AR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)課堂的應(yīng)用研究
——以化工原理實(shí)驗(yàn)為例

陶亞輝 馮玉如

(太原科技大學(xué) 晉城校區(qū)，山西 晉城 048000)

專業(yè)實(shí)驗(yàn)室是工程類專業(yè)實(shí)踐課程體系下的重要組成，其中化工原理實(shí)驗(yàn)室作為化工口各專業(yè)培養(yǎng)工程實(shí)踐能力的重要場(chǎng)所，是整個(gè)實(shí)踐課程體系非常重要的一環(huán)?；ぴ韺?shí)驗(yàn)通過三傳一反等各方面實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，使學(xué)生掌握工程典型單元的處理、硏究方法及操作技能。但化工原理實(shí)驗(yàn)理論抽象、設(shè)備復(fù)雜，學(xué)生接受難度大，將AR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，化抽象為具體感官，為復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的開展提供新方式。

1 AR技術(shù)簡(jiǎn)介

AR是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)[1]。換言之，AR就是將虛擬信息運(yùn)用于真實(shí)世界，讓人和虛擬信息進(jìn)行互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境與虛擬信息相互銜接。

資料表明[2]：國(guó)內(nèi)AR教育的研究大多數(shù)集中在AR的簡(jiǎn)單概念介紹和普通應(yīng)用，并且應(yīng)用水平低。相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)大多以中小學(xué)學(xué)科為普通應(yīng)用進(jìn)行課堂觀察，呈現(xiàn)出“大材小用”現(xiàn)象，在高等教育方面的應(yīng)用仍有待挖掘。而AR技術(shù)作為當(dāng)前教育領(lǐng)域中的熱門技術(shù)，理應(yīng)服務(wù)于教育中難以解決或不易解決的問題，應(yīng)用到最恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)領(lǐng)域。

2 化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

化工原理實(shí)驗(yàn)以化工單元操作為中心，實(shí)驗(yàn)過程中大量采用具工程或具中間實(shí)驗(yàn)規(guī)模的裝置和設(shè)備，基本上脫離玻璃儀器，所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大都是化工生產(chǎn)和科研中常會(huì)遇到或解決的實(shí)際問題。實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)論對(duì)于化工設(shè)備的設(shè)計(jì)具有極為重要的指導(dǎo)意義。

2.1 實(shí)驗(yàn)課堂存在的問題

各大工科院校在培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)理論知識(shí)體系的同時(shí)都非常注重實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的實(shí)踐培養(yǎng)，其中定位為應(yīng)用型本科的院校尤其重視。然而在實(shí)際教學(xué)中，理論課程在前，實(shí)驗(yàn)操作在后，分別獨(dú)立進(jìn)行，時(shí)間節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)了延遲和脫節(jié)，一體化教學(xué)模式一定程度上虛有其表。同時(shí)，每學(xué)期開設(shè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)略微不足，難達(dá)到本科培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才的要求。

2.2 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書略顯單薄

國(guó)家教育部門提出的“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的培養(yǎng)目標(biāo)既要求厚實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)體系，又要求奇強(qiáng)的工作技能[3]。但書本知識(shí)范疇略顯單一，有違“寬口徑”定位，在讀期間無法讓學(xué)生靈活應(yīng)用，如學(xué)生在參加化工專業(yè)中熱門的化工設(shè)計(jì)大賽和化工實(shí)驗(yàn)大賽(此類競(jìng)賽不僅是全國(guó)性的專業(yè)技能大賽，同時(shí)也是《化工原理》課程最好的衍生物)時(shí)，知識(shí)寬度明顯不夠。新時(shí)代教材在編寫時(shí)，應(yīng)注意與其他學(xué)科領(lǐng)域的交叉與共鳴，從而培養(yǎng)一批更加全能的專技型人才。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳

化工原理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)時(shí)應(yīng)復(fù)合實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，注重理論聯(lián)系實(shí)踐，以及與工程、工藝流程的結(jié)合。然而新校區(qū)現(xiàn)有的化工類實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備層次不齊且數(shù)量有限，精密大型儀器更是只能由學(xué)歷較高的研究生去操作。各種實(shí)驗(yàn)，只在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)安排進(jìn)行，其他時(shí)間出于人身安全及管理考慮，學(xué)生并不被允許去參觀、接觸儀器設(shè)備。而課內(nèi)實(shí)操時(shí)間有限，每個(gè)班級(jí)只能分組操作，每臺(tái)設(shè)備前擁擠嘈雜，很多學(xué)生往往接觸不到設(shè)備，只能走馬觀花式的了解儀器的外觀形態(tài)，久而久之，大多數(shù)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課堂失去興趣，逐步形成了學(xué)生只是到場(chǎng)卻并不真正參與的局面。這樣的教學(xué)結(jié)果與學(xué)校通過強(qiáng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)及工程設(shè)計(jì)，建立從理論到實(shí)踐再到創(chuàng)新的人才培養(yǎng)模式相去甚遠(yuǎn)。同時(shí)，學(xué)生使用的實(shí)驗(yàn)課本并沒有真正做到結(jié)合實(shí)際，其中部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容出現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)備不相匹配或匹配度不高的現(xiàn)象，另有部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作講解未出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教材中，這一結(jié)果直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教材無法發(fā)揮其應(yīng)有的作用。因此，教材的更新與編撰迫在眉睫。

3 AR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

化工原理實(shí)驗(yàn)意在讓學(xué)生掌握化學(xué)工程設(shè)計(jì)的基本原則及流程組織等規(guī)則，強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生分析解決實(shí)際問題的能力以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)創(chuàng)新態(tài)度，同時(shí)注重學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。實(shí)際中，由于化工實(shí)驗(yàn)設(shè)備大多數(shù)涉及溫度、壓力、閥門、管路、泵等的調(diào)節(jié)，學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前必須先進(jìn)行理論學(xué)習(xí)和安全教育，有把握后才能開始實(shí)際操作。但課時(shí)的限制導(dǎo)致學(xué)生并沒有足夠的時(shí)間去熟悉儀器，教師為了操作安全及節(jié)約時(shí)間，一般都會(huì)將實(shí)驗(yàn)步驟直接告訴學(xué)生，因此學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，并不真正了解要操作的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，只是盲目的跟從。

將AR技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如開設(shè)恒壓過濾實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可通過手機(jī)提前掃描識(shí)別所要操作的儀器設(shè)備，快速獲悉該型號(hào)設(shè)備的結(jié)構(gòu)詳情、操作步驟，如懸浮液配置、壓力設(shè)定、板框?yàn)V餅拆卸、濾布清洗、濾液量及時(shí)間測(cè)定等內(nèi)容。再如，離心泵的性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)，離心泵的使用需注意的細(xì)節(jié)很多，如：出口閥不關(guān)閉，很容易出現(xiàn)高速甩出的液體重新回落泵中沖擊葉輪；吸入管路底端若不安裝單向截止閥，又會(huì)導(dǎo)致氣縛現(xiàn)象，無法灌泵等等，出于經(jīng)濟(jì)、安全等因素考慮，學(xué)生要時(shí)刻牢記先關(guān)閉出口管路閥門再開泵等細(xì)節(jié)操作步驟。此外，化工設(shè)備各類溫度、功率按鈕等不歸位，都會(huì)對(duì)儀器運(yùn)行產(chǎn)生不可估量的隱患，極大威脅人員安全和設(shè)備本身。而這些細(xì)枝末節(jié)的注意事項(xiàng)單靠課堂是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。AR在實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用，使學(xué)生可以隨時(shí)隨地，重復(fù)去查看每臺(tái)設(shè)備的使用流程、注意事項(xiàng)。學(xué)生只需通過“掃一掃”這樣一個(gè)簡(jiǎn)單操作步驟即可身臨其境的去感知相關(guān)儀器設(shè)備。

實(shí)驗(yàn)與AR技術(shù)的結(jié)合為每位進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生提供了一種全自主、無限制熟悉掌握每一步實(shí)驗(yàn)步驟的途徑，在學(xué)生單獨(dú)完成實(shí)驗(yàn)的同時(shí)規(guī)避諸如離心泵出口閥門不提前關(guān)閉、加熱調(diào)節(jié)按鈕不歸位、氣瓶總閥不關(guān)閉等各種不正當(dāng)操作失誤帶來的安全隱患。而學(xué)生只有對(duì)實(shí)驗(yàn)非常熟練的情況下，才有可能學(xué)以致用、熟能生巧。將AR技術(shù)通過智能手機(jī)在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，這種新穎的實(shí)驗(yàn)開展模式，有效的激發(fā)調(diào)動(dòng)了學(xué)生濃厚的探索意識(shí)和主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

4 結(jié)語

本文將AR與化工原理實(shí)驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行初步探索，挖掘AR技術(shù)在我國(guó)高校實(shí)驗(yàn)課堂中的潛在優(yōu)勢(shì)與發(fā)展形式，為下一步校區(qū)全面推進(jìn)各工程學(xué)科課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革提供部分理論支持。整個(gè)研究過程另有幾點(diǎn)體會(huì)如下，僅供參考。

(1) 化工原理實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)難度高，建立AR電子視頻資源庫(kù)，前期對(duì)理論、實(shí)驗(yàn)的整理工作量大，耗時(shí)較長(zhǎng)，但卻是“一勞永逸”，想將該AR技術(shù)推廣至各專業(yè)，需廣大老師鼎力合作。

(2) AR技術(shù)只是實(shí)驗(yàn)課程開展的輔助手段，并不能取代實(shí)際實(shí)驗(yàn)室，實(shí)際中應(yīng)雙管齊下，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的定位應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步明確。

(3) AR技術(shù)與化工原理的結(jié)合屬于典型的學(xué)科交叉，需各專業(yè)間通力協(xié)作。但同時(shí)也暴露了當(dāng)前人才培養(yǎng)的弊端，各專業(yè)培養(yǎng)有深度沒寬度，老工科向新工科的改革可以此為方向進(jìn)行探索。