AR技术在《化工原理》教学中的可行性探索

陶亚辉，冯玉如

(太原科技大学晋城校区，山西 晋城 048000)

《化工原理》课程是化工类及相近专业的一门主要技术基础课，它是综合运用数学、物理和化学等专业知识，分析和解决化工类型生产中各单元操作问题的工程学科[1]。该课程担负着由理论到工程、由基础到专业的桥梁作用，对化工类及相近专业学生的业务素质、工程能力和创新能力的培养起着至关重要的作用。同时，课程开设的目的是使学生获得常见化工单元操作过程及设备的基础知识、基本理论和基本计算能力，并受到必要的基本操作技能训练。为学生学习后续专业课程和将来从事工程技术工作，实施常规工艺、常规管理和常规业务打好基础。

为提高《化工原理》教学质量，完成培养目标，本文希望发挥现代科技优势，将AR技术应用于专业基础课程中，改善传统教学现状。

1 AR技术简介

增强现实(AR)，也被称之为混合现实，是一种实时地计算摄影机影像位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术[2]。这种技术的目标是通过屏幕把虚拟世界套入现实世界并进行互动。换言之，就是将虚拟的信息应用到真实世界，真实环境和虚拟物体同时存在。增强现实提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。它不仅展示了真实世界的信息，而且将虚拟信息同时体现，两种信息相互补充、叠加[3]。

研究表明[4]AR技术可以改善教学，主要体现在能够改变学习者获取知识的表征方式以及交互方式等方面。现有的教学模式大多是教与学产生的听觉上的交流互动，而引用AR技术于教学，将会给人一种视觉感官上的交互体验。尤其是在专业课堂的学习中，利用AR技术的优势，有助于学生在学习核心理论时更加快速有效[5]。使每个学生随时随地学习诸如单元操作、设备结构、立体三维模型等难以理解的知识，有效提升教学效率。

2 《化工原理》课程教学现状

为满足新世纪能源化工技术密集、资本密集、人才密集三位一体的发展需求[6]，现代化工专业亟需培养一批技能型、应用型、适应性强的化工人才。作为山西省高等教育综合改革试点之一，新校区非常重视化工类专业的创新发展。但校区刚刚成立建设，资深专业人才储备不足，培养方案及大纲制定多数需依靠老校区协助，因此难免受原有培养模式不同程度的影响。

2.1 授课学时分配不合理

受上世纪末国家培养跨世纪“A”型人才办学理念的引导[7]，各专业课程在课堂上的教学课时量逐步减少，同时在培养方案中逐步增设实验、实践环节，旨在培养学生处理工程问题的综合能力，培养学生严谨的科学研究态度、良好的实验素养及独立解决问题、数据处理和实验设计能力，不断提升学生创新思维、创新能力。但《化工原理》课程注重系统性和逻辑性，课堂教学内容适宜删减的并不多，课时量的压缩事实上直接导致了每堂课内容的增加，无形中加大了学生的学习压力。紧促的教学模式，不仅让学生和教师都疲于应对，更使学生不能全面系统的理解教材中的各类知识，只是粗浅表面的听、记。学生要想学好这门专业基础课程，就必须在课后耗费更多的时间去研究课本，巩固课堂内容，甚至还要通过其他方式来消化专业性较强的版块，学习效率低下，学生茫然无措。

2.2 课程教材亟待结合实际

现行的《化工原理》用书是“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，该书考虑到了学科的最新进展和课程教学的资源化需求，自问世以来，受到业界和读者的热情支持和认可，总体反映良好[8]。但其关于操作、结构等内容的展现方式已不能满足二十一世纪现代化教育的需求。例如换热器、吸收塔等各类典型设备的结构讲解虽配有示意图，但却不够直观清晰，学生知识空洞，在接触不到实物的情况下，很难短时间内想象构造出一空间立体结构；离心泵的气蚀现象与气缚现象又是如何产生，如何正确区分两者，书本中虽罗列了其含义、概念，但是却有大多数人是没有真正了解其本质，无法做到理论与实物相结合。

3 《化工原理》课程与AR技术的结合

AR作为新型的人机接口和仿真工具，显示出了巨大的发展潜力。随着大数据时代的到来以及智能手机的普及，为这一技术的应用奠定了基础。将手机作为一种新的媒介应用于教学中，未尝不是一种新的的尝试与改革。

《化工原理》作为一门核心的工程学科，它要解决的不单是过程的基本规律，而且面临着真实、复杂的生产问题。实际问题的复杂性不完全在于过程本身，还在于化工设备复杂的几何形状和千变万化的物性。学生在课堂上通过教师板书或PPT所述接收书本上的理论知识时，并不能立刻将其吸收消化，很多时候都是处于一知半解的状态，这不仅需要教师多次讲解来深刻理解，还要求学生课后花费更多的时间去钻研这些理论。

若以AR技术作为载体支持，通过智能设备，可以在讲解的过程中或课后复习出现困惑时，扫描设备照片便可立即获取到该部分单元操作、结构的虚拟3D立体图，同时匹配文字详解和视频剖析，以此方式，使得书本内容迅速可视化，从而实现质的飞跃。例如，在讲解《化工原理》中精馏塔的结构时，课本关于塔身以剖面图呈现，很多学生不能立刻空间想象出塔体的内部结构、进料板的位置、各理论板的排布方式等情况，对老师的讲解存在很多疑虑。又如，在学习完气体吸收和蒸馏这两章节之后，如何区分填料塔和板式塔，几种散装填料如拉西环、鲍尔环、阶梯环、共轭环、海尔环、纳特环是怎样的结构特点，弧鞍、矩鞍、环矩鞍之间的联系与区别，塔板的结构、塔板的溢流类型、塔板上气液两相接触的状态等知识，以及塔板上漏液、液泛、雾沫夹带等异常操作现象的出现，是否又能立马辨识与掌握？如果将AR技术应用其中，学生在学习过程中即可迅速通过移动客户端，带入虚拟场景，亲临现场学习，这样的学习方式不仅有助于学生深入理解，同时也能显著提高学生的学习效率。

4 结语

AR是充分发挥创造力的科学技术，为人类智能扩展提供了强有力的手段，对生产方式和社会生活产生了深远影响。将AR技术应用于教育领域，与专业课程相结合，摒弃传统教学的不足，必将形成一种全新的教学模式，为教育教学改革提供新思路、新尝试，真正将课堂教学用灵用活，使学生做到基础扎实、素质过硬，为高校培养应用型人才之目标添砖加瓦。