiàn)實技術是將實際的生產(chǎn)工藝進行虛擬化,但是與實際的生產(chǎn)工藝仍然有一定的差距.例如,實際的化工生產(chǎn)車間,最終的產(chǎn)品是否達到國家、行業(yè)標準是很多內(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)實技術操作都是按照理想的生產(chǎn)環(huán)境開發(fā)的,并沒有將外界所有的影響因素考慮在內(nèi),這是虛擬現(xiàn)實技術實際應用過程中所面臨的一個十分重要的問題,需要不斷提高虛擬現(xiàn)實技術實訓系統(tǒng)的性能,使其更加接近真實生產(chǎn)環(huán)境.

(2)虛擬現(xiàn)實優(yōu)質(zhì)課程資源稀缺,缺乏行業(yè)統(tǒng)一標準

現(xiàn)階段伴隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展,VR 教育軟件類產(chǎn)品也逐漸增多,但是各個企業(yè)開發(fā)的虛擬現(xiàn)實資源往往針對具體某個專業(yè)或者某個課程,開發(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)實教育產(chǎn)品設計形式大于內(nèi)容的現(xiàn)象[3];由于大部分虛擬現(xiàn)實資源的設計者都是互聯(lián)網(wǎng)公司員工,缺乏一線教學人員的參與,從而導致虛擬現(xiàn)實資源的設計與實際專業(yè)需求契合度較低,難以滿足個性化需要,所以亟需統(tǒng)一行業(yè)標準,開發(fā)優(yōu)質(zhì)的虛擬現(xiàn)實教學資源.

(3)虛擬現(xiàn)實技術在化工自動化專業(yè)中的應用評價體系不成熟

化工自動化專業(yè)的VR 實踐教學內(nèi)容、課程標準、考核評價體系均需要逐步完善,各學校要根據(jù)本校虛擬現(xiàn)實技術的應用情況,逐步建立適用于本校實際情況的虛擬現(xiàn)實技術應用評價體系.

(4)實訓教師的素質(zhì)需不斷提高

實訓教學教師應具備較高的實踐操作技能素養(yǎng),并且具備一定的信息技術水平,實踐教學中虛擬現(xiàn)實設備或軟件難免出現(xiàn)一些問題,教師應具備獨立指導學生解決這些問題的能力.

3 提升化工自動化實踐教學VR 技術應用成效的途徑

(1)構建開放型的虛擬實訓資源學習平臺

伴隨著虛擬現(xiàn)實技術的逐步發(fā)展,單純依靠學校資源和力量搭建的虛擬現(xiàn)實資源已不能滿足實際的需要.通過校企合作的方式開發(fā)虛擬仿真實訓資源,并研發(fā)相關的行業(yè)標準,供全國院校共同使用,對院校的課程改革大有裨益.

構建開放型的虛擬實訓資源學習平臺為學生提供學習服務,讓學生在家里或者宿舍就可以在平臺上進行學習,平臺為學生提供實境化的學習環(huán)境,學習過程中教師和學生還可以進行問題留言或在線交流,便于學生選擇學習時間和內(nèi)容,打破了時間和空間的限制,有助于學生自主學習,提高學生的學習質(zhì)量和實訓技能.

(2)完善虛擬仿真實訓考核評價體系

利用化工自動化專業(yè)虛擬仿真實訓資源可以將化工生產(chǎn)過程分單元進行實訓操作.學生通過虛擬現(xiàn)實實訓考核系統(tǒng)的任務完成情況,展示自己對于化工生產(chǎn)過程的掌握程度,從而完成考核,這樣既可以減少因為操作失誤導致學生人身受到傷害的問題,又可以消除因為操作不規(guī)范導致實訓考核結(jié)果不理想的情況[3].虛擬仿真實訓考核評價系統(tǒng)相對于以往的實訓評價來說,變得更加規(guī)范與嚴格,進一步提升了實訓評價考核的公平性,從一定程度上改革課程考核評價方式,在學校教學考核方面起到了積極的作用[3].

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術在化工自動化專業(yè)教學中的應用,創(chuàng)新了化工自動化專業(yè)實踐教學方式方法,提高了學生對技術的掌握程度.根據(jù)最新技術的發(fā)展及時更新VR模型,有助于學生了解并掌握行業(yè)前沿技術.