虛擬現實技術在精細化工實驗中的應用探索

曹 俊 , 宋 佳

(1.山東理工大學材料科學與工程學院，山東 淄博 255000；2.山東京博石油化工有限公司，山東 博興 256599)

精細化工作為化工專業的專業基礎課，擔負著培養學生精細化工知識的學習，實驗流程的設計及工藝的優化等能力的責任。精細化工工藝學中主要涉及各種精細化學品的制備流程和工藝的實驗。因為這門課程設計的精細化學品在種類多、制備流程復雜，傳統實驗教學僅僅選擇其中幾種化學品進行實驗，不能使學生全面的掌握多種化學品的制備工藝和流程。同時，實驗教學過程中需要準備大量的原材料，制備裝置，在實驗準備階段和實驗進行階段都會耗費大量的人力、物力和時間。隨著時代的發展和化工技術的進步，精細化工品的制備工藝和制備方法也在不斷的更新和發展，這無疑會引起傳統實驗教學方法跟不上新工藝方法更新速度造成的問題，實驗工藝更新也會造成舊實驗方法使用的資源的浪費。

虛擬現實技術(VR)以其特有的沉浸性、構想性、交互性的特點，已經滲入到教學、醫學、軍事、商業、影視等等領域。使用者可以隨時隨地利用交互設備，完全沉浸在自己所需的“環境中”，“真切”的在自然狀態下感知虛擬世界。使其能夠在所“置身”的環境中，體驗和感知新的知識和所需的物品，促進使用者加深對事物的理解從而產生新的構想。使用者還可以利用特定的輸入、輸出的設備(如數據頭盔、數據手套等)同虛擬環境中的對象進行交互和溝通操作。虛擬現實技術帶給我們的真實性的序列立體圖像，能方便我們對于研究和學習對象的認識和理解。

1 大學生實驗教學過程中學習和教學的現狀

傳統的實驗教學，受時間、地點等外界因素的限制，過多的依賴教材，現有儀器設備等，忽視了對學生與時俱進的教育。同時，學生很少能夠進行重復實驗和操作，課下資源匱乏，使學生對知識的掌握不夠扎實，思維受限，不利于其形象力的發揮。VR技術在精細化工實驗中的應用，為實驗教學提供了新的思路，使新實驗方法的開展成為可能。VR技術對比傳統高效的實驗課和實訓課程具有更多的優勢：首先VR技術比傳統實驗課程的成本低，以往的精細化工實驗和實訓課程必須要有配套的實驗場所和實驗儀器設備才能夠完成，精細化工實驗所需生產裝置較大，而建立實驗室和購買相關實驗儀器設備所需要的財力物力以及需要的場所都有一定難度。而相比傳統實驗，VR技術的使用，只需要隨著實驗的更新進行相應的更新和改進；其次，VR技術具有比傳統實驗更好的靈活性，對于實驗過程中的重點和難點，相對于傳統實驗中的重復試驗，虛擬現實技術可以對此進行多次演示；傳統化工實驗操作條件苛刻，如高溫高壓等，操作危險性高，VR技術的使用能夠使危險性試驗成為可能。再次，VR技術還更高效并且消耗比較低。因此，VR技術在實驗教學中的使用將會有效的營造一個跟隨技術發展的教學環境，提高學生掌握知識和技能、掌握實驗關鍵點、優化實驗教學過程并提高教學質量的目的。

2 虛擬現實技術在精細化工工藝學實驗教學的應用探索

針對《精細化工工藝學》課程加強學生對理論知識實踐的了解，以更形象第二實驗教學實例給學生講解和分析，培養學生動手實踐及創新能力，為學生畢業后更好的應用和開發出精細化學新產品奠定了必要的理論和技術基礎。推進VR教學的優勢有：(1)利用VR技術展開實驗教學，不僅能夠節約成本，同時能夠開展實際實驗室因場地、藥品、安全和儀器等原因而無法開展的實驗，拓寬了學生的實驗思路和實驗認識，實現了“把工廠搬進實驗室”。(2)VR技術在實驗中的應用，增加了實驗的靈活性，使精細化工工藝過程中的重點和難點實現了可重復觀察和實驗的特性，增加了學生對知識的掌握。具體實施方式主要從以下幾個方面進行:

(1)培養學生對虛擬現實技術和設備的掌握：與傳統實驗教學方法相比，VR技術更能拓寬實驗的種類和數量，使一些有必要但是在實驗室不好開展的實驗成為可能。將虛擬仿真軟件所體現的教育思想、所提供的工程案例、逼真工作實景資源應用到課程教學中，把理論課程中抽象的概念、復雜的問題可以直觀的展現給學生，激發了學生的積極性和對實際生產實踐的認識能動性，使學生全方位的了解實驗過程、了解工廠實際，推進“課堂-仿真-工廠”的一體化教學模式。學習了解VR技術，了解本項目實施內容在實驗教學中的應用，了解VR技術在實驗教學中的前沿技術，學習相關設備的操作方法及該方法在實驗教學中的應用。規劃精細化工工藝學實驗資源庫建設的方法，找到VR技術設備與實驗教學的結合點，通過系統培訓，完成相關教師和學生對設備操作能力和教授能力的學習。

(2)培養老師和學生在虛擬實驗學習過程中給對實驗資源庫建設能力：在虛擬現實技術學習的過程中，老師和學生們會制定出精細化工實驗工藝虛擬實驗整體設計方案，規劃出整個課程的實驗教學內容。通過初步設計后，進一步對規劃出的實驗教學內容細化設計，從功能設計、交互技術、多媒體應用等方面進行分析研究，在此基礎上設計出虛擬實驗，包括工藝流程設計、工藝裝備、進料狀態、進料量、出料狀態等精細化學品制備實驗的設計和開發。最后通過對系統進行整合和發布，完成精細化工虛擬實驗室的開發，這個過程，指導老師對學生的思路給予充分肯定和適度引導，培養了學生的創新立意能力。

(3)培養學生在建設課程資源庫和實驗課程教學過程中的實踐和應用探索能力：將精細化學品的制備工藝流程實驗進行規劃設計后，根據授課計劃進行具體資源庫的建設。該過程學生通過動手操作實踐，通過不斷用實驗設計的思路和結果提高研究思路。以乙醛氧化制醋酸的工藝流程為例，首先設計規劃出整個實驗的工藝仿真軟件，以正常的初態工況為例向學生講解工藝路線，以軟件提供的穩態數據作為物料衡算的實例，以軟件提供的動態數據作為流程和操作參數優化的實例，以軟件提供的真實工廠實景為資源彌補學生對工廠實際認識不足的問題，幫助學生理解設備與構筑物、設備與管道的關系，認識管廊、管架、設備、公用工程等外觀形貌，開展案例教學及情景教學。要求學生先在網上虛擬進入實驗室，熟悉裝置、認識流程及控制方案、在線預習、在線虛擬操作。同時，在實驗開展過程中，通過實驗情況和學生反饋情況，進一步的優化和改進整個實驗流程建設，實現資源庫和實驗教學的融合和應用。可以在現有試驗條件基礎上，建立虛擬現實實驗教學實驗室，滿足學生實驗需要。在這一過程，不僅培養了學生的實踐和應用探索能力，還提高了學生的科學思維能力，培養其嚴謹的科研態度探索精神。

3 總結

學生在虛擬現實技術的基礎上，通過開展理論學習和虛擬現實實驗操作過程，初步培養了其對理論知識的理解的能力，對所學知識在實踐中應用的的掌握進一步加深。此外，虛擬現實技術能夠調動學生實驗學習的積極性，激發學生的動手能力和探索欲，更能有效地提高學生學以致用的能力和理論聯系實際的能力。