基于虚拟现实技术的工业合成氨生产操作实践教学研究_赵彦贵.pdf

收稿日期:2 0 2 1-1 1-1 3基金项目:内蒙古自治区教育厅2 0 2 1年度教育信息化技术研究专项(N o.Z S Z X 2 1 0 9 1)作者简介:赵彦贵(1 9 8 2-),男,宁夏中卫人,副教授,硕士,研究方向:化学工程教育。基于虚拟现实技术的工业合成氨生产操作实践教学研究赵彦贵1,李海霞1,赵彦成2,宏 伟1(1.阿拉善职业技术学院,内蒙古 阿拉善盟7 5 0 3 0 6;2.中盐内蒙古化工股份有限公司,内蒙古 阿拉善盟7 5 0 3 3 6)摘要:研究了虚拟现实技术和传统仿真教学在工业合成氨生产操作实践教学中的应用效果。分别从专业理论知识、团队合作能力、技能水平、工匠精神、行业认可度、计算机能力、课堂参与度和成绩满意度八个方面进行了讨论。结果表明,在两组学生基本情况相近的情况下,采用虚拟现实技术的教学效果优于传统仿真教学,且培养目标符合行业需求特征。研究表明,虚拟现实技术在化工专业人才实践教学中具有良好地应用前景。关键词:虚拟现实技术;合成氨;实践教学;化工中图分类号:G 7 1 2 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 2)0 3-0 0 5 4-0 4 虚拟现实技术(V R)是一种基于现实,利用计算机技术创建3 D虚拟环境,体验虚拟世界的计算机仿真系统。第五代移动通讯技术(5 G)的应用为虚拟现实技术的应用提供了强有力的技术支撑。基于5 G技术的高速率、低时延和大连接特点,虚拟现实技术已经广泛应用于各行各业,受到教育科技工作者的高度关注。国家自然科学基金始终高度关注虚拟现实技术的发展,给予了大量的经费支持,形成了一系列的研究成果1。高校教育工作者致力于将虚拟现实技术和专业特点结合,应用于专业教学中,达到提升教学质量的目的。张庆峰等2将虚拟显示技术应用于空客A 3 2 0飞机的绕机检查教学中,提高了学员绕机检查的技能水平,克服了传统检查基于经验造成的遗漏或误操作,提升了飞机的飞行安全。李玉霞等3利用虚拟现实技术创建了航行环境仿真系统,应用于影响船舶安全航行的风浪、海流的水文因素,为驾驶员辨别航行隐患,保证航行安全提供了有力支撑。唐成港等4将虚拟现实技术应用于船舶认知实验教学中,解决了学生课堂参与度低、学习不积极、学习效果差的问题。陈笑浪等5比较了传统情境教学和虚拟现实技术,提出“高技术、高美感、高认知”的三维深度交融新教学情境模式。杨继宏等6将虚拟现实技术应用于体育训练教学中,有效提升了教学质量。李春海7研究了虚拟现实技术在脊柱外科中的应用,结果表明虚拟现实技术在理论教学、操作培训、术中辅助和术后康复都具备明显的优势。马亚军等8研究了虚拟现实技术在化工实习实践教学的应用,结果表明虚拟现实技术突破了时间、空间的限制,它的高水平、高效率和低费用的特性使之成为一种新型柔性生产实训和技能培训模式,有着其它生产实训技能培训方式无法比拟的优势。由此可见,虚拟现实技术因其沉浸、交互和想象的特征,日益成为高校教师教学的重要辅助手段,得到了高校教师的广泛研究和应用。实践教学是高校化工专业学生技能培养的重要环节。通过实践教学,学生不仅可以掌握化工生产企业的生产过程,更重要的是能够起到强化理论知识、提升实践能力、缩短学生入厂适应期和有效降低企业用人成本的效果。化工生产具有高温、高压、易燃、易爆、易中毒、易腐蚀等特点,生产工艺复杂,生产设备多,生产过程中不确定因素多,容易发生泄漏、火灾、爆炸等事故,具有很高的危险性。这种高危险性导致化工专业学生进厂实习往往停留在“眼观”,很难做到“手动”,这种实习模式难以提升学生的技能操 作水平和专 业知 识 综 合 应 用 能力9。为了克服实习缺陷,许多高校通过建立化工单元操作平台、大化工综合实训平台等方式强化校内实践,以期提高学生的实践操作能力,然而受制于场地、经费、设备不足,其教学效果依然无改观。依托 工业合成氨生产操作 课程,通过虚拟现实技术和传统仿真教学对比,为高校化工专业实践教学45 内蒙古石油化工2 0 2 2年第1 1期 的改革创新创建新思路、新方法。1 研究对象和方法1.1 研究对象合成氨是化工专业常见的实践教学课程之一。氨是重要的大宗化工产品,也是一种极具发展潜力的新能源载体1 0。工业上合成氨多采用H a b e r-B o s c h工艺,这种传统方法合成氨反应条件苛刻,需要在高温、高压以及铁基催化剂的作用下将氮气和氢气转化为氨气1 1,1 3。为此,选择 工业合成氨生产操作 课程作为教学内容,分别从三年级化工专业学生中随机抽取6 0名学生作为研究对象。通过抽签的方式将学生分成实验组和对照组,每组学生3 0名。学生基本情况见表1。表1 学生基本情况类别性别年龄(岁)过往综合成绩计算机水平男女2 02 0良及以上良以下良及以上良以下实验组1 71 32 192 01 02 19对照组2 01 02 282 372 281.2 研究方法为了更加深入了解化工企业对化工人才的需求特点,尤其是中控岗位对上岗人员的技能需求,通过走访周边化工企业,召开校企合作专家交流会,向企业员工发放调查问卷的形式,认真听取梳理化工行业专家和从业人员的建议,制定实践教学方案。图1给出了化工行业专家和从业人员主要关注点,由图可知,理论知识扎实、专业技能水平和团队合作能力是3个主要的关注点。项目实施过程中,重点围绕关注点开展实践教学研究。项目结束后,对学生的成绩和教学满意度进行分析评价,以全面评价虚拟现实技术的可行性。图1 化工行业专家和从业人员主要关注点 实验组依托虚拟现实技术开展教学,对照组采用P C端传统仿真教学模式开展教学。教学采取理论+实操的方式进行,两组学生重点围绕合成氨工艺流程、氨合成工段操作要点、工艺卡片和操作规程四个方面开展实践教学。2 数据处理2.1 学生成绩统计分析两组学生的成绩分为理论成绩和实操成绩两部分,其中实操成绩由四部分组成,分别为冷态开车操作,占比2 5%;正常停车操作,占比2 5%;故障处置操作,占比1 0%;综合操作,占比4 0%。两组学生的成绩对比见图2。a 理论成绩图 b 实操成绩图图2 两组学生的成绩对比图 由图2可知,实验组的理论成绩和实操成绩明显要高于对照组。尤其在9 0分以上的高分区,采用虚拟现实技术教学的实验组的成绩更加突出,而对照组的学生成绩主要集中于8 0分9 0分这个区间,这说明对照组学生普遍属于中上等成绩,取得高分成绩的难度较大。2.2 学生满意度调查统计项目结束后,通过采用调查问卷的方式,对两55 2 0 2 2年第1 1期赵彦贵等 基于虚拟现实技术的工业合成氨生产操作实践教学研究组学生的学习满意度进行了调查。调查围绕化工专家和从业人员的主要关注点展开,该问卷包括具备扎实的理论知识、良好的团队合作能力、专业技能水平提高、践行工匠精神、热爱化工行业、计算机操作水平提升、课堂参与度和学习成绩满意度8个条目,对回收的调查问卷进行数据统计分析。图3是学生满意情况数据统计。图3 学生满意情况数据统计 由图3可知,实验组学生的整体满意度要远高于对照组,这充分说明虚拟现实技术在化工实践教学中具有传统仿真教学无可比拟的优势。具体来看,实验组学生的培养目标满足了化工行业专家和从业人员对学生的基本要求,学生的理论知识水平、团队合作能力、技能水平、工匠精神和行业忠诚度等方面提升均高于对照组,只有在计算机操作水平提升方面略低于对照组,这主要归结于对照组学生更多的是通过计算机操作来完成教学过程的,而实验组更多的是通过可视化设备和传感器来完成实践操作的。从课堂参与度和学习成绩来看,实验组同学的收获感远大于对照组,这说明采用虚拟现实技术能够有效提高学生的实践操作能力,学习效果深得学生认同。3 结果与讨论3.1 虚拟场景的构建有利于学生更好的掌握化工专业知识。以化工设备教学为例,合成氨生产过程中涉及大量的塔、炉、换热器、分离器和泵等化工设备,正确掌握化工设备的内部构造及其操作运行特点是掌握合成氨生产操作的基础。以往学生主要通过平面图或者模拟动画来掌握设备的内部构造和工作过程,而虚拟现实技术以3 D动态形式构建场景,学生通过拆解、旋转、组装等形式,全方位深入了解设备内部构造和工作过程,这种以学生“练”为主,教师“讲”为辅的教学方式,克服了学生想象力匮乏和领悟能力不高的弱点,强化了学生自主体验,提高了学生的参与度。学生在课堂参与过程中,发现问题,通过小组自学和教师答疑解惑,解决了理论问题,提高了教学质量,达到了良好的教学效果。3.2 虚拟现实技术提高了学生的技能水平。传统的仿真教学中,学生根据系统设置的提示步骤,按65 内蒙古石油化工2 0 2 2年第1 1期 部就班完成教学过程。在整个教学过程中,学生通常是一个人完成整个合成氨的冷态开车和正常停车。由于这种操作过程是在系统提示下完成的,学生的思考能力、技能水平的提升并不明显,这可以从学生的突发故障处置能力看出。在教学过程中,通过人为设置故障检验学生的技能水平,8 2.6 1%的实验组学生都能够在规定的处置时间内,正确完成故障处置,相同条件下只有6 5.9 9%的对照组学生能够完成。这说明,采用虚拟现实技术教学的实验组学生更好地掌握了工业合成氨生产操作的工艺原理、设备和操作要点,其技能水平要高于对照组。3.3 虚拟现实技术培养了学生的团队合作能力。虚拟现实技术的交互式、沉浸式特征,增加了学生之间的交流与联系。从课堂的参与度来看,实验组的满意率达到了7 6.6 7%,而对照组仅为5 0.0 0%。实验组的课堂氛围要远高于对照组,这一方面体现在虚拟现实技术教学过程中,高科技设备的应用激发了学生的探知欲,设备的熟练运用不仅取决于个人的应用次数,更取决去学生相互之间的技巧交流和合作能力,只有团队内部紧密配合,熟练操控,才能取得好的结果。而传统仿真教学更多的是依靠个人的能力去完成操作,这限制了团队能力的培养。3.4 虚拟现实技术提高了学生的行业认可度。化工行业给学生的整体影响是基于现有化工企业的认知,这种认知来源于学生的家庭或者期刊杂志。由于化工行业的高危型、环境复杂的特点,导致化工行业认可度在学生中普遍偏低。虚拟现实技术的应用改变了学生的认知,化工行业的智能化、自动化,尤其是高科技技术的投运,从根本上改变了学生对化工行业的低认可度。从实践教学结果来看,实验组学生的认可度为5 3.3 3%,对照组的仅为3 3.3 3%。4 结论虚拟现实技术在合成氨生产操作中的研究表明,教学手段的创新不仅仅能够促进教学质量的提高,更能够培养符合现代化工企业需求的产业人才。通过实践教学研究,发现围绕化工行业专家和从业人员的关注点,采用虚拟现实技术的合成氨生产操作,从专业知识的掌握,到技能水平的提升都远高于传统的仿真教学。在教学过程中,学生的团队合作能力和行业认可度都得到了提升。研究结果表明,虚拟现实技术是培养紧缺优秀的化工人才的一种有效途径。参考文献1 张博,高俊兴,罗军.自然基金项目资助虚拟现实科研主题演化分析J/O L.吉林大学学报(信息科学版):2 0 2 2,4 0(2):1-8.2 张庆峰,王庆洲,向淑兰.基于虚拟现实技术的A 3 2 0飞机绕机检查方法研究与教学创新J.民航学报,2 0 2 2,6(2):1 0 1-1 0 3.3 李玉霞,王辉.基于虚拟现实技术的船舶航行环境仿 真 系 统 J.舰 船 科 学 技 术,2 0 2 2,4 4(5):1 2 6-1 2 9.4 唐成港,翁建军,刘敬贤,等.基于虚拟现实技术的船舶认知实验课程教学模式设计J.航海教育研究,2 0 2 2,3 9(1):4 4-4 9.5 陈笑浪,刘革平,李姗泽.基于虚拟现实技术的教育美学实践变革 新情境教学模式创建J.西 南大学学报(社会科 学 版),2 0 2 2,4 8(1):1 7 1-1 8 0.6 杨继宏,朱德龙.计算机虚拟现实技术在高校体育训练中的应用J.白城师范学院学报,2 0 2 2,3 6(2):5 7-6 2.7 李春海.虚拟现实技术在脊柱外科的应用J.中山大学学报(医学科学版),2 0 2 2,4