虚拟现实技术在精细化工实验中的应用探索

曹 俊 , 宋 佳

(1.山东理工大学材料科学与工程学院，山东 淄博 255000；2.山东京博石油化工有限公司，山东 博兴 256599)

精细化工作为化工专业的专业基础课，担负着培养学生精细化工知识的学习，实验流程的设计及工艺的优化等能力的责任。精细化工工艺学中主要涉及各种精细化学品的制备流程和工艺的实验。因为这门课程设计的精细化学品在种类多、制备流程复杂，传统实验教学仅仅选择其中几种化学品进行实验，不能使学生全面的掌握多种化学品的制备工艺和流程。同时，实验教学过程中需要准备大量的原材料，制备装置，在实验准备阶段和实验进行阶段都会耗费大量的人力、物力和时间。随着时代的发展和化工技术的进步，精细化工品的制备工艺和制备方法也在不断的更新和发展，这无疑会引起传统实验教学方法跟不上新工艺方法更新速度造成的问题，实验工艺更新也会造成旧实验方法使用的资源的浪费。

虚拟现实技术(VR)以其特有的沉浸性、构想性、交互性的特点，已经渗入到教学、医学、军事、商业、影视等等领域。使用者可以随时随地利用交互设备，完全沉浸在自己所需的“环境中”，“真切”的在自然状态下感知虚拟世界。使其能够在所“置身”的环境中，体验和感知新的知识和所需的物品，促进使用者加深对事物的理解从而产生新的构想。使用者还可以利用特定的输入、输出的设备(如数据头盔、数据手套等)同虚拟环境中的对象进行交互和沟通操作。虚拟现实技术带给我们的真实性的序列立体图像，能方便我们对于研究和学习对象的认识和理解。

1 大学生实验教学过程中学习和教学的现状

传统的实验教学，受时间、地点等外界因素的限制，过多的依赖教材，现有仪器设备等，忽视了对学生与时俱进的教育。同时，学生很少能够进行重复实验和操作，课下资源匮乏，使学生对知识的掌握不够扎实，思维受限，不利于其形象力的发挥。VR技术在精细化工实验中的应用，为实验教学提供了新的思路，使新实验方法的开展成为可能。VR技术对比传统高效的实验课和实训课程具有更多的优势：首先VR技术比传统实验课程的成本低，以往的精细化工实验和实训课程必须要有配套的实验场所和实验仪器设备才能够完成，精细化工实验所需生产装置较大，而建立实验室和购买相关实验仪器设备所需要的财力物力以及需要的场所都有一定难度。而相比传统实验，VR技术的使用，只需要随着实验的更新进行相应的更新和改进；其次，VR技术具有比传统实验更好的灵活性，对于实验过程中的重点和难点，相对于传统实验中的重复试验，虚拟现实技术可以对此进行多次演示；传统化工实验操作条件苛刻，如高温高压等，操作危险性高，VR技术的使用能够使危险性试验成为可能。再次，VR技术还更高效并且消耗比较低。因此，VR技术在实验教学中的使用将会有效的营造一个跟随技术发展的教学环境，提高学生掌握知识和技能、掌握实验关键点、优化实验教学过程并提高教学质量的目的。

2 虚拟现实技术在精细化工工艺学实验教学的应用探索

针对《精细化工工艺学》课程加强学生对理论知识实践的了解，以更形象第二实验教学实例给学生讲解和分析，培养学生动手实践及创新能力，为学生毕业后更好的应用和开发出精细化学新产品奠定了必要的理论和技术基础。推进VR教学的优势有：(1)利用VR技术展开实验教学，不仅能够节约成本，同时能够开展实际实验室因场地、药品、安全和仪器等原因而无法开展的实验，拓宽了学生的实验思路和实验认识，实现了“把工厂搬进实验室”。(2)VR技术在实验中的应用，增加了实验的灵活性，使精细化工工艺过程中的重点和难点实现了可重复观察和实验的特性，增加了学生对知识的掌握。具体实施方式主要从以下几个方面进行:

(1)培养学生对虚拟现实技术和设备的掌握：与传统实验教学方法相比，VR技术更能拓宽实验的种类和数量，使一些有必要但是在实验室不好开展的实验成为可能。将虚拟仿真软件所体现的教育思想、所提供的工程案例、逼真工作实景资源应用到课程教学中，把理论课程中抽象的概念、复杂的问题可以直观的展现给学生，激发了学生的积极性和对实际生产实践的认识能动性，使学生全方位的了解实验过程、了解工厂实际，推进“课堂-仿真-工厂”的一体化教学模式。学习了解VR技术，了解本项目实施内容在实验教学中的应用，了解VR技术在实验教学中的前沿技术，学习相关设备的操作方法及该方法在实验教学中的应用。规划精细化工工艺学实验资源库建设的方法，找到VR技术设备与实验教学的结合点，通过系统培训，完成相关教师和学生对设备操作能力和教授能力的学习。

(2)培养老师和学生在虚拟实验学习过程中给对实验资源库建设能力：在虚拟现实技术学习的过程中，老师和学生们会制定出精细化工实验工艺虚拟实验整体设计方案，规划出整个课程的实验教学内容。通过初步设计后，进一步对规划出的实验教学内容细化设计，从功能设计、交互技术、多媒体应用等方面进行分析研究，在此基础上设计出虚拟实验，包括工艺流程设计、工艺装备、进料状态、进料量、出料状态等精细化学品制备实验的设计和开发。最后通过对系统进行整合和发布，完成精细化工虚拟实验室的开发，这个过程，指导老师对学生的思路给予充分肯定和适度引导，培养了学生的创新立意能力。

(3)培养学生在建设课程资源库和实验课程教学过程中的实践和应用探索能力：将精细化学品的制备工艺流程实验进行规划设计后，根据授课计划进行具体资源库的建设。该过程学生通过动手操作实践，通过不断用实验设计的思路和结果提高研究思路。以乙醛氧化制醋酸的工艺流程为例，首先设计规划出整个实验的工艺仿真软件，以正常的初态工况为例向学生讲解工艺路线，以软件提供的稳态数据作为物料衡算的实例，以软件提供的动态数据作为流程和操作参数优化的实例，以软件提供的真实工厂实景为资源弥补学生对工厂实际认识不足的问题，帮助学生理解设备与构筑物、设备与管道的关系，认识管廊、管架、设备、公用工程等外观形貌，开展案例教学及情景教学。要求学生先在网上虚拟进入实验室，熟悉装置、认识流程及控制方案、在线预习、在线虚拟操作。同时，在实验开展过程中，通过实验情况和学生反馈情况，进一步的优化和改进整个实验流程建设，实现资源库和实验教学的融合和应用。可以在现有试验条件基础上，建立虚拟现实实验教学实验室，满足学生实验需要。在这一过程，不仅培养了学生的实践和应用探索能力，还提高了学生的科学思维能力，培养其严谨的科研态度探索精神。

3 总结

学生在虚拟现实技术的基础上，通过开展理论学习和虚拟现实实验操作过程，初步培养了其对理论知识的理解的能力，对所学知识在实践中应用的的掌握进一步加深。此外，虚拟现实技术能够调动学生实验学习的积极性，激发学生的动手能力和探索欲，更能有效地提高学生学以致用的能力和理论联系实际的能力。