“半实物仿真交互式”教学在《化工设备安全技术》课程中的实践与探索

宋宇鹏

（金华职业技术学院制药学院，，浙江金华321007）

摘要：本文针对原来的《化工设备安全技术》课程实践教学过程存在 “三缺”难点、实践教学质量难以得到保证等问题，依托学院建设的药品生产半实物仿真工厂，开展了“半实物仿真交互式”教学在《化工设备安全技术》课程中的实践与探索。结果表明，这种教学改革模式充分提升了学生学习积极性，锻炼了学生实操能力和解决问题的能力，取得了良好成效。

关键词：半实物仿真工厂；化工设备安全技术；实践教学；课程改革

在现代化工生产中，因为生产的连续化和自动化、生产装置的大型化、控制系统的复杂程度越来越高，而且很多生产过程具有易燃易爆、有毒有害、高温高压、有腐蚀性等危险性，医药化工类院校在实践教学中很难开展实际生产中的开车、停车、故障处理等操控练习。相关的实践教学质量难以得到保证。

为切实有效解决医药化工类课程实践教学目前存在的问题，金华职业技术学院制药学院建设了药品生产半实物仿真工厂，将信息技术和实训设施深度融合，构建具有感知性、沉浸性、交互性、构想性、智能性的虚拟仿真实训教学场所，搭建以实带虚、以虚助实、虚实结合的虚拟仿真实训系统，配置相应的虚拟仿真实训设备，有效解决实训教学过程中的“三高三难”痛点和难点。

1药品生产半实物仿真工厂介绍

半实物仿真工厂是利用OTS（Operating Training System）仿真技术模拟生产实际中工艺流程、生产操作、故障处理和应急操作等环节，结合DCS软件操作，可以实现接近真实场景的培训装置。该技术将控制器（实物）与在电脑或网络上的控制对象的仿真模型联接在一起进行试验，即半为虚拟对象，半为实物对象，因此称为“半实物仿真工厂”。

2021年7月，金华职业技术学院制药学院药品生产技术半实物仿真工厂建设完成。仿真工厂主要由包含多个化工生产设备的“工厂”和中控室两部分组成。通过各种设备相连的数字化温湿度、压力、气液系统流量控制等系统，师生在中控室通过电脑的虚拟仿真软件来控制整个药品生产的操作。通过这套涵盖理论、实操学习的虚拟系统，同学们仿佛身临其境，不必在生产现场就可以还原药物合成的操作方式，提升学生的实操效果，还能评判学生操作过程的规范性，对错误操作进行解析以加深学生的印象。

2依托半实物仿真工厂，开展《化工设备安全技术》课程教学改革

金华职业技术学院原先的《化工设备安全技术》课程实践教学主要是利用超声波技术进行钢板等材料的测厚和探伤。单纯这种实践教学设置没有结合化工企业一线生产装置的运行特点，学生对生产工艺流程、设备结构特点、设备参数优化、设备风险控制等方面的学习能力得不到有效的锻炼，导致学生缺乏企业一线感知能力、设备运行应变能力、解决实际问题能力的“三缺”难点，实践教学短板突出。

《化工设备安全技术》课程组在教学过程中，对接医药化工实践教学中存在的教学痛点，应用虚拟平台结合半实物仿真工厂，积极探索“半实物仿真交互式”、“虚拟平台探究式”等沉浸式教学演练方式，破解实践教学中存在的“难观摩”、“难实施”、 “高风险”等教学痛点，提升实践教学质量，发挥学生学习主观能动性，提升学生实际操作能力和解决问题的能力。

（1）开发“半实物仿真交互式”的化工设备安全技术课程典型实验项目模式。

发挥药品生产半实物仿真工厂的优势，对化工设备安全技术课程实践教学内容进行改革。优化教学活动设计，为学生提供内容丰富、实用性强的教学内容。通过观摩半实物仿真工厂，使学生对化工设备有个初步了解；结合虚拟仿真系统设置离心机等化工设备的拆装实验，提升学生对主要化工设备原料和结构的认识；设置典型设备故障和事故处理操作项目实验，通过仿真工厂实物与虚拟仿真平台相交互，引导学生以小组为单位掌握事故处理与故障操作要点，提升安全操作技能。通过实践教学项目的优化，帮助学生更好地了解工艺过程、控制系统和设备运行等方面知识，进一步提升教学质量，提高学生学习兴趣，提升学生实际操作能力和解决问题的能力。

（2）以半实物仿真工厂安全模块的开发为基础，编制化工设备安全技术课程实训指导书。

课程教学团队实施基于虚拟仿真技术的实践教学改革的同时，依托药品生产半实物仿真工厂，开发适合《化工设备安全技术课程》的安全模块，包括安全知识学习模块和安全应急实训演练模块。安全知识学习系统把设备、物料、安全管理等知识进行整合，打造一套科学、系统、完善、标准化的信息化系统。学生可以通过教师对现场化工设备的讲解对各种设备有个基本认知，通过扫描张贴于设备上的二维码观看关于设备内部结构和工作原理的视频，通过安全警示标志和安全警报系统加强安全意识的提升，通过虚拟仿真系统进行设备拆装演练，深入了解设备内部结构，掌握管路的连接方法，实现设备内部结构的可视化。安全应急实训演练模块主要进行事故应急演练的实物安全事故演练，训练和考核学生关于设备着火、原料泄漏、人员中毒等场景的应急操作和处置。通过典型设备故障和事故处理场景的练习、考核，提升学生的团队合作能力、操作熟练程度和处理应急事故状态能力。

课程教学团队在安全模块开发的基础上，结合“新技术、新工艺、新流程、新规范”等新要求，同步开展化工设备安全技术课程实训指导书的编制工作。

（3）建立一套基于半实物工厂加虚拟仿真体系的“智能考评+素养评价” 综合性教学考核评价方式。

课程建立并实施“智能考评+素养评价”的综合性教学评价系统。根据理论和实验操作的完成情况构建知识、技能、素养目标全过程评价体系。知识测评由课程作业和课程考试构成，按课程考核方案相关要求实施。技能测评通过半实物仿真工厂和虚拟仿真实训的系统评分功能实施全过程的智能考评。素养评价由教师进行打分，重点考查学生操作前是否进行安全检查，操作中是否规范运行，操作结束完成设备和现场清理。同时配合红黄色卡片考评，红色卡片违反安全一票否决，黄色卡片违规操作警告扣分。通过这样的课程考核评价体系，锻炼学生知识学习能力、内外操作协作能力、团队合作能力、现场操作能力和应变能力，既提升了学生实操技能，也提升了安全素养，同时提升了学生学习积极性，学生对课程的收获感和认同感也明显提升。

基金项目：

金华职业技术学院教改课题《“以虚助实”理念下的化工设备安全技术半实物仿真项目的开发》。