康靜宜 王輝 (上海石化工業(yè)學校，上海 201500)

0 引言

虛擬現(xiàn)實(virtual reality, VR)技術(shù)又稱靈境技術(shù)，簡稱VR技術(shù)，是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術(shù)，具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性特征[1-2]。VR技術(shù)是利用計算機圖形學、人工智能技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多傳感器技術(shù)等多種技術(shù)模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感覺器官的功能，讓使用者恍若身臨其境，并能通過語言、手勢進行實時交流，增強進入感和沉浸感[3]。

隨著VR硬件技術(shù)不斷完善、軟件技術(shù)和資料不斷豐富，VR技術(shù)的廣泛使用有著非常重要的現(xiàn)實意義，其被應用于越來越多的行業(yè)和領(lǐng)域，比如軍事航天、醫(yī)學、藝術(shù)、教育、生產(chǎn)等[4-6]。

1 VR技術(shù)在教學中的發(fā)展現(xiàn)狀

VR技術(shù)的應用在西方發(fā)達國家起步早，成果顯著。作為VR技術(shù)的發(fā)源地，美國宇航局(NASA)己經(jīng)建立了航空、衛(wèi)星維護VR訓練系統(tǒng)，空間站VR訓練系統(tǒng)，并且已經(jīng)建立了可供全國使用的VR教育系統(tǒng)。我國的VR技術(shù)在教育中的研究應用起步較晚，和發(fā)達國家相比還有很大差距，但現(xiàn)在已經(jīng)引起國家相關(guān)部委的高度重視。2018年4月，教育部發(fā)布了《教育信息化2.0行動計劃》，這份行動計劃具有里程碑意義，它標志著我國教育信息化從1.0向2.0邁進，一時間成為業(yè)內(nèi)討論的焦點[7]。這份行動計劃強調(diào)通過大數(shù)據(jù)采集與分析，將人工智能切實融入實際教學環(huán)境中，實現(xiàn)因材施教與個性化教育。

VR技術(shù)在教學中的應用將是教育發(fā)展的一個飛躍。近年來，隨著VR技術(shù)的成熟，其在教學中應用日益廣泛，并取得了較好的教學效果。在此背景下，筆者將VR技術(shù)引入到《化工安全與清潔生產(chǎn)》的教學過程中，憑借VR技術(shù)創(chuàng)造的虛擬場景，在操作和人機互動過程中，極大地豐富了學生的學習體驗，同時對傳統(tǒng)的教學方法進行適度調(diào)整，使教學方法和教學手段相同步，大大提高了教學效果。

2 VR技術(shù)應用于化工安全課程教學過程的設(shè)計

筆者之前教授化工安全與清潔生產(chǎn)這門課程時，理論教學主要通過PPT講解；實操項目，特別是危險性比較大的實操項目主要以模擬演示作業(yè)流程為主。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)教學方式無法滿足學生需求，傳統(tǒng)課堂教學相對比較枯燥，實操課程因為缺乏相對真實的生產(chǎn)場景，學生仍無法切身體會化工安全操作的重要性。因此，學校加大課堂教學硬件設(shè)施和軟件的改造，引進VR技術(shù)。在火災應急、受限空間作業(yè)等模塊教學中運用相關(guān)的VR技術(shù)，取得非常不錯的教學效果，以下做具體介紹。

2.1 VR教學環(huán)境

VR技術(shù)依據(jù)系統(tǒng)不同的交互程度一般可分為四類：桌面式、沉浸式、增強式和分布式。此次課堂活動中，我們使用沉浸式系統(tǒng)構(gòu)造VR教學環(huán)境，整體結(jié)構(gòu)由VR頭顯、控制器、主機系統(tǒng)和教學軟件等部分組成。其中，VR頭顯利用人的左右眼獲取信息差異，引導用戶產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中的感覺；所使用的控制器為操作手柄，通過它可以讓用戶追蹤自己的動作和手勢；主機系統(tǒng)主要用于處理VR教學中的數(shù)據(jù)運算；教學軟件是VR教學最核心的部分，教學過程和教學內(nèi)容都是由教學軟件編輯實現(xiàn)，如使用者遠距離移動、工具的使用和人機互動環(huán)節(jié)的設(shè)計等。

2.2 VR教學課程設(shè)計

本次課題的內(nèi)容是化工安全與清潔生產(chǎn)課程中的一節(jié)：受限空間作業(yè)，其教學場景設(shè)計如圖1所示，用到的教學資源為手機、多媒體設(shè)備、VR設(shè)備等。VR技術(shù)所提供的場景是“典型污水處理廠的受限空間作業(yè)”，重點是利用VR技術(shù)提供的場景講述受限空間作業(yè)的教學內(nèi)容。教學環(huán)節(jié)中，將學生分為四個小組，小組同學在VR設(shè)備上嘗試完成“典型污水處理廠的受限空間作業(yè)”的操作流程，學生在沉浸式的工廠情景化教學環(huán)境中，對受限空間作業(yè)流程有了更好的理解和掌握，具體教學課程設(shè)計如表1所示。

圖1 教學場景設(shè)計圖(兩人一組)

2.3 VR教學成效

本次課程所使用的VR場景是“典型污水處理廠的受限空間作業(yè)”，學生利用VR設(shè)備進行人機交互演練，充分掌握受限空間的作業(yè)步驟。教學過程采用小組合作討論完成活動任務(wù)，充分調(diào)動了學生的學習積極性，實現(xiàn)學生的合作、互動學習，能夠激發(fā)組間相互競爭，有助于增強團隊合作意識。

學生在VR技術(shù)提供的仿真虛擬環(huán)境中，能夠自由地表達自己的所見所想，在這樣一個可交互、安全理想的實訓環(huán)境中，學生、老師和虛擬情境的互動反饋，在規(guī)避實訓場所安全隱患的同時，又實現(xiàn)了受限空間作業(yè)的安全訓練。這種教學方式，在實踐中教理論，在運用中學技術(shù)，突出“做中學、學中做”，充分鍛煉了學生探究能力和動手能力，改變了傳統(tǒng)課堂內(nèi)的靜態(tài)教學模式，將專業(yè)理論知識與實踐技能的學習有效地融為一體。

3 VR技術(shù)應用于化工安全與清潔生產(chǎn)課程教學中的優(yōu)勢

通過多次將VR技術(shù)引入課堂，并對學生測試成績進行分析，表明相較于傳統(tǒng)的教學方式，VR技術(shù)在化工安全與清潔生產(chǎn)課程中的應用有一定效果，能夠幫助學生更好地理解化工生產(chǎn)過程及安全操作流程。筆者也總結(jié)了VR技術(shù)對化工安全與清潔生產(chǎn)課堂教學具有以下效果。

3.1 解決化工安全與清潔生產(chǎn)課程教學中存在的安全隱患問題

化工生產(chǎn)過程復雜，通常需要在高溫、高壓等環(huán)境下操作，且多數(shù)屬于連續(xù)化作業(yè)生產(chǎn)，加工的物料品種具有易燃、易爆、有毒、有害和腐蝕等特性。在傳統(tǒng)實訓教學中，不可避免的存在一些安全隱患，比如粉塵爆炸，現(xiàn)場演示很不安全，因此大多數(shù)情況下，考慮到學生的安全，一些難以呈現(xiàn)、危險性高和操作困難的項目，不再進行實際的演示操作，這使得教學效果大打折扣。而通過VR技術(shù)可以有效地解決這些問題，比如泄漏應急處理、火災爆炸事故應急處理，通過VR技術(shù)能夠安全直觀的使學生沉浸其中，達到類似于現(xiàn)場演示的效果。

3.2 提供形象直觀靈活多變的交互式學習情景

表1 受限空間VR課程教學過程設(shè)計

傳統(tǒng)化工安全與清潔生產(chǎn)課程教學過程中，教師大多是通過PPT講述教學內(nèi)容，展示二維的教學圖片，無法讓學生感受真實的化工裝置運行過程，比如原料的預處理、“三廢”預處理和節(jié)能措施等等，無法提供多樣化的工廠情景化的實訓場所。VR技術(shù)的出現(xiàn)快速、有效解決了這些難題。

VR技術(shù)運用于化工安全與清潔生產(chǎn)課程教學過程中，能夠?qū)⒊橄蟮母拍钔ㄟ^形象立體的模型展現(xiàn)出來，從而生動地呈現(xiàn)工廠、設(shè)備、運行過程等內(nèi)容，有效地營造互動性的教學環(huán)境，且可以根據(jù)企業(yè)真實生產(chǎn)場景進行靈活多變的設(shè)計。例如，教師的口頭講解往往很難讓學生真正理解爆炸發(fā)生的原理，而通過VR呈現(xiàn)，可以創(chuàng)造一個逼真的爆炸情景，學生能夠通過交互式的方式，直觀地了解爆炸的過程，學習效果大大好于傳統(tǒng)教學。

3.3 提升學生學習興趣和自主學習能力

傳統(tǒng)被動灌輸式的教學方式一直是教學中的詬病，在傳統(tǒng)的教學中，教師主宰課堂，學生被動接受知識，學生缺乏創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。建構(gòu)主義認為，學習是學習者基于原有的知識經(jīng)驗生成意義、建構(gòu)理解的過程，而這一過程常常是在社會文化互動中完成的，VR技術(shù)的引入，有望克服被動灌輸式教學方式的弊端。

在教學中引入VR技術(shù)，使學生能從空間和現(xiàn)象的內(nèi)部角度來觀察事物，更好地理解掌握所獲得的信息，提高抽象思維能力，讓學生能夠從多維度參與到教學活動中，從而能有效創(chuàng)設(shè)建構(gòu)主義學習環(huán)境，激發(fā)學生的學習動機，并使學習者可以進行自由探索和自主學習，打破了單一、枯燥的教學方式。特別是在VR教學互動環(huán)節(jié)，學生在教師的指導下進行實際操作，將理論與實踐相結(jié)合，大大激發(fā)了學生學習的興趣，提升學生自主學習的能力，增強學習效果。

4 VR技術(shù)未來在化工專業(yè)教學中的應用趨勢探討

隨著VR技術(shù)的不斷發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的前景和潛力越來越被看好，將其融入化工專業(yè)各個教學環(huán)節(jié)是未來化工領(lǐng)域教學發(fā)展的重要方向[8-11]。VR技術(shù)所提供的虛擬、可視化的工廠生產(chǎn)情境，不僅有效地解決了傳統(tǒng)化工專業(yè)教學的安全隱患問題，充分改善了教學環(huán)境，更重要是能夠讓學生在“真實”的化工運行過程中更有效地學習知識，提高學生的課堂參與度，充分發(fā)揮學生自主學習能力，凸顯學生的主體地位，從而獲得較好的教學效果。VR技術(shù)與化工專業(yè)教學相結(jié)合，為課堂教學活動設(shè)計提供了新的思路，是化工專業(yè)信息化課堂教學發(fā)展的必然趨勢。