虛擬仿真在化工類實驗課程中的探究

李傳 崔敏 唐艷凌 張淑霞 杜峰 羅輝 鄧文安

【基金項目】教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（202101033004）;中國石油大學（華東）教學研究與改革項目（SJ-202009）

【摘要】虛擬仿真結(jié)合了虛擬現(xiàn)實和仿真技術，能夠模擬出復雜的現(xiàn)實環(huán)境，經(jīng)常應用于各類研究模型以及大型實驗操作系統(tǒng)。促進虛擬仿真技術與化工類實驗課程的教學融合，有利于改善和解決化工類實驗課課程實踐的各項局限性。比如，缺乏專業(yè)設備、教學場地小、資金投入少等等。因此，本文從虛擬仿真技術的基本介紹、虛擬仿真技術在化工類實驗課程應用以及教學場地實踐等方面，探討了虛擬仿真技術應用于課程實踐的具體實施思路。

【關鍵詞】虛擬仿真技術;實驗課程;課程實踐

引言：化工類實驗課程中在化工專業(yè)中占據(jù)著非常重要的地位，實驗教學不僅可以驗證已有結(jié)論，還可以讓學生更好的理解專業(yè)知識。目前各高?；I(yè)都非常重視實驗課程的教學實踐，但開展實驗教學必須要依托專業(yè)性的場地和設備，也就意味著需要投入大量的資金，而許多高校并不具備這一前提條件，因此，推行可以模擬復雜現(xiàn)實環(huán)境的虛擬仿真技術就勢在必行。

一、虛擬仿真技術的基本介紹

1.概念

虛擬仿真技術，也可以被稱為模擬技術。它時一個系統(tǒng)對另一個系統(tǒng)的模擬，本質(zhì)是計算機系統(tǒng)。通過這個系統(tǒng)，可以創(chuàng)建出一個虛擬世界，這個世界可以是現(xiàn)在的現(xiàn)實，也可以是想象出來的現(xiàn)實，還可以是根本不存在的現(xiàn)實;另外，用戶可以通過這個系統(tǒng)進行五感的交互，達到真實的情感體驗，并借助頭盔、手套等等為用戶創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。

2.特性

沉浸性：用戶可通過虛擬仿真系統(tǒng)得到真實的感知反饋，充分調(diào)動了視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運動感覺等，從而達到身臨其境的效果。

交互性：利用虛擬仿真技術創(chuàng)造的虛擬仿真系統(tǒng)，本質(zhì)是計算機系統(tǒng)所創(chuàng)造的虛擬三維世界，模擬真實的系統(tǒng)進行體驗。在這個系統(tǒng)中，不僅環(huán)境可以作用于人，人也可以對環(huán)境及進行控制。仿真系統(tǒng)還可以做出實時反應，達到兩者可以同步的理解。就像在仿真系統(tǒng)中做化學實驗，如果不小心用錯試劑導致爆炸，那么使用用戶也可以看到爆炸場景，聽到爆炸聲音。總之，這是一種非常實用的技術交互。

虛幻性：虛擬仿真技術結(jié)合了仿真技術和虛擬現(xiàn)實技術，兩者的特點兼而有之。即系統(tǒng)中的環(huán)境、人物、情節(jié)等等，都是由計算機通過工具模仿出來的，并不是真實的。它既能模擬客觀存在過的或者是真實的環(huán)境，也可以模擬出客觀世界中并不存在的環(huán)境，甚至是幻想中或是將來可能出現(xiàn)的環(huán)境。因此，虛擬仿真系統(tǒng)的應用廣泛，不只作用于化工類實驗課程教學，也對生活中其他行業(yè)和學科產(chǎn)生重大影響。

3.優(yōu)勢

虛擬仿真技術應用于課程實踐教學，具有非常大的優(yōu)點。一是提升教學效果，通過逼真立體的方式化抽象為形象，讓學生更好理解知識;二是完成不可能的實驗，對實驗課程中具有危險性的實驗、極端破壞實驗以及需要大型場地才能實現(xiàn)的實驗等等;三是增強了課堂的趣味性，通過虛擬仿真技術搭建的系統(tǒng)，具有三維空間性，學生可以在系統(tǒng)中得到真實的體驗;四是為課堂教學提供了新的教學模式，是化工類實驗課程教師非常重要的教學輔助工具。

4.可應用的學科和行業(yè)

虛擬仿真技術的運用，可以最大限度的培養(yǎng)知識型、應用型高科技人才，廣泛應用于理論力學、材料力學、結(jié)構(gòu)力學、彈性力學、振動力學、流體力學、有限單元法、大型工程分析軟件及應用、虛擬設計Pro/E、虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術等等，對整個行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

二、虛擬仿真技術在化工類實驗課程的應用

1.建立虛擬仿真系統(tǒng)，操控課堂教學的三維演示

傳統(tǒng)課堂教學中，利用書本或老師直接教授達到對化工類實驗課程的知識傳授，但這種方式只調(diào)動了學生的視覺和聽覺，難以讓學生真正理解。而虛擬現(xiàn)實技術通過建立三維空間的模擬環(huán)境，讓學生可以進入虛擬空間，從不同的角度，可以在任何時間和場合，了解這些設備，還能夠觀察各部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，甚至單獨的設備，可以幫助學生調(diào)動所有感官來參與進實驗教學，有利于課堂教學效果的提升。

2.使用虛擬仿真系統(tǒng)，模擬訓練教學

化工類實驗課程的教學，必然涉及到各類大型的實驗。如果要搭建大型實驗場地進行實踐教學，耗費時間長、教學成本高、實驗效果不理想等等都是這個過程中會出現(xiàn)的問題，而且各類實驗帶來的嚴重后果是無法控制的，所以實驗的實操一般都被擱置，學生的實踐能力得不到有效培養(yǎng)。而在課堂教學中融入虛擬仿真技術，利用這項技術創(chuàng)造一個模擬實驗環(huán)境的虛擬仿真系統(tǒng)，就可以在規(guī)避一切實驗風險的條件下，讓學生充分的進行化學實驗。在虛擬系統(tǒng)中所進行的實驗，既不需要儀器設備，也不需要搭建費用高昂的場地，只需要搭建一個系統(tǒng)就可以達到一個滿意的效果，不用擔心安全和實驗的效果，真正鍛煉了學生的實操能力，并通過系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境模擬，讓學生參與進生產(chǎn)實踐中，提高學生的社會適應能力。因此，虛擬仿真系統(tǒng)在化工類實驗課程的教學應用中，是非常必要的。

3.利用虛擬仿真系統(tǒng)模仿課堂教學系統(tǒng)

利用虛擬仿真技術所形成的教學系統(tǒng)，具有直觀的三維仿真環(huán)境，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)教學中的大部分教學功能，彌補了課堂上的理論教學不足的差距，內(nèi)容豐富?；ゎ悓嶒炚n程本身就具有復雜性，涉及到了大量的儀器設備和專業(yè)知識，利用虛擬仿真后的教學系統(tǒng)，可以讓學生在虛擬現(xiàn)實中進行實驗操作、實驗驗證以及學科應用實踐等等，對于知識教授和學生實操能力的提高具有非常重大的意義。

結(jié)語

總之，通過虛擬仿真技術建造一個虛擬的環(huán)境系統(tǒng)，極大提高了實驗課程的教學效率。在化工類實驗課程的教學和實踐中，解決了因現(xiàn)實客觀條件導致的場地、資金以及設備的問題，為教師進行實驗教學提供了一種新的模式參考，有利于培養(yǎng)人才，實現(xiàn)課堂與社會實踐的結(jié)合。因此，高校應該大力推廣虛擬仿真技術在課堂中的應用，讓化工類實驗課程的實驗教學不再是一個難題。

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