虚拟仿真在化工类实验课程中的探究

李传 崔敏 唐艳凌 张淑霞 杜峰 罗辉 邓文安

【基金项目】教育部产学合作协同育人项目（202101033004）;中国石油大学（华东）教学研究与改革项目（SJ-202009）

【摘要】虚拟仿真结合了虚拟现实和仿真技术，能够模拟出复杂的现实环境，经常应用于各类研究模型以及大型实验操作系统。促进虚拟仿真技术与化工类实验课程的教学融合，有利于改善和解决化工类实验课课程实践的各项局限性。比如，缺乏专业设备、教学场地小、资金投入少等等。因此，本文从虚拟仿真技术的基本介绍、虚拟仿真技术在化工类实验课程应用以及教学场地实践等方面，探讨了虚拟仿真技术应用于课程实践的具体实施思路。

【关键词】虚拟仿真技术;实验课程;课程实践

引言：化工类实验课程中在化工专业中占据着非常重要的地位，实验教学不仅可以验证已有结论，还可以让学生更好的理解专业知识。目前各高校化工专业都非常重视实验课程的教学实践，但开展实验教学必须要依托专业性的场地和设备，也就意味着需要投入大量的资金，而许多高校并不具备这一前提条件，因此，推行可以模拟复杂现实环境的虚拟仿真技术就势在必行。

一、虚拟仿真技术的基本介绍

1.概念

虚拟仿真技术，也可以被称为模拟技术。它时一个系统对另一个系统的模拟，本质是计算机系统。通过这个系统，可以创建出一个虚拟世界，这个世界可以是现在的现实，也可以是想象出来的现实，还可以是根本不存在的现实;另外，用户可以通过这个系统进行五感的交互，达到真实的情感体验，并借助头盔、手套等等为用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。

2.特性

沉浸性：用户可通过虚拟仿真系统得到真实的感知反馈，充分调动了视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等，从而达到身临其境的效果。

交互性：利用虚拟仿真技术创造的虚拟仿真系统，本质是计算机系统所创造的虚拟三维世界，模拟真实的系统进行体验。在这个系统中，不仅环境可以作用于人，人也可以对环境及进行控制。仿真系统还可以做出实时反应，达到两者可以同步的理解。就像在仿真系统中做化学实验，如果不小心用错试剂导致爆炸，那么使用用户也可以看到爆炸场景，听到爆炸声音。总之，这是一种非常实用的技术交互。

虚幻性：虚拟仿真技术结合了仿真技术和虚拟现实技术，两者的特点兼而有之。即系统中的环境、人物、情节等等，都是由计算机通过工具模仿出来的，并不是真实的。它既能模拟客观存在过的或者是真实的环境，也可以模拟出客观世界中并不存在的环境，甚至是幻想中或是将来可能出现的环境。因此，虚拟仿真系统的应用广泛，不只作用于化工类实验课程教学，也对生活中其他行业和学科产生重大影响。

3.优势

虚拟仿真技术应用于课程实践教学，具有非常大的优点。一是提升教学效果，通过逼真立体的方式化抽象为形象，让学生更好理解知识;二是完成不可能的实验，对实验课程中具有危险性的实验、极端破坏实验以及需要大型场地才能实现的实验等等;三是增强了课堂的趣味性，通过虚拟仿真技术搭建的系统，具有三维空间性，学生可以在系统中得到真实的体验;四是为课堂教学提供了新的教学模式，是化工类实验课程教师非常重要的教学辅助工具。

4.可应用的学科和行业

虚拟仿真技术的运用，可以最大限度的培养知识型、应用型高科技人才，广泛应用于理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、振动力学、流体力学、有限单元法、大型工程分析软件及应用、虚拟设计Pro/E、虚拟产品开发技术等等，对整个行业的发展具有重大意义。

二、虚拟仿真技术在化工类实验课程的应用

1.建立虚拟仿真系统，操控课堂教学的三维演示

传统课堂教学中，利用书本或老师直接教授达到对化工类实验课程的知识传授，但这种方式只调动了学生的视觉和听觉，难以让学生真正理解。而虚拟现实技术通过建立三维空间的模拟环境，让学生可以进入虚拟空间，从不同的角度，可以在任何时间和场合，了解这些设备，还能够观察各部分的内部结构，甚至单独的设备，可以帮助学生调动所有感官来参与进实验教学，有利于课堂教学效果的提升。

2.使用虚拟仿真系统，模拟训练教学

化工类实验课程的教学，必然涉及到各类大型的实验。如果要搭建大型实验场地进行实践教学，耗费时间长、教学成本高、实验效果不理想等等都是这个过程中会出现的问题，而且各类实验带来的严重后果是无法控制的，所以实验的实操一般都被搁置，学生的实践能力得不到有效培养。而在课堂教学中融入虚拟仿真技术，利用这项技術创造一个模拟实验环境的虚拟仿真系统，就可以在规避一切实验风险的条件下，让学生充分的进行化学实验。在虚拟系统中所进行的实验，既不需要仪器设备，也不需要搭建费用高昂的场地，只需要搭建一个系统就可以达到一个满意的效果，不用担心安全和实验的效果，真正锻炼了学生的实操能力，并通过系统内的环境模拟，让学生参与进生产实践中，提高学生的社会适应能力。因此，虚拟仿真系统在化工类实验课程的教学应用中，是非常必要的。

3.利用虚拟仿真系统模仿课堂教学系统

利用虚拟仿真技术所形成的教学系统，具有直观的三维仿真环境，可以代替传统教学中的大部分教学功能，弥补了课堂上的理论教学不足的差距，内容丰富。化工类实验课程本身就具有复杂性，涉及到了大量的仪器设备和专业知识，利用虚拟仿真后的教学系统，可以让学生在虚拟现实中进行实验操作、实验验证以及学科应用实践等等，对于知识教授和学生实操能力的提高具有非常重大的意义。

结语

总之，通过虚拟仿真技术建造一个虚拟的环境系统，极大提高了实验课程的教学效率。在化工类实验课程的教学和实践中，解决了因现实客观条件导致的场地、资金以及设备的问题，为教师进行实验教学提供了一种新的模式参考，有利于培养人才，实现课堂与社会实践的结合。因此，高校应该大力推广虚拟仿真技术在课堂中的应用，让化工类实验课程的实验教学不再是一个难题。

参考文献

[1]王朝阳，毛海舫，方向，徐兵.虚拟仿真在化工类实验课程教学中的探究[J].智库时代，2019（52）：178-179.

[2]刘海，姜国平，靳菲，张正国.虚拟仿真技术在化工专业本科实训教学中的应用研究[J].化学工程与装备，2019（09）：285-288.

[3]卢素敏，刘秀军，郭玉高，张庆印，管山.虚拟现实设计与仿真平台在化工原理课程设计教改中的研究[J].教育教学论坛，2019（47）：213-214.

[4]邵琰，刘敏超.虚拟仿真教学实验平台在应用型大学的搭建及虚拟仿真技术在化工类课程教学中的探索性研究[J].广东化工，2015，42（14）：243-244.