VR技术在化工专业“认识实习” 课程的应用探讨

亚力昆江·吐尔逊*，买尔哈巴·阿不都热合慢，黄河

（新疆大学 化工学院，新疆 乌鲁木齐 830017）

摘  要：虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是一种创新的教学工具，其在化工专业的“认识实习”课程中的应用正逐渐受到关注。本文首先对化工专业“认识实习”课程教学中存在的问题进行了阐述，并分析了问题的原因。其次，探讨VR技术在化工专业“认识实习”课程中的应用，进一步评估其所带来的优势和挑战。VR技术在化工专业“认识实习”中的应用为 “认识实习”课程的优化和创新提供了新的思路和方法。

关键词：认识实习；VR技术；化工专业；虚拟仿真

基金项目： 2023年产学合作协同育人项目 “基于互联网+概念的化工类专业实验课教学师资培训 ”（项目编号：231006655164903）

引言

化工专业是一门实践性很强的专业。实习实践让学生能够更加深入地了解化工行业，了解不同领域的工作环境和工作内容。作为国内高校必备的实践课程，“认识实习”是培养学生建立化工工艺及设备感性认知、激发后续专业课程学习兴趣。“认识实习”属于集中实践性教学环节，旨在增加学生对工程实际的感性认识，培养学生理论联系实际的能力。这门课程旨在将理论知识与实际应用相结合，帮助学生了解化学工程领域的基本工作流程和技术操作。在课程中，学生将有机会参观化工企业、实验室或工厂，并观察和学习实际的化学工程操作步骤。通过与业界专业人士的互动，学生将了解真实的工作环境和实践技能，以及面临的挑战和解决方案[1]。此外，学生还可以参与实际项目或案例研究，并应用所学知识解决实际问题。该课程的目标是培养学生的实际操作能力和解决问题的能力，加强他们在化学工程领域的专业知识和技能。通过"认识实习"课程的学习，学生可以更全面地了解化学工程行业，为未来的职业发展做好准备。然而化工认识实习中出现的问题包括缺乏真实场景的体验、安全风险、学生积极性不高等，可以引进VR（Virtual Reality，虚拟现实）技术能够有效解决上述问题。本文通过阐述 VR 技术优点，结合化工专业“认识实习”课程的特点，探讨利用 VR 技术应用于认识实习教学环节中的可行性。

1 化工专业“认识实习” 课程教学存在的问题

“认识实习” 课程教学往往需要一些专业基础课程的支撑，当然也必须依靠实际的工程项目，所谓理论结合实际并不无道理的，因为理论可以指导工程实践，工程实践反过来也可以反映出理论。然而化工专业“认识实习”往往受制于实验设备和实验场地的限制，导致学生接触真实化工实践的机会有限。实践机会不足会影响学生的实际操作能力的培养以及对化工工作环境和流程的认知。同时参观化工厂存在一定的安全风险。不合理的操作或安全措施不到位可能导致意外事故的发生，给学生的安全造成威胁。因此，目前大部分化工专业的认识实习以校内单元操作参观实习为主，校外化工厂参观实习越来越少。化工厂参观往往是以外部参观为主，甚至有些化工厂不让学生在厂区里面步行参观，只允用坐在指定车里参观，造成学生在专业实践中缺乏主动性，不善于去发现问题、提出问题以及解决问题。

2 VR技术在化工专业“认识实习” 课程中的应用

2.1 VR技术的定义和发展历程

VR技术是一种通过计算机模拟和生成的数字化环境，使用户能够身临其境地感受和体验其中的视觉、听觉、触觉等感官。这种技术通过头戴式显示器、手柄等设备，将用户完全沉浸于虚拟环境中，让他们可以与虚拟对象进行互动，获得一种身临其境的感觉。VR技术起源于20世纪60年代，当时的研究主要集中在虚拟现实的概念和基础技术的探索上。然而，由于当时技术水平的限制和硬件设备的不成熟，虚拟现实的发展并没有取得重大突破。直到20世纪90年代，随着计算机图形学和计算能力的快速发展，虚拟现实技术才开始迎来了新的发展机遇。虚拟现实的概念最早由美国VPL探索公司的创始人Jaron Lanier在1989年提出，并逐渐被广泛使用。此后，虚拟现实技术在军事、航空航天、医疗、娱乐等领域得到了广泛的应用。20世纪末和21世纪初，随着计算机图形学、人机交互和感知技术的进步，VR技术迅速成为焦点。从最初的基于计算机生成的虚拟环境到现在的全沉浸式VR体验，虚拟现实技术已经取得了巨大的进步。近年来，随着虚拟现实设备的普及和推广，虚拟现实技术进一步融入到人们的日常生活中。除了娱乐领域，虚拟现实技术在教育、培训、医疗、设计等领域得到了广泛应用[3]。同时，虚拟现实技术的硬件设备也在不断改进和创新，为用户提供更真实、更沉浸的体验。

2.2 VR技术在化工“认识实习”中的应用优势

安全性：在虚拟环境中进行实践操作可以避免潜在的危险和风险，提高学生的安全意识和应对能力。可重复性：学生可以反复进行虚拟操作，并修改和调试他们的方法。这样可以加深对化工过程和技术的理解和掌握。高度沉浸体验：VR技术提供了一种更加沉浸式的学习体验，让学生感觉仿佛置身于真实的化工环境中，增强了他们的学习动力和参与度。在实习教学中，学生借助增强现实头盔和手柄，可以将虚拟现实内容与实际现场场景叠加在一起。这样的技术可以实现对参观化工单元的放大、透视、动画演示和即时讲解等交互操作。通过将实际讲授与现场实践相结合，能够克服带队教师讲解能力有限和户外讲解效果差的问题。例如利用VR技术学生可以进入到某个精馏塔内部，“沉浸式”观察到精馏塔内部构成以及气液流动状况。

2.3 VR技术在化工“认识实习”中的应用案例

以新疆大学大学化学工程与工艺专业“认识实习” 课程为例，本课程采用“校内单元操作及生产工艺介绍→VR实习→校外化工厂生产流程参观”模式。其中的VR实习项目有多喷嘴对置水煤浆气化装置、合成气制甲醇装置、水处理装置、聚酯合成装置等。利用VR技术，使学生了解和掌握煤气化、甲醇合成、聚酯合成、水处理等相关技术原理、工程设计、装置结构、工作流程等相关知识。辅助工程教育、安全教育和实习实训，以身临其境的多感官融合体验实现“体验+反思式”教育，解决工程教育实习环节危险性高、重复成本高、场地限制大等问题，解决“看不见、摸不着、进不去、想不通”的关键难题。

VR技术能够有效解决上述问题。例如多喷嘴对置式水煤浆气化装置VR实习则是利用虚拟现实技术进行模拟，重现实际的煤浆气化装置运行现场，提供真实的沉浸式体验。该实验可以展示多喷嘴对置式水煤浆气化技术在工程应用中的情况，并涉及气化装置设备布置、主要设备结构以及工艺流程等内容。通过虚拟现实实验，学生可以深入了解多喷嘴对置式水煤浆气化技术的原理和工程实施过程，提升他们的理论知识和实践技能。这种实验方法可以提供更直观、互动的学习体验，帮助学生更好地理解和应用水煤浆气化技术。

例如在《合成气制甲醇装置》VR实习包括了视频教程和实操两部分内容。视频教程部分包含基本概念的介绍，如：什么是反应器；固定床反应器的分类；列管式反应器的特点；气固相反应的特点；列管式反应器内的热量传递特点；固定床反应器热点等，使学生有感官的认识。实操部分可以通过手柄控制操作过程，在本工艺中包含的有反应器，换热器，水冷器，分离器，闪蒸槽等操作单元。具体流程为：从甲醇分离器分离出来的液相通过减压间减压至0.5MPa进入到闪蒸罐。由于压力的降低，气体在液相中的溶解度减小，溶解在液相中的气相被分离出来形成闪蒸气。闪蒸气通过闪蒸出口排出，进入燃料气管网或火炬系统。闪蒸后的粗甲醇进入精馏系统进行提纯。在实操过程中，每个单元模块可以实现动态的内部状况。每一台单元设备含有动态的演示，从三维角度可以查看内部结构、配件、零件等，可实现反应，分离过程的动态过程。通过虚拟环境，学生能够在模拟的场景中实践操作和观察工业甲醇生产装置的各个环节，包括反应器的结构和原理、反应工程的过程参数控制、过程系统工程的优化等。虚拟现实技术能够准确模拟实际工厂的运行情景，使学生能够身临其境地体验整个生产过程。这样的实践体验能够让学生以更直观的方式理解相关理论知识，从而加强他们的学习效果。

2.4 VR技术在化工“认识实习”中存在的问题

尽管VR技术在化工“认识实习”中有很多应用的潜力，但它也存在一下及格方面问题。技术成本：VR技术的实施可能需要大量的投资，包括虚拟现实设备、软件开发和维护等方面的成本。这可能对一些高校来说是一个负担。使用门槛：使用VR技术需要学习和适应新的技术。对于学生和教师来说，可能需要一定的时间和精力来学习和掌握这些技术，这可能会增加一些学习和实施的难度。技术限制：尽管VR技术的发展很迅速，但目前仍存在一些技术限制。比如，图形质量、交互性能和设备的舒适度等方面可能还有改进的空间，这可能会对用户体验产生一定的影响。实践真实性：虽然VR技术可以提供沉浸式的体验，但与真实化工工程环境相比仍存在一定的差距。特别是在感知物质性质、气味、声音等方面，VR技术可能无法完全模拟真实的实验情景，这可能会对学生对实际工作环境的适应产生影响。

3 结束语

VR技术在化工专业的“认识实习”课程中具有广阔的应用前景。通过模拟化工实验室、化工工厂运行和化工工程项目设计等场景，VR技术能够提供更丰富、安全和交互性强的学习体验，帮助学生更好地理解化工原理和实践，并提升他们的解决问题能力。然而，VR技术在化工教育中仍面临成本、设备和维护等挑战。因此，以确保其在教学中的实际效果和可行性，进一步探索和应用VR技术在化工专业的教学实践中具有重要意义，有助于培养更优秀的化工人才。

参考文献：

[1] 买买提江·依米提等. "加强实践教学提高高分子材料与工程专业认识实习质量." 教育教学论坛:2014(6):176-177.

[2] 蒋亚龙.基于VR/AR技术的城轨专业"认识实习"课程的优化与创新探讨[J].科技与创新, 2022(17):117-119.

[3] 杨海林, 范子红, 马入华. "VR技术在环境工程专业本科教学中的应用展望." 科技创新导报:2018(22): 181-184.

【通讯作者】

亚力昆江·吐尔逊（1984-），男，维吾尔族，新疆哈密人，博士，副教授，研究方向：生物质和煤热化学转化。