VR技术在高校化工专业实验教学中的应用优势分析*

丁春华，方岩雄，郑育英，龚正东

(广东工业大学轻工化工学院，广东 广州 510006)

VR(Virtual Reality)技术全称为虚拟现实技术，突破了人类对于时间、空间、视觉、听觉、嗅觉等各方面的生理束缚与限制，使得现实中所暂时无法实现的研究方法在虚拟世界中得以展现。VR技术作为新一代科学技术的引领者，与传统教学模式的结合将会为教学改革提供重要契机。教育部在“十三五”规划中明确提出，VR 教育是“发展未来学校和智慧课堂改革”的重要内容。在此背景下，近年来高校利用VR技术进行学科交叉，搭建虚拟实验室以及仿真系统，为实现化工专业实验教学的创新性发展提供了新思路。

1 传统化工专业实验面临的问题

随着高校教学改革的进行，实践环节在教学中所占的比重越来越大。传统的化工专业实验课程因其局限性，难以很好地达成新的教学目标要求，具体表现为：

(1)部分实验项目具有一定的危险性，存在安全隐患。图1列出了化学化工类实验室的安全事故原因[1]。因此，安全保障工作较为复杂，降低了教学质量和教学效率。

图1 化学实验室事故分类比例图

(2)大部分实验设备价格较为昂贵、占地面积大，通常一个实验只能配备1～2台设备，存在设备台套数不足、老旧，设备更新及维护不及时等问题，部分操作实验变成演示实验，很难满足创新性实验教学的要求。

(3)在实践过程中，学生的操作通常是一次性，不能反复操作，缺少纠错机会，学生很难准确掌握实验要点。而且实验过程中不能直观了解化工设备内部结构与内部过程变化，对于实验细节的把控不够细致，学习效果难以保障。

(4)化工实验教学中存在因学生操作不当导致的废料、废液、废渣的排放不当，造成环境污染[2]。

(5)目前国内高校中所设立的化工专业实验室功能单一，只用于学生完成教学大纲里特定的实验项目，大部分时间实验室均处于关闭状态。出于安全考虑，对于有自主学习热情的学生也不敢对其单独开放，实验室利用率低。长期处于停用状态的设备更容易发生故障，造成了教育资源的严重浪费。

总之，传统的化工专业实验受空间、时间、硬件条件和学生安全等诸多因素制约，其教学方式很难满足企业对技能型人才、自主型人才的需求，更无法满足学生进一步自主学习的要求[3]。虽然大部分高校建立了仿真实验室，但目前的仿真实验偏向于对实验工艺的演练，很难有身临其境的直观感受，效果大打折扣。

2 VR技术用于化工专业实验教学的优势

VR技术能够提供逼真的实验场景以及实验过程，还原度高，渲染能力强，能有效提升实验过程中的严谨度与准确性；能够通过交互性使得学生能够细致地观察实验过程中的细节过程，并通过3D展示技术对于庞大的密封性化工设备进行内部展示，有利于提升学生学习兴趣与学习效率；能有效延长各类设备的使用期限，在降低设备资金消耗、缓解设备数量紧张的同时，也能够有效减少为保证师生人身安全所消耗的资源，极大地保障了实验室安全[4]。同时在虚拟实验室中的犯错代价也较传统教学模式有显著下降，符合国家大力倡导的“绿色化学”理念。以下从高效性、实用性、规范性、安全性与环保性等几个方面进行分析。

2.1 高效性

通过VR技术的加持，辅助以传统教学中化工专业实验室的管理经验，能够有效地提升化工专业实验室中的化工设备资源利用效率、学生学习效率以及化工设备资源配置效率，并在此基础上有效地降低实验成本。

(1)降低实验费用，减少实验室面积。VR技术的应用，将避开实验场地限制的问题，只需要通过软件的开发便可以新增实验项目以及实验课程，还能够有效降低后期设备维护成本、省去购买实验原料的费用，大大降低实验室的成本。

(2)可反复操练，立体式学习。据研究表明[5]，单一的媒体工具教学，学生的学习效率仅为10%；多重媒体教学能将学习效率少量提升至30%；而在以VR技术为核心的沉浸式教学中，学习效率将大幅度提升至70%。可见，VR技术与实验课程结合能够快速提升学习效率。虚拟化工专业实验室具有可反复性的特点，学生可以反复多次操作，仔细观察研究重要的实验细节，直至完全理解重点、攻克实验难点。同时，还可以打破时空的束缚，深入到设备内部观察静态设备的内部构造与动态实验时设备内部的变化[6]。

(3)方便管理，学习时间灵活。利用VR技术，实验室的管理工作可以实现数字化，行政效率也将得到大幅度提升，分布式的教学数据可以集中到主机进行集中处理，在课余时间学生也能利用互联网通过VR设备进行自主学习。

2.2 实用性

虚拟实验室建设的目的和初衷是[7]：提升教学质量，利用VR技术在网络平台展示实验过程，模拟现实实验室中已经存在的、以及暂时尚未存在的实验设施与实验器材，提供虚拟教学环境。使用VR技术所建立的化工专业实验室，不会出现设备老化问题，因其虚拟性还能与时俱进地更新最新的化工设备与实验方案，学生更容易接触到行业前沿的科学技术手段。能够让实验教学与专业紧密衔接，更有利于提升未来化工行业整体的专业素养与技术水平。除此之外，虚拟化工专业实验室的还可以完成规模更为庞大、原料更为复杂的放大实验，而这是传统化工专业实验无法完成的。

2.3 规范性

规范性是针对目前高校对于实验室管理的复杂规程而提出的。VR实验室的建立，学生对于实验室的申请和预约可以通过网络实验室管理系统实现，将大大简化审批流程；通过大数据分析，学校能实时掌握实验室使用情况、学生个人的研究习惯与研究成果，实现精准化管理；更有利于高校之间、高校中不同学院之间，以及学院中不同类型实验室之间建立紧密联系，提高开放程度，更好地实现资源、设备、技术的共享。

2.4 安全性与环保性

近年来高校的科研水平、实践教学能力、科研规模都有了显著提高。高校内开设的实验课程、科研活动更加频繁，也带来了新的隐患。其中较为突出的就是实验室安全和环保问题。建立虚拟化工专业实验室之后，能够有效避免危险操作所造成的实验室安全事故，有效解决易燃易爆品、剧毒品等特殊化工原材料的管理问题，节省大量人力资源和资金消耗；通过虚拟实验室的“安全事故模拟逃生”模块，学生可以演练如何应对突发事故，深刻理解事故处理手段、掌握逃生方法；实验通过虚拟环境完成，从源头上根除了废气、废液、废渣的产生，完全杜绝了环保方面的隐患。

3 VR技术在实验教学中的应用

中国科学技术大学主导开发的光学虚拟实验室是我国的首个虚拟教学实验室，其具有虚拟环境好、真实性强、沉浸度高的特点[8]；清华大学开发了能够检测汽车的发动机系统的VR虚拟实验室，以及可以用于城市减灾的数字防灾虚拟工程实验室；武汉首义学院研发出能够细致分化不同领域内的虚拟现实软件的搭建方案，并且该设计方案已经在我国华中地区的一部分高校中展开投入了应用，并取得了不错的实验成果[9]。中视典数字科技有限公司所开发的“全息教室(沉浸式虚拟仿真实验室)”是一套比较成熟的VR虚拟实验室方案。该VR实验室具有强大的全息教室课件编辑和管理能力，丰富的可选择终端，并包含桌面立体操作系统、AR (Augment Reality) 感知交互系统、手势交互识别系统、三维空间显示大屏、远程异地录播系统等强大功能，实现了全息教室的多人协同教学和沉浸式互动教学效果。

美国COREL公司开发的虚拟化学实验室COREL Chemlab，是一种能够很好地模拟化学实验仿真功能的多媒体网络实验平台，不但可以如同位于现实化学环境实验室中一样与各类化学设备进行实时交互，还能够在此基础上自行研发试验方案，开展一系列探究性化学实验，无论是在视觉、触觉还是在人机交互方面，都能达到较高的水平[10]。

国外相较于国内在VR技术研究水平及发展程度方面都较为领先，技术应用也更为广泛。特别是大力推广利用VR技术对普通高校进行教学提升，这也是国内虚拟实验室如今发展的方向。随着技术的不断进步与成熟，我国的VR技术企业与高校将在实验室建设、课程开设、学术研究等方面开展合作，实现产教融合，远距离进行化工专业实验也将成为现实[11]。

笔者在教学实践中，以化工原理实验设备中典型的阀门设备为例，确定设备型号后，采用SolidWorks及3ds Max软件设计了截止阀设备模型，以.wrl格式导入到3ds Max软件中完成优化，再将文件以.FBX通用格式导入Unity中，利用Unity作为开发引擎，结合Steam VR和VRTK插件实现人机交互，能够较好地实现阀门类设备交互制作与静态3D展示。设计流程图如图2所示。通过设立网络主机，配合移动终端与VR头显三级模式，既方便了学生的使用，又降低了建设成本。通过导入Unity所拥有的Steam VR 以及VRTK插件，向开发者隐藏封装了内部细节，降低了使用难度，使得没有接触过编程软件与编程语言的用户也能很快上手。通过交互演示阀门设备内部结构，在微观细节方面以及时空层面增进了学生对阀门结构和原理的理解，取得了很好的教学效果。通过对该交互模块改进与拓展，能够进一步实现化工专业实验中较大型设备(如：换热器、吸收塔、精馏塔等)的交互与展示，并为VR技术与其他化工类实验的结合应用提供借鉴。

图2 化工原理实验设备虚拟仿真系统开发流程

4 结 语

利用VR技术创建虚拟实验教学平台，结合化工专业实验传统教学模式构建合理的教学框架，可让学生在教师的引导下，开发自己的实验模式并进行演练、改进与完善。虚拟实验室能够有效地为师生提供良好的互动环境，在打破传统实验条件束缚的基础上，能够充分调动学生的自觉性、能动性，提高学生的科学素养和综合能力，培养学生科学的实验研究能力、严谨的科学态度、创新的探究精神，树立“绿色化工”的环保理念。