虛擬仿真在化工類實(shí)驗(yàn)課程中的探究

李傳 崔敏 唐艷凌 張淑霞 杜峰 羅輝 鄧文安

【基金項(xiàng)目】教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（202101033004）;中國石油大學(xué)（華東）教學(xué)研究與改革項(xiàng)目（SJ-202009）

【摘要】虛擬仿真結(jié)合了虛擬現(xiàn)實(shí)和仿真技術(shù)，能夠模擬出復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，經(jīng)常應(yīng)用于各類研究模型以及大型實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)。促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)與化工類實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)融合，有利于改善和解決化工類實(shí)驗(yàn)課課程實(shí)踐的各項(xiàng)局限性。比如，缺乏專業(yè)設(shè)備、教學(xué)場地小、資金投入少等等。因此，本文從虛擬仿真技術(shù)的基本介紹、虛擬仿真技術(shù)在化工類實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)用以及教學(xué)場地實(shí)踐等方面，探討了虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于課程實(shí)踐的具體實(shí)施思路。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真技術(shù);實(shí)驗(yàn)課程;課程實(shí)踐

引言：化工類實(shí)驗(yàn)課程中在化工專業(yè)中占據(jù)著非常重要的地位，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅可以驗(yàn)證已有結(jié)論，還可以讓學(xué)生更好的理解專業(yè)知識。目前各高校化工專業(yè)都非常重視實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐，但開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須要依托專業(yè)性的場地和設(shè)備，也就意味著需要投入大量的資金，而許多高校并不具備這一前提條件，因此，推行可以模擬復(fù)雜現(xiàn)實(shí)環(huán)境的虛擬仿真技術(shù)就勢在必行。

一、虛擬仿真技術(shù)的基本介紹

1.概念

虛擬仿真技術(shù)，也可以被稱為模擬技術(shù)。它時(shí)一個(gè)系統(tǒng)對另一個(gè)系統(tǒng)的模擬，本質(zhì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通過這個(gè)系統(tǒng)，可以創(chuàng)建出一個(gè)虛擬世界，這個(gè)世界可以是現(xiàn)在的現(xiàn)實(shí)，也可以是想象出來的現(xiàn)實(shí)，還可以是根本不存在的現(xiàn)實(shí);另外，用戶可以通過這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行五感的交互，達(dá)到真實(shí)的情感體驗(yàn)，并借助頭盔、手套等等為用戶創(chuàng)造一個(gè)實(shí)時(shí)反映實(shí)體對象變化與相互作用的三維虛擬世界，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。

2.特性

沉浸性：用戶可通過虛擬仿真系統(tǒng)得到真實(shí)的感知反饋，充分調(diào)動了視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運(yùn)動感覺等，從而達(dá)到身臨其境的效果。

交互性：利用虛擬仿真技術(shù)創(chuàng)造的虛擬仿真系統(tǒng)，本質(zhì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所創(chuàng)造的虛擬三維世界，模擬真實(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行體驗(yàn)。在這個(gè)系統(tǒng)中，不僅環(huán)境可以作用于人，人也可以對環(huán)境及進(jìn)行控制。仿真系統(tǒng)還可以做出實(shí)時(shí)反應(yīng)，達(dá)到兩者可以同步的理解。就像在仿真系統(tǒng)中做化學(xué)實(shí)驗(yàn)，如果不小心用錯(cuò)試劑導(dǎo)致爆炸，那么使用用戶也可以看到爆炸場景，聽到爆炸聲音。總之，這是一種非常實(shí)用的技術(shù)交互。

虛幻性：虛擬仿真技術(shù)結(jié)合了仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，兩者的特點(diǎn)兼而有之。即系統(tǒng)中的環(huán)境、人物、情節(jié)等等，都是由計(jì)算機(jī)通過工具模仿出來的，并不是真實(shí)的。它既能模擬客觀存在過的或者是真實(shí)的環(huán)境，也可以模擬出客觀世界中并不存在的環(huán)境，甚至是幻想中或是將來可能出現(xiàn)的環(huán)境。因此，虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛，不只作用于化工類實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，也對生活中其他行業(yè)和學(xué)科產(chǎn)生重大影響。

3.優(yōu)勢

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于課程實(shí)踐教學(xué)，具有非常大的優(yōu)點(diǎn)。一是提升教學(xué)效果，通過逼真立體的方式化抽象為形象，讓學(xué)生更好理解知識;二是完成不可能的實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)課程中具有危險(xiǎn)性的實(shí)驗(yàn)、極端破壞實(shí)驗(yàn)以及需要大型場地才能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)等等;三是增強(qiáng)了課堂的趣味性，通過虛擬仿真技術(shù)搭建的系統(tǒng)，具有三維空間性，學(xué)生可以在系統(tǒng)中得到真實(shí)的體驗(yàn);四是為課堂教學(xué)提供了新的教學(xué)模式，是化工類實(shí)驗(yàn)課程教師非常重要的教學(xué)輔助工具。

4.可應(yīng)用的學(xué)科和行業(yè)

虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用，可以最大限度的培養(yǎng)知識型、應(yīng)用型高科技人才，廣泛應(yīng)用于理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)、振動力學(xué)、流體力學(xué)、有限單元法、大型工程分析軟件及應(yīng)用、虛擬設(shè)計(jì)Pro/E、虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)等等，對整個(gè)行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

二、虛擬仿真技術(shù)在化工類實(shí)驗(yàn)課程的應(yīng)用

1.建立虛擬仿真系統(tǒng)，操控課堂教學(xué)的三維演示

傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，利用書本或老師直接教授達(dá)到對化工類實(shí)驗(yàn)課程的知識傳授，但這種方式只調(diào)動了學(xué)生的視覺和聽覺，難以讓學(xué)生真正理解。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過建立三維空間的模擬環(huán)境，讓學(xué)生可以進(jìn)入虛擬空間，從不同的角度，可以在任何時(shí)間和場合，了解這些設(shè)備，還能夠觀察各部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，甚至單獨(dú)的設(shè)備，可以幫助學(xué)生調(diào)動所有感官來參與進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于課堂教學(xué)效果的提升。

2.使用虛擬仿真系統(tǒng)，模擬訓(xùn)練教學(xué)

化工類實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，必然涉及到各類大型的實(shí)驗(yàn)。如果要搭建大型實(shí)驗(yàn)場地進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，耗費(fèi)時(shí)間長、教學(xué)成本高、實(shí)驗(yàn)效果不理想等等都是這個(gè)過程中會出現(xiàn)的問題，而且各類實(shí)驗(yàn)帶來的嚴(yán)重后果是無法控制的，所以實(shí)驗(yàn)的實(shí)操一般都被擱置，學(xué)生的實(shí)踐能力得不到有效培養(yǎng)。而在課堂教學(xué)中融入虛擬仿真技術(shù)，利用這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)造一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬仿真系統(tǒng)，就可以在規(guī)避一切實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的條件下，讓學(xué)生充分的進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)。在虛擬系統(tǒng)中所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，既不需要儀器設(shè)備，也不需要搭建費(fèi)用高昂的場地，只需要搭建一個(gè)系統(tǒng)就可以達(dá)到一個(gè)滿意的效果，不用擔(dān)心安全和實(shí)驗(yàn)的效果，真正鍛煉了學(xué)生的實(shí)操能力，并通過系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境模擬，讓學(xué)生參與進(jìn)生產(chǎn)實(shí)踐中，提高學(xué)生的社會適應(yīng)能力。因此，虛擬仿真系統(tǒng)在化工類實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)應(yīng)用中，是非常必要的。

3.利用虛擬仿真系統(tǒng)模仿課堂教學(xué)系統(tǒng)

利用虛擬仿真技術(shù)所形成的教學(xué)系統(tǒng)，具有直觀的三維仿真環(huán)境，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學(xué)中的大部分教學(xué)功能，彌補(bǔ)了課堂上的理論教學(xué)不足的差距，內(nèi)容豐富。化工類實(shí)驗(yàn)課程本身就具有復(fù)雜性，涉及到了大量的儀器設(shè)備和專業(yè)知識，利用虛擬仿真后的教學(xué)系統(tǒng)，可以讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及學(xué)科應(yīng)用實(shí)踐等等，對于知識教授和學(xué)生實(shí)操能力的提高具有非常重大的意義。

結(jié)語

總之，通過虛擬仿真技術(shù)建造一個(gè)虛擬的環(huán)境系統(tǒng)，極大提高了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效率。在化工類實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)和實(shí)踐中，解決了因現(xiàn)實(shí)客觀條件導(dǎo)致的場地、資金以及設(shè)備的問題，為教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種新的模式參考，有利于培養(yǎng)人才，實(shí)現(xiàn)課堂與社會實(shí)踐的結(jié)合。因此，高校應(yīng)該大力推廣虛擬仿真技術(shù)在課堂中的應(yīng)用，讓化工類實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再是一個(gè)難題。

參考文獻(xiàn)

[1]王朝陽，毛海舫，方向，徐兵.虛擬仿真在化工類實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的探究[J].智庫時(shí)代，2019（52）：178-179.

[2]劉海，姜國平，靳菲，張正國.虛擬仿真技術(shù)在化工專業(yè)本科實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].化學(xué)工程與裝備，2019（09）：285-288.

[3]盧素敏，劉秀軍，郭玉高，張慶印，管山.虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)與仿真平臺在化工原理課程設(shè)計(jì)教改中的研究[J].教育教學(xué)論壇，2019（47）：213-214.

[4]邵琰，劉敏超.虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺在應(yīng)用型大學(xué)的搭建及虛擬仿真技術(shù)在化工類課程教學(xué)中的探索性研究[J].廣東化工，2015，42（14）：243-244.