AR技術在實驗課堂的應用研究
——以化工原理實驗為例

陶亞輝 馮玉如

(太原科技大學 晉城校區，山西 晉城 048000)

專業實驗室是工程類專業實踐課程體系下的重要組成，其中化工原理實驗室作為化工口各專業培養工程實踐能力的重要場所，是整個實踐課程體系非常重要的一環。化工原理實驗通過三傳一反等各方面實驗訓練，使學生掌握工程典型單元的處理、硏究方法及操作技能。但化工原理實驗理論抽象、設備復雜，學生接受難度大，將AR虛擬現實技術引入專業實驗室，化抽象為具體感官，為復雜實驗的開展提供新方式。

1 AR技術簡介

AR是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像的技術[1]。換言之，AR就是將虛擬信息運用于真實世界，讓人和虛擬信息進行互動，實現真實環境與虛擬信息相互銜接。

資料表明[2]：國內AR教育的研究大多數集中在AR的簡單概念介紹和普通應用，并且應用水平低。相比國外，國內大多以中小學學科為普通應用進行課堂觀察，呈現出“大材小用”現象，在高等教育方面的應用仍有待挖掘。而AR技術作為當前教育領域中的熱門技術，理應服務于教育中難以解決或不易解決的問題，應用到最恰當的教學領域。

2 化工原理實驗教學現狀

化工原理實驗以化工單元操作為中心，實驗過程中大量采用具工程或具中間實驗規模的裝置和設備，基本上脫離玻璃儀器，所進行的實驗項目大都是化工生產和科研中常會遇到或解決的實際問題。實驗所得出的結論對于化工設備的設計具有極為重要的指導意義。

2.1 實驗課堂存在的問題

各大工科院校在培養學生相關理論知識體系的同時都非常注重實驗環節的實踐培養，其中定位為應用型本科的院校尤其重視。然而在實際教學中，理論課程在前，實驗操作在后，分別獨立進行，時間節點上出現了延遲和脫節，一體化教學模式一定程度上虛有其表。同時，每學期開設的實驗教學課時略微不足，難達到本科培養應用型工程技術人才的要求。

2.2 實驗指導書略顯單薄

國家教育部門提出的“厚基礎、寬口徑、強能力、高素質”的培養目標既要求厚實的基礎理論知識體系，又要求奇強的工作技能[3]。但書本知識范疇略顯單一，有違“寬口徑”定位，在讀期間無法讓學生靈活應用，如學生在參加化工專業中熱門的化工設計大賽和化工實驗大賽(此類競賽不僅是全國性的專業技能大賽，同時也是《化工原理》課程最好的衍生物)時，知識寬度明顯不夠。新時代教材在編寫時，應注意與其他學科領域的交叉與共鳴，從而培養一批更加全能的專技型人才。

2.3 實驗教學效果不佳

化工原理實驗培養時應復合實踐能力和創新意識，注重理論聯系實踐，以及與工程、工藝流程的結合。然而新校區現有的化工類實驗室儀器設備層次不齊且數量有限，精密大型儀器更是只能由學歷較高的研究生去操作。各種實驗，只在規定的時間內安排進行，其他時間出于人身安全及管理考慮，學生并不被允許去參觀、接觸儀器設備。而課內實操時間有限，每個班級只能分組操作，每臺設備前擁擠嘈雜，很多學生往往接觸不到設備，只能走馬觀花式的了解儀器的外觀形態，久而久之，大多數學生對實驗課堂失去興趣，逐步形成了學生只是到場卻并不真正參與的局面。這樣的教學結果與學校通過強化專業實驗及工程設計，建立從理論到實踐再到創新的人才培養模式相去甚遠。同時，學生使用的實驗課本并沒有真正做到結合實際，其中部分實驗教學內容出現與實驗室現有儀器設備不相匹配或匹配度不高的現象，另有部分實驗設備的操作講解未出現在實驗教材中，這一結果直接導致實驗教材無法發揮其應有的作用。因此，教材的更新與編撰迫在眉睫。

3 AR技術在實驗教學中的應用

化工原理實驗意在讓學生掌握化學工程設計的基本原則及流程組織等規則，強調的是學生分析解決實際問題的能力以及嚴謹的科學創新態度，同時注重學生綜合素質的培養。實際中，由于化工實驗設備大多數涉及溫度、壓力、閥門、管路、泵等的調節，學生在進入實驗室之前必須先進行理論學習和安全教育，有把握后才能開始實際操作。但課時的限制導致學生并沒有足夠的時間去熟悉儀器，教師為了操作安全及節約時間，一般都會將實驗步驟直接告訴學生，因此學生進入實驗室時，并不真正了解要操作的實驗內容，只是盲目的跟從。

將AR技術應用于實驗教學中，如開設恒壓過濾實驗時，學生可通過手機提前掃描識別所要操作的儀器設備，快速獲悉該型號設備的結構詳情、操作步驟，如懸浮液配置、壓力設定、板框濾餅拆卸、濾布清洗、濾液量及時間測定等內容。再如，離心泵的性能測定實驗，離心泵的使用需注意的細節很多，如：出口閥不關閉，很容易出現高速甩出的液體重新回落泵中沖擊葉輪；吸入管路底端若不安裝單向截止閥，又會導致氣縛現象，無法灌泵等等，出于經濟、安全等因素考慮，學生要時刻牢記先關閉出口管路閥門再開泵等細節操作步驟。此外，化工設備各類溫度、功率按鈕等不歸位，都會對儀器運行產生不可估量的隱患，極大威脅人員安全和設備本身。而這些細枝末節的注意事項單靠課堂是遠遠不夠的。AR在實驗室的應用，使學生可以隨時隨地，重復去查看每臺設備的使用流程、注意事項。學生只需通過“掃一掃”這樣一個簡單操作步驟即可身臨其境的去感知相關儀器設備。

實驗與AR技術的結合為每位進入實驗室的學生提供了一種全自主、無限制熟悉掌握每一步實驗步驟的途徑，在學生單獨完成實驗的同時規避諸如離心泵出口閥門不提前關閉、加熱調節按鈕不歸位、氣瓶總閥不關閉等各種不正當操作失誤帶來的安全隱患。而學生只有對實驗非常熟練的情況下，才有可能學以致用、熟能生巧。將AR技術通過智能手機在實驗室應用，這種新穎的實驗開展模式，有效的激發調動了學生濃厚的探索意識和主動學習的積極性。

4 結語

本文將AR與化工原理實驗結合進行初步探索，挖掘AR技術在我國高校實驗課堂中的潛在優勢與發展形式，為下一步校區全面推進各工程學科課程實驗和實驗課程教學改革提供部分理論支持。整個研究過程另有幾點體會如下，僅供參考。

(1) 化工原理實驗課程知識難度高，建立AR電子視頻資源庫，前期對理論、實驗的整理工作量大，耗時較長，但卻是“一勞永逸”，想將該AR技術推廣至各專業，需廣大老師鼎力合作。

(2) AR技術只是實驗課程開展的輔助手段，并不能取代實際實驗室，實際中應雙管齊下，傳統實驗室的定位應在此基礎上進一步明確。

(3) AR技術與化工原理的結合屬于典型的學科交叉，需各專業間通力協作。但同時也暴露了當前人才培養的弊端，各專業培養有深度沒寬度，老工科向新工科的改革可以此為方向進行探索。