中職院校化工教學中虛擬現實技術的構建思考

栗 莉

（沈陽市化工學校 遼寧沈陽 110122）

引言

中職院校的職業培養必須要打破傳統的課堂約束，并將工作流程、學習過程以及學生的基本素養與能力全部聯系在一起，期間務必強調教育過程的開放性與實踐性。但現如今的化工企業生產過程中所使用的設備也越來越智能化、連續化、規模化，而且化工企業中所含的原料、產品都為易燃、易爆且帶有毒性與腐蝕性的物料，如果帶著大批學生進企業實際實習或開展實踐性課程其困難與風險不敢想象，因此虛擬現實加護在中職院校化工教學中有著重要的意義。中職教育主要以市場為導向，面向社會、面向市場來辦學，中職教育的最終培養人才目標就是培養出“建設、生產、服務以及管理”的技術應用型創新人才，其主要創新是在生產建設中的創新以及產業服務的創新以及生產一線管理工作中的創新。為此，中職院校在培養學生期間應從中創新，不再受傳統課堂系統化的局限，將學生的能力、個性化發展與學習與工作過程中聯系起來，簡而言之就是注重教學期間的開放性、職業性以及實踐性。

一、虛擬現實的研究現狀

虛擬現實技術起初于19世紀90年代，主要適用于計算機圖像技術與新綜合信息技術，可實現各種各樣的傳感器設備之間的交互與高分辨率現實，使其形成一個真實的三維虛擬環境，可直接與傳感器以及可視化設備進行交互聯動，圖像和聲音的效果可直接映入到使用者的眼簾，使用者可真實感受到其中的環境，只有這樣使用者才能真正融進這個特殊的環境當中，去了解與控制虛擬世界的東西，以此來獲取最為真實的感受與體驗[1-2]。

近些年隨著我國科學技術的飛速發展，虛擬現實技術的重要性也日益凸顯。19世紀90年代，我國正式將虛擬現實技術列為未來863重大計劃當中。由于目前虛擬現實技術在我國發展過程階段取得了很大的進步，一些取得成果的關鍵研究也已逐漸進入國際市場。虛擬現實技術在中職院校化工教學中的應用又是教育的一次重大改革。此技術的應用肯定能為學生創造一個良好的校園環境，并打破傳統教學的局限，代替傳統教學模式的是一種符合現代化發展的全新教學模式，學生可利用自己之間的交互信息來掌握其專業的技能與知識。當下，已經有眾多中職院校都在積極開發虛擬現實技術并合理的應用，已建立起一大批虛擬現實課程，已最快的速度將信息技術轉化為實用技術。

二、虛擬現實技術與特點

虛擬現實技術真正地在我國應用是在20世紀末，它主要通過目前最為先進的電腦交互技術中心的繪圖板塊，并利用高分辨率的屏幕顯示與傳感器技術，來構建出最最貼切于現實的虛擬環境，其主要構成就是利用傳感器以及可視化裝備來講信息、影視、圖像與聲音以更直接的方式投送到使用者的眼簾，讓使用者感受到真實的觸摸、視覺以及聽覺。使其滲透至特殊的自然環境當中，以此為基礎去了解虛擬世界中的事物，從而達到一種身臨其鏡的感覺。虛擬現實技術的特征可劃分為三種不同的姿態，分別為互動、沉浸式以及建設性。互動會以虛擬現實技術為基礎，將虛擬環境中的圖像、聲音、觸感以及心率等通過人機結構來直接連接使用者的感官，并利用感官來檢測使用者的反應與動作，并由此在經過不斷調整最終形成個圖像序列。使用者可以直接對虛擬環境中的來進行管理操作，且在操作前自身了解行為產生的影響[3]。沉浸式指的是利用虛擬現實技術來為使用者提供可以沉浸其中得環境。在與機器交互的過程中，使用者可感覺到自己處于虛擬環境當中，在虛擬環境當中可跟實際現實當中一樣左顧右盼，而并不是單純的作為旁觀者在外界向內顧盼。這樣做可以更加清晰的了解計算機研究的內涵，將抽象的數據信號專為更為真實的感知，以此來獲取更加深刻的認識。建設性指的是通過虛擬現實，給使用者提供激發想象。在很早之前，人們通常利用定性運算來從中獲取靈感，如今人們卻可以在定量與定性的綜合整體環境當中獲取最為真實的感情認知，以此來激發新意，提升學習效果[4]。

三、虛擬現實的實現技術

1.VRML技術

虛擬現實建模語言主要以萬維網為基礎來進行發展的。虛擬現實建模語言技術所包含的互動性十分出色，這也是為什么選擇網絡展示來跟三維交互世界信息傳遞的主要原因。如此看來，與虛擬現實功能所相關的全部邏輯都會被放置VRML文件中，而使用者中也可以利用瀏覽器來同時實現多種虛擬現實功能功能。此外，瀏覽器中所包含的絕大部分功能都是使用本地平臺，因此VRML平臺也含有巨大的交互性、獨立性等各種有點，也正因為此，它可以獨立實現對虛擬環境的創作[5-6]。

2.Java3D技術

以Java2為基礎慢慢發展處Java3D技術，Java2語言其特性十分講解，語言系統也因此含有了面向對象設計的板塊，3d網絡系統設計得以實現，并且具備更為出色的應用編程接口來支持對3d場景進行控制、描繪。此技術在使用起來不僅操作簡單，而且所產生的形體可以重復，還可基于映射。色彩等單調，還可轉換為三維動畫、變形等類型的形體[7]。

3.QTVR技術

QuickTime Virtual Reality簡稱為QTVR，它首創于美國蘋果公司，是旗下Quicktime技術的優化升級版本，是全新一代虛擬現實技術。它實現虛擬環境完全不依靠硬件設備以及附屬設備，在最為普通的計算機端就可以體驗虛擬現實。此技術主要利用圖像采集以及QTVR技術，將靜止的圖像組合至動態文件，塑造出三維空間以及三維物體所含的造型。在利用鼠標來回操縱就可以實現對造型的全方位觀察。

四、虛擬現實技術在化工教學中的應用以及重要意義

1.虛擬現實技術在化工教學中的應用

如今的虛擬現實技術在中職教學領域中的應用越來越廣泛，虛擬現實技術是一種符合現代化發展的全新教學方式，在化工工藝以及化工機械專業課程中起到了十分關鍵的作用。它不但可以使學生體會到身臨其境的感覺，其教學效果也是傳統教學方式難以相比的，如化學實驗以及大型設備內部構造等。學生還可以利用虛擬現實技術來自行觀察，因此其教學效果十分突出，中職院校化學教學過程中虛擬環境的構造主要分為兩部分，虛擬裝置與虛擬設備。虛擬設備主要針對設備的結構、形狀以及功能的詳細教學，而虛擬裝置主要針對復雜的芎生產過程中的教學[8-9]。本篇文章主要針對第一層次的模型建立來進行詳細分析。虛擬設備在建立VRML模型期間，所使用的頂點以及面積偏少，因此建立時也比較簡單，具體建立流程如圖1所示。首先利用autoCAD來建立化工設備的三維模型，后利用3DMAX來給三維模型加上題圖以及光照效果，最后利用3DMAX的VPML輸出功能來傳輸VRML文件并上傳至Internet網上。此外，學生可利用已經安裝VRML插件的瀏覽器來對化工所用的大型設備進行詳細觀察。

2.虛擬現實技術對化工教學的積極意義

（1）可為學生提供探索性學習環境

現在的虛擬現實技術是一種體系非常完善且涉及范圍非常廣泛的技術，在此技術的應用當中，使用者可以體會到身臨其境的感覺，并沉浸其中并脫離現實，自由且逼真的與虛擬中的環境進行交互。而且此技術的還可讓虛擬化工設備以及顯示設備在計算機屏幕顯示上更加直觀，可以直接觀察整體仔細的制作過程。此外，大學生在進行操作的過程也可自主的使用鼠標來對虛擬現實設備來進行自由翻轉來進行詳細觀察，不僅可以使學生觀察到現實設備的外部結構，而且還可以走入內部清楚直觀的去了解虛擬現實物體的內部情況，此方式的實現是傳統教學方式無法實現的，同時打破了傳統現場訓練的時間局限。此方式在課堂教學過程中，可以讓學生來按照所觀到的現實情況，以此來開展現實與理論的交互學習，從而使知識點掌握得更加精準，也可以最大限度地調動學生的主觀性，使學生對學習的激情得到大幅度的提升，其教學效果指定十分優異[10]。

（2）可提供一種立體化教學手段

傳統化工專業在教學過程中在講述化工設備以及化工產品的構成時，大多數只依靠課本材料中的個圖片以及漢字來進行論述，并無法真實地看到大學化工設備的工作內部以及化學品的組成結構以及每個物質之間的關系，因此教學效果并不理想。而虛擬現實技術則可以將化工實際所使用的設備以及化學產品的結構以非常直觀且真實的形態來展現至學生的眼前，把一個無法用圖像描述和文字利用此構建出一個立體的三維空間，以非常清晰的形象展現在學生的眼簾，從而使課堂的有效性大大提升[11]。

（3）提供逼真操作環境

在此技術的幫襯下，使用者不但實時監測虛擬裝置的內部構造以及外部足夠，還可以精準的觀測到化工設備以及化工產品構成時產生的氣溫、氣壓以及構造等專業技術參數，并可通過虛擬裝置來對虛擬設備的參數不斷調整，其運行結果可清楚掌握。

（4）安全可靠

在計算機屏幕中進行化工設備生產化工產品的虛擬化作業，不但可以避開生產過程中的各種危險，而且還可以精準模仿生產環境的各種不同參數，既保證了學生可以身臨其境的體驗，而且安全性以及可靠性都有保障[12]。

（5）教育成本得到節省

虛擬裝置所構建的虛擬環境不管是在結構、造型、形態以及色彩上都與實際所使用的裝備都非常相似，預期花費大量成本來建造真實設備。不如構建虛擬裝置，而在在虛席環境下，可以有效減少實驗裝置的損害以及材料成本等，且在實操過程中完全不需要擔心設備出現故障、氣候等各種問題的出現，因此教育成本也得到了有效減少。

結語

虛擬現實技術可以讓學生們清楚的了解現實化工成品所使用的制造設備、廠房布局以及管路設計等，并將抽象的理論知識以更加生動的方式傳遞至學生，從而使課堂氣氛變得更加活躍，教學效果也得到了大幅度提升，教育流程得到優化、教學質量得到了提升。總而言之，虛擬現實技術在中職院校化學教學中營造了突破地區以及時間束縛的開放性交學環境，對未來化工專業教學的改革起到了關鍵作用，為教育行業中的化學課程開展帶來了前所未有的提升。