VR技術(shù)在高校化工專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢分析*

丁春華，方巖雄，鄭育英，龔正東

(廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院，廣東 廣州 510006)

VR(Virtual Reality)技術(shù)全稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)，突破了人類對于時間、空間、視覺、聽覺、嗅覺等各方面的生理束縛與限制，使得現(xiàn)實中所暫時無法實現(xiàn)的研究方法在虛擬世界中得以展現(xiàn)。VR技術(shù)作為新一代科學(xué)技術(shù)的引領(lǐng)者，與傳統(tǒng)教學(xué)模式的結(jié)合將會為教學(xué)改革提供重要契機。教育部在“十三五”規(guī)劃中明確提出，VR 教育是“發(fā)展未來學(xué)校和智慧課堂改革”的重要內(nèi)容。在此背景下，近年來高校利用VR技術(shù)進行學(xué)科交叉，搭建虛擬實驗室以及仿真系統(tǒng)，為實現(xiàn)化工專業(yè)實驗教學(xué)的創(chuàng)新性發(fā)展提供了新思路。

1 傳統(tǒng)化工專業(yè)實驗面臨的問題

隨著高校教學(xué)改革的進行，實踐環(huán)節(jié)在教學(xué)中所占的比重越來越大。傳統(tǒng)的化工專業(yè)實驗課程因其局限性，難以很好地達成新的教學(xué)目標要求，具體表現(xiàn)為：

(1)部分實驗項目具有一定的危險性，存在安全隱患。圖1列出了化學(xué)化工類實驗室的安全事故原因[1]。因此，安全保障工作較為復(fù)雜，降低了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

圖1 化學(xué)實驗室事故分類比例圖

(2)大部分實驗設(shè)備價格較為昂貴、占地面積大，通常一個實驗只能配備1～2臺設(shè)備，存在設(shè)備臺套數(shù)不足、老舊，設(shè)備更新及維護不及時等問題，部分操作實驗變成演示實驗，很難滿足創(chuàng)新性實驗教學(xué)的要求。

(3)在實踐過程中，學(xué)生的操作通常是一次性，不能反復(fù)操作，缺少糾錯機會，學(xué)生很難準確掌握實驗要點。而且實驗過程中不能直觀了解化工設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)與內(nèi)部過程變化，對于實驗細節(jié)的把控不夠細致，學(xué)習(xí)效果難以保障。

(4)化工實驗教學(xué)中存在因?qū)W生操作不當(dāng)導(dǎo)致的廢料、廢液、廢渣的排放不當(dāng)，造成環(huán)境污染[2]。

(5)目前國內(nèi)高校中所設(shè)立的化工專業(yè)實驗室功能單一，只用于學(xué)生完成教學(xué)大綱里特定的實驗項目，大部分時間實驗室均處于關(guān)閉狀態(tài)。出于安全考慮，對于有自主學(xué)習(xí)熱情的學(xué)生也不敢對其單獨開放，實驗室利用率低。長期處于停用狀態(tài)的設(shè)備更容易發(fā)生故障，造成了教育資源的嚴重浪費。

總之，傳統(tǒng)的化工專業(yè)實驗受空間、時間、硬件條件和學(xué)生安全等諸多因素制約，其教學(xué)方式很難滿足企業(yè)對技能型人才、自主型人才的需求，更無法滿足學(xué)生進一步自主學(xué)習(xí)的要求[3]。雖然大部分高校建立了仿真實驗室，但目前的仿真實驗偏向于對實驗工藝的演練，很難有身臨其境的直觀感受，效果大打折扣。

2 VR技術(shù)用于化工專業(yè)實驗教學(xué)的優(yōu)勢

VR技術(shù)能夠提供逼真的實驗場景以及實驗過程，還原度高，渲染能力強，能有效提升實驗過程中的嚴謹度與準確性；能夠通過交互性使得學(xué)生能夠細致地觀察實驗過程中的細節(jié)過程，并通過3D展示技術(shù)對于龐大的密封性化工設(shè)備進行內(nèi)部展示，有利于提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效率；能有效延長各類設(shè)備的使用期限，在降低設(shè)備資金消耗、緩解設(shè)備數(shù)量緊張的同時，也能夠有效減少為保證師生人身安全所消耗的資源，極大地保障了實驗室安全[4]。同時在虛擬實驗室中的犯錯代價也較傳統(tǒng)教學(xué)模式有顯著下降，符合國家大力倡導(dǎo)的“綠色化學(xué)”理念。以下從高效性、實用性、規(guī)范性、安全性與環(huán)保性等幾個方面進行分析。

2.1 高效性

通過VR技術(shù)的加持，輔助以傳統(tǒng)教學(xué)中化工專業(yè)實驗室的管理經(jīng)驗，能夠有效地提升化工專業(yè)實驗室中的化工設(shè)備資源利用效率、學(xué)生學(xué)習(xí)效率以及化工設(shè)備資源配置效率，并在此基礎(chǔ)上有效地降低實驗成本。

(1)降低實驗費用，減少實驗室面積。VR技術(shù)的應(yīng)用，將避開實驗場地限制的問題，只需要通過軟件的開發(fā)便可以新增實驗項目以及實驗課程，還能夠有效降低后期設(shè)備維護成本、省去購買實驗原料的費用，大大降低實驗室的成本。

(2)可反復(fù)操練，立體式學(xué)習(xí)。據(jù)研究表明[5]，單一的媒體工具教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率僅為10%；多重媒體教學(xué)能將學(xué)習(xí)效率少量提升至30%；而在以VR技術(shù)為核心的沉浸式教學(xué)中，學(xué)習(xí)效率將大幅度提升至70%?？梢?，VR技術(shù)與實驗課程結(jié)合能夠快速提升學(xué)習(xí)效率。虛擬化工專業(yè)實驗室具有可反復(fù)性的特點，學(xué)生可以反復(fù)多次操作，仔細觀察研究重要的實驗細節(jié)，直至完全理解重點、攻克實驗難點。同時，還可以打破時空的束縛，深入到設(shè)備內(nèi)部觀察靜態(tài)設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造與動態(tài)實驗時設(shè)備內(nèi)部的變化[6]。

(3)方便管理，學(xué)習(xí)時間靈活。利用VR技術(shù)，實驗室的管理工作可以實現(xiàn)數(shù)字化，行政效率也將得到大幅度提升，分布式的教學(xué)數(shù)據(jù)可以集中到主機進行集中處理，在課余時間學(xué)生也能利用互聯(lián)網(wǎng)通過VR設(shè)備進行自主學(xué)習(xí)。

2.2 實用性

虛擬實驗室建設(shè)的目的和初衷是[7]：提升教學(xué)質(zhì)量，利用VR技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)平臺展示實驗過程，模擬現(xiàn)實實驗室中已經(jīng)存在的、以及暫時尚未存在的實驗設(shè)施與實驗器材，提供虛擬教學(xué)環(huán)境。使用VR技術(shù)所建立的化工專業(yè)實驗室，不會出現(xiàn)設(shè)備老化問題，因其虛擬性還能與時俱進地更新最新的化工設(shè)備與實驗方案，學(xué)生更容易接觸到行業(yè)前沿的科學(xué)技術(shù)手段。能夠讓實驗教學(xué)與專業(yè)緊密銜接，更有利于提升未來化工行業(yè)整體的專業(yè)素養(yǎng)與技術(shù)水平。除此之外，虛擬化工專業(yè)實驗室的還可以完成規(guī)模更為龐大、原料更為復(fù)雜的放大實驗，而這是傳統(tǒng)化工專業(yè)實驗無法完成的。

2.3 規(guī)范性

規(guī)范性是針對目前高校對于實驗室管理的復(fù)雜規(guī)程而提出的。VR實驗室的建立，學(xué)生對于實驗室的申請和預(yù)約可以通過網(wǎng)絡(luò)實驗室管理系統(tǒng)實現(xiàn)，將大大簡化審批流程；通過大數(shù)據(jù)分析，學(xué)校能實時掌握實驗室使用情況、學(xué)生個人的研究習(xí)慣與研究成果，實現(xiàn)精準化管理；更有利于高校之間、高校中不同學(xué)院之間，以及學(xué)院中不同類型實驗室之間建立緊密聯(lián)系，提高開放程度，更好地實現(xiàn)資源、設(shè)備、技術(shù)的共享。

2.4 安全性與環(huán)保性

近年來高校的科研水平、實踐教學(xué)能力、科研規(guī)模都有了顯著提高。高校內(nèi)開設(shè)的實驗課程、科研活動更加頻繁，也帶來了新的隱患。其中較為突出的就是實驗室安全和環(huán)保問題。建立虛擬化工專業(yè)實驗室之后，能夠有效避免危險操作所造成的實驗室安全事故，有效解決易燃易爆品、劇毒品等特殊化工原材料的管理問題，節(jié)省大量人力資源和資金消耗；通過虛擬實驗室的“安全事故模擬逃生”模塊，學(xué)生可以演練如何應(yīng)對突發(fā)事故，深刻理解事故處理手段、掌握逃生方法；實驗通過虛擬環(huán)境完成，從源頭上根除了廢氣、廢液、廢渣的產(chǎn)生，完全杜絕了環(huán)保方面的隱患。

3 VR技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)主導(dǎo)開發(fā)的光學(xué)虛擬實驗室是我國的首個虛擬教學(xué)實驗室，其具有虛擬環(huán)境好、真實性強、沉浸度高的特點[8]；清華大學(xué)開發(fā)了能夠檢測汽車的發(fā)動機系統(tǒng)的VR虛擬實驗室，以及可以用于城市減災(zāi)的數(shù)字防災(zāi)虛擬工程實驗室；武漢首義學(xué)院研發(fā)出能夠細致分化不同領(lǐng)域內(nèi)的虛擬現(xiàn)實軟件的搭建方案，并且該設(shè)計方案已經(jīng)在我國華中地區(qū)的一部分高校中展開投入了應(yīng)用，并取得了不錯的實驗成果[9]。中視典數(shù)字科技有限公司所開發(fā)的“全息教室(沉浸式虛擬仿真實驗室)”是一套比較成熟的VR虛擬實驗室方案。該VR實驗室具有強大的全息教室課件編輯和管理能力，豐富的可選擇終端，并包含桌面立體操作系統(tǒng)、AR (Augment Reality) 感知交互系統(tǒng)、手勢交互識別系統(tǒng)、三維空間顯示大屏、遠程異地錄播系統(tǒng)等強大功能，實現(xiàn)了全息教室的多人協(xié)同教學(xué)和沉浸式互動教學(xué)效果。

美國COREL公司開發(fā)的虛擬化學(xué)實驗室COREL Chemlab，是一種能夠很好地模擬化學(xué)實驗仿真功能的多媒體網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，不但可以如同位于現(xiàn)實化學(xué)環(huán)境實驗室中一樣與各類化學(xué)設(shè)備進行實時交互，還能夠在此基礎(chǔ)上自行研發(fā)試驗方案，開展一系列探究性化學(xué)實驗，無論是在視覺、觸覺還是在人機交互方面，都能達到較高的水平[10]。

國外相較于國內(nèi)在VR技術(shù)研究水平及發(fā)展程度方面都較為領(lǐng)先，技術(shù)應(yīng)用也更為廣泛。特別是大力推廣利用VR技術(shù)對普通高校進行教學(xué)提升，這也是國內(nèi)虛擬實驗室如今發(fā)展的方向。隨著技術(shù)的不斷進步與成熟，我國的VR技術(shù)企業(yè)與高校將在實驗室建設(shè)、課程開設(shè)、學(xué)術(shù)研究等方面開展合作，實現(xiàn)產(chǎn)教融合，遠距離進行化工專業(yè)實驗也將成為現(xiàn)實[11]。

筆者在教學(xué)實踐中，以化工原理實驗設(shè)備中典型的閥門設(shè)備為例，確定設(shè)備型號后，采用SolidWorks及3ds Max軟件設(shè)計了截止閥設(shè)備模型，以.wrl格式導(dǎo)入到3ds Max軟件中完成優(yōu)化，再將文件以.FBX通用格式導(dǎo)入Unity中，利用Unity作為開發(fā)引擎，結(jié)合Steam VR和VRTK插件實現(xiàn)人機交互，能夠較好地實現(xiàn)閥門類設(shè)備交互制作與靜態(tài)3D展示。設(shè)計流程圖如圖2所示。通過設(shè)立網(wǎng)絡(luò)主機，配合移動終端與VR頭顯三級模式，既方便了學(xué)生的使用，又降低了建設(shè)成本。通過導(dǎo)入Unity所擁有的Steam VR 以及VRTK插件，向開發(fā)者隱藏封裝了內(nèi)部細節(jié)，降低了使用難度，使得沒有接觸過編程軟件與編程語言的用戶也能很快上手。通過交互演示閥門設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在微觀細節(jié)方面以及時空層面增進了學(xué)生對閥門結(jié)構(gòu)和原理的理解，取得了很好的教學(xué)效果。通過對該交互模塊改進與拓展，能夠進一步實現(xiàn)化工專業(yè)實驗中較大型設(shè)備(如：換熱器、吸收塔、精餾塔等)的交互與展示，并為VR技術(shù)與其他化工類實驗的結(jié)合應(yīng)用提供借鑒。

圖2 化工原理實驗設(shè)備虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)流程

4 結(jié) 語

利用VR技術(shù)創(chuàng)建虛擬實驗教學(xué)平臺，結(jié)合化工專業(yè)實驗傳統(tǒng)教學(xué)模式構(gòu)建合理的教學(xué)框架，可讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，開發(fā)自己的實驗?zāi)Ｊ讲⑦M行演練、改進與完善。虛擬實驗室能夠有效地為師生提供良好的互動環(huán)境，在打破傳統(tǒng)實驗條件束縛的基礎(chǔ)上，能夠充分調(diào)動學(xué)生的自覺性、能動性，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和綜合能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的實驗研究能力、嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度、創(chuàng)新的探究精神，樹立“綠色化工”的環(huán)保理念。