物理化学虚拟现实(VR)实验的开发与教学实践

蔡 方,司忠业,白金瑞,熊 焰,*

(1.华东理工大学 网络教育学院,上海 200237;2.华东理工大学 创新创业教育中心, 上海 200237;3.华东理工大学 化学实验教学中心,上海 200237)

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，用户借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互作用、相互影响[1-2]，可以产生身临其境的感受和体验。我们结合物理化学实验教材内容设计了爆炸极限测定虚拟现实(VR)实验。

1 爆炸现象与爆炸极限

爆炸来的太突然，来不及躲避，来不及思考就和死神接吻，防治爆炸事故，保护人身安全，是生活中必备的常识。汽车爆炸、煤气爆炸、天然气爆炸、化工厂爆炸等等，我们的身边爆炸事故的危险时常存在，但是很多人并没有意识到，看到爆炸事故，唏嘘之余，不再思考。那么我们该怎样预防爆炸事故呢？了解了爆炸现象发生的原因以及为什么存在爆炸极限以后，就能针对不同的情况有的放矢了。

化学性爆炸中的混合物爆炸，所有可燃气体、蒸气及粉尘与空气混合所形成的混合物的爆炸均属于此类[3]。这类物质爆炸需要一定条件，可燃气的氧化反应存在着两个爆炸极限：高限和低限[4]。本VR实验就围绕可燃气体的爆炸现象与爆炸极限测定展开。

2 虚拟现实(VR)实验设计

本实验由交互式VR操作实验、全景教学视频和2D教学视频三部分组成。其中交互式VR操作实验是整个实验的核心和基础，是使用VR开发引擎Unity3D构建了一个非常逼真的实验室爆炸事故现场和一个可燃气体爆炸极限测定实验室，用户可以使用HTC Vive等VR设备在虚拟的场景中进行沉浸式体验并完成测定丙酮在空气中爆炸极限的交互操作实验。

2.1 交互式VR操作实验

交互式VR操作实验从一个实验室爆炸事故现场出发，让实验者从一名事故现场调查员的角度探寻事故发生的根源，如图1所示。通过沉浸式VR体验将实验者置身爆炸事故现场，抽丝剥茧，将各种嫌疑对象逐项排除，最终从现场残液中找到最可能的罪魁祸首——能产生可燃性气体的有机溶剂，并通过气相色谱质谱联用仪等分析手段，证实残液中含有大量丙酮。

可燃性气体丙酮在空气中具有燃烧爆炸的危险，爆炸浓度极限是判断其爆炸危险性的一个重要参数，准确地知道爆炸极限范围对于研究爆炸性气体十分重要。本实验在证实爆炸是由丙酮引起之后，将场景切换到一个气体爆炸极限测定实验室，通过交互式VR实验测出丙酮在空气中的爆炸极限，推断出爆炸发生的原因，如图2所示。

图1 VR模拟实验室爆炸事故现场调查

2.2 全景教学视频和2D教学视频

由于交互式VR操作实验要求有专业的VR设备配套使用，这限制了虚拟实验的应用范围，为此我们在交互式VR操作实验项目中通过脚本控制虚拟全景摄像机制作了一系列全景教学视频，并在交互式VR操作实验的操作过程中录制了一系列2D教学视频。这些全景教学视频和2D教学视频都是围绕实验中涉及的知识点进行讲解，可以发布到教学平台上供更多的同学进行自学，也可以作为教学素材供教师在课堂上配合其它教学资料进行教学。

图2 可燃性气体爆炸极限测定VR实验过程

3 虚拟现实(VR)实验教学实践

3.1 虚拟现实(VR)实验教学组织

本项目在教学中针对不同的受众群体，设计了不同的教学方法[5-7]：

对于有条件进行线下VR实验的学生，VR技术能最大程度地还原爆炸过程，能建立多源信息融合、交互式的动态视景和实体行为的系统仿真，学生身临其境，就像参与爆炸反应的分子一样能全程感受爆炸的起因、过程与防治。

经过我校超过2000余名本科生和研究生的教学试用，教学效果良好。许多同学反映，通过实验使他们对爆炸有了感性认识，也增加了对相关动力学知识的理性认识，而且对安全生产的重要性也有了进一步的体会，使今后的学习和工作都受益匪浅。

在虚拟现实(VR)实验教学过程中，我们通过问卷的方式对参加VR实验的应用化学专业170名学生进行了抽样调查，共回收有效问卷164份，调查结果如下。

图4为参加VR实验的学生使用VR体验和参加VR实验教学次数的统计结果。有59.15%的学生是第一次体验VR，31.71%的学生体验过2到5次，只有不到10%的学生有过多次VR体验；所有的学生都是第一次参加VR实验教学。

图3 本科学生体验操作VR实验

图4 使用VR次数统计图

图5为参加VR实验的学生对VR实验教学效果满意度和VR实验对理解知识点的重要性统计结果。有61.59%的学生满意度非常高，37.2%的学生满意度高，只有1.22%的学生满意度低；有39.63%的学生认为VR实验教学对理解知识点的重要性非常高，54.88%的学生认为重要性高，只有5.49%的学生认为不高。

图5 VR实验满意度统计图

此外，有98.78%的学生认为VR实验教学可以填补传统实验教学的空白，并且有79.27%的同学表示有兴趣参与VR实验的开发制作。

从上述调查结果可以看出，绝大部分学生都对VR技术接触不多，而且都是初次参加VR实验教学，绝大部分学生对VR实验教学很满意，并且认为VR实验教学对实验原理及操作等知识点的理解和掌握很重要。除此之外，VR实验还引起了大部分学生对参与VR实验开发制作的兴趣，值得鼓励和支持。

4 结语

虚拟现实实验在物化实验教学中的应用相对传统实验教学有不少优势，对物化实验教学和学生动手能力培养都有很大帮助，是一种很好的补充[8]。虽然目前还存在一些困难，但随着学校师资队伍的培养壮大以及虚拟现实相关交互技术的不断发展完善，这些困难都正在得到缓解和解决。而且随着5G时代的到来，虚拟现实与5G的结合将使VR实验使用更方便、优秀的教学资源更容易推广普及。飞速发展的科技令人期待，教师和学生们需要学会合理利用优质资源，有效提高教学效果和学习效率，在教学过程中不断学习、共同成长。