虚拟现实技术在化工专业实训课程中的应用

2021-08-02程雷相

当代化工研究 2021年14期

＊程雷相

（甘肃能源化工职业学院甘肃 730046）

1.虚拟现实技术概述

作为一项尖端科技，虚拟现实技术（Virtual Reality，简称VR）是在20世纪末兴起的综合性信息技术。虚拟现实融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多个信息技术分支，是一种由计算机生成的高技术模拟系统。目前VR技术在诸多社会领域得到了广泛应用，尤其在职业教育教学领域中，VR技术所提供的直观性、沉浸性、互动式的教学体验，对学生职业技能提升和职业素质培养有很大的帮助。VR技术的特点包括：

(1)沉浸性

沉浸性指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。利用计算机产生三维立体的图像，使用户全身心地投入到计算机创建的三维虚拟环境中，该环境中的一切，看上去是真的，听上去是真的，动起来是真的，就像在真实的客观世界中一样，能给人一种身临其境的感觉。

(2)多感知性

目前主流VR头盔可以实现视觉、听觉等多种形式的感知输出，目前也有先进的智能硬件通过力反馈等技术实现触觉的感知输出。

(3)交互性

学员能以接近自然的行为习惯，用常规的输入输出设备例如键盘鼠标，对虚拟环境中的物体或场景进行操作和得到反馈。例如，用户可以用手去直接抓取模拟环境中虚拟的物体，视野中被抓的物体也能立刻随着手的移动而移动。

(4)构想性

强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境，提高感性和理性的认识，从而使用户深化概念和萌发新的联想，提升创造性思维。

VR最大的特点就是“身临其境”，这和教育原理中的“情景构建”理论不谋而合，因此将VR应用到教育领域也成为一个较为热门的研究方向。

2.化工专业实训现状

(1)实训场地有限、实训设施不完善

很多院校因办学场地或办学资金受限等问题，建设的实训车间偏少，购买的实训设备不足。众所周知，化工专业类实训对场地和实施要求比较高。实训场地要具有一定的规模，以我院化工单元实训车间为例。我院开设的化工单元实训课程有精馏、吸收、干燥、流体输送、蒸发、传热、萃取，每一门课程有四套实训装置，每套装置占地需20m2（视不同装置而略有差别），还要考虑学院行走及操作的空间，四套实训装置占地至少100m2，高度需6m，这仅仅是一门课程需要的场地规模。那么化工单元实训车间至少需要高度为6m，面积为1000m2的实训场地才能满足教学要求。实训设备要有一定的数量，以化工安全应急演练装置为例，在装置上实训时，我们将参加实训的学生分配为班长、内操、外操、安全员等四种角色，也就是说一套装置运行时只需四名学生，运行周期为两个小时。这种情况下，一个班40名学生要在一天之内（6个学时）都能在装置上训练一次，至少需要3套装置。一般院校因资金受限，往往达不到化工实训对场地和设备的要求。

表1 我院开设的部分化工专业实训课程对场地和设备的要求

然而实际情况是很多院校的实训场地规模和设备数量并不能满足正常的教学要求。场地规模小，设备数量不足，加之，化工企业对化工人才的需求量大，很多院校的化工专业在招生规模上逐年扩大，实训问题日益突出，实训课程很难正常开展，许多学生在实训过程中只能扮演“旁观者”的角色，实训效果一般，达不到动手操作、锻炼技能的目的，更不能有效提升岗位生产能力。

(2)实训课程开设不合理，可操作性不高

理实一体化教学是目前职业院校教学改革的趋势之一，化工专业是一门实践性很强的专业，开设每一门专业课程应有相对应的实训环节。然而受限于设备数量和精度的限制，很多院校化工专业开设的课程并没有相应的实训环节，实训课程开设不合理。另外，很多院校开设的化工专业实训课程在内容上也存在一定的问题，课程内容仍以理论为主，设备可操作性不高，购置的设备甚至只是仿真设备。在这种情况下，指导教师只能讲授理论知识，学生学习也仅仅停留在“眼看”层面上，不能上手操作。实训课程也逐渐的演变成了在实训车间进行的理论课程。

(3)安全问题

许多院校开设的化工实训课程往往是从企业生产中提炼出来的，而化工生产具有高温高压、易燃易爆，有毒有害的特点，这些特点往往也存在于化工实训课程中。加之，实训装置结构复杂，操作精密，指导教师经验不足，学生安全意识淡薄，都为化工专业实训带来安全隐患。不要说泄露着火甚至爆炸事故来的伤害，甚至学生磕磕碰碰的事故也会为学院带来诸多麻烦。因此，许多院校在开设化工专业实训时慎之又慎，在“学生安全第一”的高压态势下，宁可不让学生动手操作，也不能出现安全事故，很多实训课程无法正常开展。

3.虚拟现实技术应用于化工实训教学中的优势

虚拟现实技术的引入可以解决化工专业实训过程中存在的许多问题。我院近两年开始在化工实训过程中引入虚拟现实技术，建设了现代化工VR实训室，开设了化工企业认识VR实训、甲醇化工企业流程学习VR实训、化工企业典型事故（泄露、着火、爆炸等）应急处理VR实训。笔者作为指导教师，在实训过程中，不断的分析和探讨虚拟现实技术在实训过程中发挥的作用以及相比于传统实训教学的优势，总结如下：

(1)突破场地限制，降低设备成本

化工专业实训课程对实训场地和实训设备要求较高，这主要由专业的特殊性决定的。想要让学生在实训中锻炼岗位能力，体验真实的企业生产过程，就必须合理利用场地和设备资源，而一般学院资金有限，场地的规模和设备的质量达不到教学要求。有的学院甚至将学生派到其他实训资源较丰富的学校去实训或者租用、借用设施设备开展实训教学，这种情况下，实训教学的效果势必将大打折扣。而虚拟现实技术能很好的解决了这种问题，虚拟现实技术能创造真实的生产场所，模拟真实的生产过程。学生利用虚拟现实系统进行实训，有身临其境般的感受，在逼真的工作环境下工作，有较好的学习效果。而学院的实训教学工作的开展也不再受场地和设备的限制，顺利的完成化工专业实训教学工作。

(2)创新实训内容，提高实训效果

利用虚拟现实技术，可开发更多的与企业生产实践相关的实训课程，不再受时间和空间的限制。从真实的生产过程中提炼出典型的工作内容，结合学院开设的理论教学课程，可开发一些贴近真实工作状态又能和学院理论教学紧密贴合的实训课程。学生在虚拟现实系统里面学习，真正体验工厂实际的生产过程，有效的提高其岗位生产能力，这是化工专业教学的目的。

(3)消除安全隐患，让实训顺利开展

学生在虚拟现实系统里面实训，提高实训效果的同时又没有任何安全隐患。例如，化工安全技术课程实训里含有泄露、火灾、中毒的应急处理内容。学生经验不足，处理事故想法简单，如果在真实的装置中进行这些实训课程，安全问题必然是重中之重的问题。而利用虚拟现实技术，可以创造着火场景，模拟事故现场，让学生在没有任何安全隐患的环境下进行应急演练，提高技能的同时消除安全隐患。

4.虚拟现实技术在化工实训教学中的应用-以《甲醇车间泄露着火事故应急处理》实训课程为例

(1)虚拟现实系统简介

①硬件部分

硬件部分包括虚拟现实头显示设备和虚拟现实手柄组成。虚拟现实头显示设备内置有数个传感器、两个无线控制器，并具备手势追踪功能。而且内置的跟踪系统会向用户所在屋内发射数道射线，并感知到墙壁的存在位置，因此学生可以在佩戴这一头盔的时候在实训室内随意走动。虚拟现实手柄的功能包括在场景中移动、物品使用、物品拾取、综合运用等功能（见图1）。