物理化學虛擬現實(VR)實驗的開發與教學實踐

蔡 方,司忠業,白金瑞,熊 焰,*

(1.華東理工大學 網絡教育學院,上海 200237;2.華東理工大學 創新創業教育中心, 上海 200237;3.華東理工大學 化學實驗教學中心,上海 200237)

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互作用、相互影響[1-2]，可以產生身臨其境的感受和體驗。我們結合物理化學實驗教材內容設計了爆炸極限測定虛擬現實(VR)實驗。

1 爆炸現象與爆炸極限

爆炸來的太突然，來不及躲避，來不及思考就和死神接吻，防治爆炸事故，保護人身安全，是生活中必備的常識。汽車爆炸、煤氣爆炸、天然氣爆炸、化工廠爆炸等等，我們的身邊爆炸事故的危險時常存在，但是很多人并沒有意識到，看到爆炸事故，唏噓之余，不再思考。那么我們該怎樣預防爆炸事故呢？了解了爆炸現象發生的原因以及為什么存在爆炸極限以后，就能針對不同的情況有的放矢了。

化學性爆炸中的混合物爆炸，所有可燃氣體、蒸氣及粉塵與空氣混合所形成的混合物的爆炸均屬于此類[3]。這類物質爆炸需要一定條件，可燃氣的氧化反應存在著兩個爆炸極限：高限和低限[4]。本VR實驗就圍繞可燃氣體的爆炸現象與爆炸極限測定展開。

2 虛擬現實(VR)實驗設計

本實驗由交互式VR操作實驗、全景教學視頻和2D教學視頻三部分組成。其中交互式VR操作實驗是整個實驗的核心和基礎，是使用VR開發引擎Unity3D構建了一個非常逼真的實驗室爆炸事故現場和一個可燃氣體爆炸極限測定實驗室，用戶可以使用HTC Vive等VR設備在虛擬的場景中進行沉浸式體驗并完成測定丙酮在空氣中爆炸極限的交互操作實驗。

2.1 交互式VR操作實驗

交互式VR操作實驗從一個實驗室爆炸事故現場出發，讓實驗者從一名事故現場調查員的角度探尋事故發生的根源，如圖1所示。通過沉浸式VR體驗將實驗者置身爆炸事故現場，抽絲剝繭，將各種嫌疑對象逐項排除，最終從現場殘液中找到最可能的罪魁禍首——能產生可燃性氣體的有機溶劑，并通過氣相色譜質譜聯用儀等分析手段，證實殘液中含有大量丙酮。

可燃性氣體丙酮在空氣中具有燃燒爆炸的危險，爆炸濃度極限是判斷其爆炸危險性的一個重要參數，準確地知道爆炸極限范圍對于研究爆炸性氣體十分重要。本實驗在證實爆炸是由丙酮引起之后，將場景切換到一個氣體爆炸極限測定實驗室，通過交互式VR實驗測出丙酮在空氣中的爆炸極限，推斷出爆炸發生的原因，如圖2所示。

圖1 VR模擬實驗室爆炸事故現場調查

2.2 全景教學視頻和2D教學視頻

由于交互式VR操作實驗要求有專業的VR設備配套使用，這限制了虛擬實驗的應用范圍，為此我們在交互式VR操作實驗項目中通過腳本控制虛擬全景攝像機制作了一系列全景教學視頻，并在交互式VR操作實驗的操作過程中錄制了一系列2D教學視頻。這些全景教學視頻和2D教學視頻都是圍繞實驗中涉及的知識點進行講解，可以發布到教學平臺上供更多的同學進行自學，也可以作為教學素材供教師在課堂上配合其它教學資料進行教學。

圖2 可燃性氣體爆炸極限測定VR實驗過程

3 虛擬現實(VR)實驗教學實踐

3.1 虛擬現實(VR)實驗教學組織

本項目在教學中針對不同的受眾群體，設計了不同的教學方法[5-7]：

對于有條件進行線下VR實驗的學生，VR技術能最大程度地還原爆炸過程，能建立多源信息融合、交互式的動態視景和實體行為的系統仿真，學生身臨其境，就像參與爆炸反應的分子一樣能全程感受爆炸的起因、過程與防治。

經過我校超過2000余名本科生和研究生的教學試用，教學效果良好。許多同學反映，通過實驗使他們對爆炸有了感性認識，也增加了對相關動力學知識的理性認識，而且對安全生產的重要性也有了進一步的體會，使今后的學習和工作都受益匪淺。

在虛擬現實(VR)實驗教學過程中，我們通過問卷的方式對參加VR實驗的應用化學專業170名學生進行了抽樣調查，共回收有效問卷164份，調查結果如下。

圖4為參加VR實驗的學生使用VR體驗和參加VR實驗教學次數的統計結果。有59.15%的學生是第一次體驗VR，31.71%的學生體驗過2到5次，只有不到10%的學生有過多次VR體驗；所有的學生都是第一次參加VR實驗教學。

圖3 本科學生體驗操作VR實驗

圖4 使用VR次數統計圖

圖5為參加VR實驗的學生對VR實驗教學效果滿意度和VR實驗對理解知識點的重要性統計結果。有61.59%的學生滿意度非常高，37.2%的學生滿意度高，只有1.22%的學生滿意度低；有39.63%的學生認為VR實驗教學對理解知識點的重要性非常高，54.88%的學生認為重要性高，只有5.49%的學生認為不高。

圖5 VR實驗滿意度統計圖

此外，有98.78%的學生認為VR實驗教學可以填補傳統實驗教學的空白，并且有79.27%的同學表示有興趣參與VR實驗的開發制作。

從上述調查結果可以看出，絕大部分學生都對VR技術接觸不多，而且都是初次參加VR實驗教學，絕大部分學生對VR實驗教學很滿意，并且認為VR實驗教學對實驗原理及操作等知識點的理解和掌握很重要。除此之外，VR實驗還引起了大部分學生對參與VR實驗開發制作的興趣，值得鼓勵和支持。

4 結語

虛擬現實實驗在物化實驗教學中的應用相對傳統實驗教學有不少優勢，對物化實驗教學和學生動手能力培養都有很大幫助，是一種很好的補充[8]。雖然目前還存在一些困難，但隨著學校師資隊伍的培養壯大以及虛擬現實相關交互技術的不斷發展完善，這些困難都正在得到緩解和解決。而且隨著5G時代的到來，虛擬現實與5G的結合將使VR實驗使用更方便、優秀的教學資源更容易推廣普及。飛速發展的科技令人期待，教師和學生們需要學會合理利用優質資源，有效提高教學效果和學習效率，在教學過程中不斷學習、共同成長。