虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在精細(xì)化工實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用探索

曹 俊 , 宋 佳

(1.山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東京博石油化工有限公司，山東 博興 256599)

精細(xì)化工作為化工專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，擔(dān)負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生精細(xì)化工知識的學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)及工藝的優(yōu)化等能力的責(zé)任。精細(xì)化工工藝學(xué)中主要涉及各種精細(xì)化學(xué)品的制備流程和工藝的實(shí)驗(yàn)。因?yàn)檫@門課程設(shè)計(jì)的精細(xì)化學(xué)品在種類多、制備流程復(fù)雜，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅僅選擇其中幾種化學(xué)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不能使學(xué)生全面的掌握多種化學(xué)品的制備工藝和流程。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中需要準(zhǔn)備大量的原材料，制備裝置，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行階段都會(huì)耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。隨著時(shí)代的發(fā)展和化工技術(shù)的進(jìn)步，精細(xì)化工品的制備工藝和制備方法也在不斷的更新和發(fā)展，這無疑會(huì)引起傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法跟不上新工藝方法更新速度造成的問題，實(shí)驗(yàn)工藝更新也會(huì)造成舊實(shí)驗(yàn)方法使用的資源的浪費(fèi)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)以其特有的沉浸性、構(gòu)想性、交互性的特點(diǎn)，已經(jīng)滲入到教學(xué)、醫(yī)學(xué)、軍事、商業(yè)、影視等等領(lǐng)域。使用者可以隨時(shí)隨地利用交互設(shè)備，完全沉浸在自己所需的“環(huán)境中”，“真切”的在自然狀態(tài)下感知虛擬世界。使其能夠在所“置身”的環(huán)境中，體驗(yàn)和感知新的知識和所需的物品，促進(jìn)使用者加深對事物的理解從而產(chǎn)生新的構(gòu)想。使用者還可以利用特定的輸入、輸出的設(shè)備(如數(shù)據(jù)頭盔、數(shù)據(jù)手套等)同虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互和溝通操作。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)帶給我們的真實(shí)性的序列立體圖像，能方便我們對于研究和學(xué)習(xí)對象的認(rèn)識和理解。

1 大學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)習(xí)和教學(xué)的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，受時(shí)間、地點(diǎn)等外界因素的限制，過多的依賴教材，現(xiàn)有儀器設(shè)備等，忽視了對學(xué)生與時(shí)俱進(jìn)的教育。同時(shí)，學(xué)生很少能夠進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)和操作，課下資源匱乏，使學(xué)生對知識的掌握不夠扎實(shí)，思維受限，不利于其形象力的發(fā)揮。VR技術(shù)在精細(xì)化工實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路，使新實(shí)驗(yàn)方法的開展成為可能。VR技術(shù)對比傳統(tǒng)高效的實(shí)驗(yàn)課和實(shí)訓(xùn)課程具有更多的優(yōu)勢：首先VR技術(shù)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的成本低，以往的精細(xì)化工實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)課程必須要有配套的實(shí)驗(yàn)場所和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備才能夠完成，精細(xì)化工實(shí)驗(yàn)所需生產(chǎn)裝置較大，而建立實(shí)驗(yàn)室和購買相關(guān)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備所需要的財(cái)力物力以及需要的場所都有一定難度。而相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，VR技術(shù)的使用，只需要隨著實(shí)驗(yàn)的更新進(jìn)行相應(yīng)的更新和改進(jìn)；其次，VR技術(shù)具有比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更好的靈活性，對于實(shí)驗(yàn)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的重復(fù)試驗(yàn)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對此進(jìn)行多次演示；傳統(tǒng)化工實(shí)驗(yàn)操作條件苛刻，如高溫高壓等，操作危險(xiǎn)性高，VR技術(shù)的使用能夠使危險(xiǎn)性試驗(yàn)成為可能。再次，VR技術(shù)還更高效并且消耗比較低。因此，VR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的使用將會(huì)有效的營造一個(gè)跟隨技術(shù)發(fā)展的教學(xué)環(huán)境，提高學(xué)生掌握知識和技能、掌握實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程并提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在精細(xì)化工工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用探索

針對《精細(xì)化工工藝學(xué)》課程加強(qiáng)學(xué)生對理論知識實(shí)踐的了解，以更形象第二實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例給學(xué)生講解和分析，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐及創(chuàng)新能力，為學(xué)生畢業(yè)后更好的應(yīng)用和開發(fā)出精細(xì)化學(xué)新產(chǎn)品奠定了必要的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。推進(jìn)VR教學(xué)的優(yōu)勢有：(1)利用VR技術(shù)展開實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能夠節(jié)約成本，同時(shí)能夠開展實(shí)際實(shí)驗(yàn)室因場地、藥品、安全和儀器等原因而無法開展的實(shí)驗(yàn)，拓寬了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思路和實(shí)驗(yàn)認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)了“把工廠搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”。(2)VR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，增加了實(shí)驗(yàn)的靈活性，使精細(xì)化工工藝過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)觀察和實(shí)驗(yàn)的特性，增加了學(xué)生對知識的掌握。具體實(shí)施方式主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行:

(1)培養(yǎng)學(xué)生對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和設(shè)備的掌握：與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法相比，VR技術(shù)更能拓寬實(shí)驗(yàn)的種類和數(shù)量，使一些有必要但是在實(shí)驗(yàn)室不好開展的實(shí)驗(yàn)成為可能。將虛擬仿真軟件所體現(xiàn)的教育思想、所提供的工程案例、逼真工作實(shí)景資源應(yīng)用到課程教學(xué)中，把理論課程中抽象的概念、復(fù)雜的問題可以直觀的展現(xiàn)給學(xué)生，激發(fā)了學(xué)生的積極性和對實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐的認(rèn)識能動(dòng)性，使學(xué)生全方位的了解實(shí)驗(yàn)過程、了解工廠實(shí)際，推進(jìn)“課堂-仿真-工廠”的一體化教學(xué)模式。學(xué)習(xí)了解VR技術(shù)，了解本項(xiàng)目實(shí)施內(nèi)容在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，了解VR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的前沿技術(shù)，學(xué)習(xí)相關(guān)設(shè)備的操作方法及該方法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。規(guī)劃精細(xì)化工工藝學(xué)實(shí)驗(yàn)資源庫建設(shè)的方法，找到VR技術(shù)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合點(diǎn)，通過系統(tǒng)培訓(xùn)，完成相關(guān)教師和學(xué)生對設(shè)備操作能力和教授能力的學(xué)習(xí)。

(2)培養(yǎng)老師和學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過程中給對實(shí)驗(yàn)資源庫建設(shè)能力：在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)的過程中，老師和學(xué)生們會(huì)制定出精細(xì)化工實(shí)驗(yàn)工藝虛擬實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì)方案，規(guī)劃出整個(gè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。通過初步設(shè)計(jì)后，進(jìn)一步對規(guī)劃出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容細(xì)化設(shè)計(jì)，從功能設(shè)計(jì)、交互技術(shù)、多媒體應(yīng)用等方面進(jìn)行分析研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出虛擬實(shí)驗(yàn)，包括工藝流程設(shè)計(jì)、工藝裝備、進(jìn)料狀態(tài)、進(jìn)料量、出料狀態(tài)等精細(xì)化學(xué)品制備實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。最后通過對系統(tǒng)進(jìn)行整合和發(fā)布，完成精細(xì)化工虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)，這個(gè)過程，指導(dǎo)老師對學(xué)生的思路給予充分肯定和適度引導(dǎo)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新立意能力。

(3)培養(yǎng)學(xué)生在建設(shè)課程資源庫和實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過程中的實(shí)踐和應(yīng)用探索能力：將精細(xì)化學(xué)品的制備工藝流程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)后，根據(jù)授課計(jì)劃進(jìn)行具體資源庫的建設(shè)。該過程學(xué)生通過動(dòng)手操作實(shí)踐，通過不斷用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思路和結(jié)果提高研究思路。以乙醛氧化制醋酸的工藝流程為例，首先設(shè)計(jì)規(guī)劃出整個(gè)實(shí)驗(yàn)的工藝仿真軟件，以正常的初態(tài)工況為例向?qū)W生講解工藝路線，以軟件提供的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)作為物料衡算的實(shí)例，以軟件提供的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)作為流程和操作參數(shù)優(yōu)化的實(shí)例，以軟件提供的真實(shí)工廠實(shí)景為資源彌補(bǔ)學(xué)生對工廠實(shí)際認(rèn)識不足的問題，幫助學(xué)生理解設(shè)備與構(gòu)筑物、設(shè)備與管道的關(guān)系，認(rèn)識管廊、管架、設(shè)備、公用工程等外觀形貌，開展案例教學(xué)及情景教學(xué)。要求學(xué)生先在網(wǎng)上虛擬進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，熟悉裝置、認(rèn)識流程及控制方案、在線預(yù)習(xí)、在線虛擬操作。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)開展過程中，通過實(shí)驗(yàn)情況和學(xué)生反饋情況，進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)資源庫和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合和應(yīng)用?？梢栽诂F(xiàn)有試驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，建立虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)需要。在這一過程，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐和應(yīng)用探索能力，還提高了學(xué)生的科學(xué)思維能力，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度探索精神。

3 總結(jié)

學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過開展理論學(xué)習(xí)和虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作過程，初步培養(yǎng)了其對理論知識的理解的能力，對所學(xué)知識在實(shí)踐中應(yīng)用的的掌握進(jìn)一步加深。此外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手能力和探索欲，更能有效地提高學(xué)生學(xué)以致用的能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力。