AR技術在《化工原理》教學中的可行性探索

陶亞輝，馮玉如

(太原科技大學晉城校區，山西 晉城 048000)

《化工原理》課程是化工類及相近專業的一門主要技術基礎課，它是綜合運用數學、物理和化學等專業知識，分析和解決化工類型生產中各單元操作問題的工程學科[1]。該課程擔負著由理論到工程、由基礎到專業的橋梁作用，對化工類及相近專業學生的業務素質、工程能力和創新能力的培養起著至關重要的作用。同時，課程開設的目的是使學生獲得常見化工單元操作過程及設備的基礎知識、基本理論和基本計算能力，并受到必要的基本操作技能訓練。為學生學習后續專業課程和將來從事工程技術工作，實施常規工藝、常規管理和常規業務打好基礎。

為提高《化工原理》教學質量，完成培養目標，本文希望發揮現代科技優勢，將AR技術應用于專業基礎課程中，改善傳統教學現狀。

1 AR技術簡介

增強現實(AR)，也被稱之為混合現實，是一種實時地計算攝影機影像位置及角度并加上相應圖像、視頻、3D模型的技術[2]。這種技術的目標是通過屏幕把虛擬世界套入現實世界并進行互動。換言之，就是將虛擬的信息應用到真實世界，真實環境和虛擬物體同時存在。增強現實提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。它不僅展示了真實世界的信息，而且將虛擬信息同時體現，兩種信息相互補充、疊加[3]。

研究表明[4]AR技術可以改善教學，主要體現在能夠改變學習者獲取知識的表征方式以及交互方式等方面。現有的教學模式大多是教與學產生的聽覺上的交流互動，而引用AR技術于教學，將會給人一種視覺感官上的交互體驗。尤其是在專業課堂的學習中，利用AR技術的優勢，有助于學生在學習核心理論時更加快速有效[5]。使每個學生隨時隨地學習諸如單元操作、設備結構、立體三維模型等難以理解的知識，有效提升教學效率。

2 《化工原理》課程教學現狀

為滿足新世紀能源化工技術密集、資本密集、人才密集三位一體的發展需求[6]，現代化工專業亟需培養一批技能型、應用型、適應性強的化工人才。作為山西省高等教育綜合改革試點之一，新校區非常重視化工類專業的創新發展。但校區剛剛成立建設，資深專業人才儲備不足，培養方案及大綱制定多數需依靠老校區協助，因此難免受原有培養模式不同程度的影響。

2.1 授課學時分配不合理

受上世紀末國家培養跨世紀“A”型人才辦學理念的引導[7]，各專業課程在課堂上的教學課時量逐步減少，同時在培養方案中逐步增設實驗、實踐環節，旨在培養學生處理工程問題的綜合能力，培養學生嚴謹的科學研究態度、良好的實驗素養及獨立解決問題、數據處理和實驗設計能力，不斷提升學生創新思維、創新能力。但《化工原理》課程注重系統性和邏輯性，課堂教學內容適宜刪減的并不多，課時量的壓縮事實上直接導致了每堂課內容的增加，無形中加大了學生的學習壓力。緊促的教學模式，不僅讓學生和教師都疲于應對，更使學生不能全面系統的理解教材中的各類知識，只是粗淺表面的聽、記。學生要想學好這門專業基礎課程，就必須在課后耗費更多的時間去研究課本，鞏固課堂內容，甚至還要通過其他方式來消化專業性較強的版塊，學習效率低下，學生茫然無措。

2.2 課程教材亟待結合實際

現行的《化工原理》用書是“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材，該書考慮到了學科的最新進展和課程教學的資源化需求，自問世以來，受到業界和讀者的熱情支持和認可，總體反映良好[8]。但其關于操作、結構等內容的展現方式已不能滿足二十一世紀現代化教育的需求。例如換熱器、吸收塔等各類典型設備的結構講解雖配有示意圖，但卻不夠直觀清晰，學生知識空洞，在接觸不到實物的情況下，很難短時間內想象構造出一空間立體結構；離心泵的氣蝕現象與氣縛現象又是如何產生，如何正確區分兩者，書本中雖羅列了其含義、概念，但是卻有大多數人是沒有真正了解其本質，無法做到理論與實物相結合。

3 《化工原理》課程與AR技術的結合

AR作為新型的人機接口和仿真工具，顯示出了巨大的發展潛力。隨著大數據時代的到來以及智能手機的普及，為這一技術的應用奠定了基礎。將手機作為一種新的媒介應用于教學中，未嘗不是一種新的的嘗試與改革。

《化工原理》作為一門核心的工程學科，它要解決的不單是過程的基本規律，而且面臨著真實、復雜的生產問題。實際問題的復雜性不完全在于過程本身，還在于化工設備復雜的幾何形狀和千變萬化的物性。學生在課堂上通過教師板書或PPT所述接收書本上的理論知識時，并不能立刻將其吸收消化，很多時候都是處于一知半解的狀態，這不僅需要教師多次講解來深刻理解，還要求學生課后花費更多的時間去鉆研這些理論。

若以AR技術作為載體支持，通過智能設備，可以在講解的過程中或課后復習出現困惑時，掃描設備照片便可立即獲取到該部分單元操作、結構的虛擬3D立體圖，同時匹配文字詳解和視頻剖析，以此方式，使得書本內容迅速可視化，從而實現質的飛躍。例如，在講解《化工原理》中精餾塔的結構時，課本關于塔身以剖面圖呈現，很多學生不能立刻空間想象出塔體的內部結構、進料板的位置、各理論板的排布方式等情況，對老師的講解存在很多疑慮。又如，在學習完氣體吸收和蒸餾這兩章節之后，如何區分填料塔和板式塔，幾種散裝填料如拉西環、鮑爾環、階梯環、共軛環、海爾環、納特環是怎樣的結構特點，弧鞍、矩鞍、環矩鞍之間的聯系與區別，塔板的結構、塔板的溢流類型、塔板上氣液兩相接觸的狀態等知識，以及塔板上漏液、液泛、霧沫夾帶等異常操作現象的出現，是否又能立馬辨識與掌握？如果將AR技術應用其中，學生在學習過程中即可迅速通過移動客戶端，帶入虛擬場景，親臨現場學習，這樣的學習方式不僅有助于學生深入理解，同時也能顯著提高學生的學習效率。

4 結語

AR是充分發揮創造力的科學技術，為人類智能擴展提供了強有力的手段，對生產方式和社會生活產生了深遠影響。將AR技術應用于教育領域，與專業課程相結合，摒棄傳統教學的不足，必將形成一種全新的教學模式，為教育教學改革提供新思路、新嘗試，真正將課堂教學用靈用活，使學生做到基礎扎實、素質過硬，為高校培養應用型人才之目標添磚加瓦。