VR技术在化工安全与清洁生产课程教学中的应用

康静宜 王辉 (上海石化工业学校，上海 201500)

0 引言

虚拟现实(virtual reality, VR)技术又称灵境技术，简称VR技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术，具有沉浸性、交互性和构想性特征[1-2]。VR技术是利用计算机图形学、人工智能技术、计算机网络技术和多传感器技术等多种技术模拟产生一个三维空间的虚拟世界，模拟人的视觉、听觉、触觉等感觉器官的功能，让使用者恍若身临其境，并能通过语言、手势进行实时交流，增强进入感和沉浸感[3]。

随着VR硬件技术不断完善、软件技术和资料不断丰富，VR技术的广泛使用有着非常重要的现实意义，其被应用于越来越多的行业和领域，比如军事航天、医学、艺术、教育、生产等[4-6]。

1 VR技术在教学中的发展现状

VR技术的应用在西方发达国家起步早，成果显著。作为VR技术的发源地，美国宇航局(NASA)己经建立了航空、卫星维护VR训练系统，空间站VR训练系统，并且已经建立了可供全国使用的VR教育系统。我国的VR技术在教育中的研究应用起步较晚，和发达国家相比还有很大差距，但现在已经引起国家相关部委的高度重视。2018年4月，教育部发布了《教育信息化2.0行动计划》，这份行动计划具有里程碑意义，它标志着我国教育信息化从1.0向2.0迈进，一时间成为业内讨论的焦点[7]。这份行动计划强调通过大数据采集与分析，将人工智能切实融入实际教学环境中，实现因材施教与个性化教育。

VR技术在教学中的应用将是教育发展的一个飞跃。近年来，随着VR技术的成熟，其在教学中应用日益广泛，并取得了较好的教学效果。在此背景下，笔者将VR技术引入到《化工安全与清洁生产》的教学过程中，凭借VR技术创造的虚拟场景，在操作和人机互动过程中，极大地丰富了学生的学习体验，同时对传统的教学方法进行适度调整，使教学方法和教学手段相同步，大大提高了教学效果。

2 VR技术应用于化工安全课程教学过程的设计

笔者之前教授化工安全与清洁生产这门课程时，理论教学主要通过PPT讲解；实操项目，特别是危险性比较大的实操项目主要以模拟演示作业流程为主。随着信息技术的发展，传统教学方式无法满足学生需求，传统课堂教学相对比较枯燥，实操课程因为缺乏相对真实的生产场景，学生仍无法切身体会化工安全操作的重要性。因此，学校加大课堂教学硬件设施和软件的改造，引进VR技术。在火灾应急、受限空间作业等模块教学中运用相关的VR技术，取得非常不错的教学效果，以下做具体介绍。

2.1 VR教学环境

VR技术依据系统不同的交互程度一般可分为四类：桌面式、沉浸式、增强式和分布式。此次课堂活动中，我们使用沉浸式系统构造VR教学环境，整体结构由VR头显、控制器、主机系统和教学软件等部分组成。其中，VR头显利用人的左右眼获取信息差异，引导用户产生一种身在虚拟环境中的感觉；所使用的控制器为操作手柄，通过它可以让用户追踪自己的动作和手势；主机系统主要用于处理VR教学中的数据运算；教学软件是VR教学最核心的部分，教学过程和教学内容都是由教学软件编辑实现，如使用者远距离移动、工具的使用和人机互动环节的设计等。

2.2 VR教学课程设计

本次课题的内容是化工安全与清洁生产课程中的一节：受限空间作业，其教学场景设计如图1所示，用到的教学资源为手机、多媒体设备、VR设备等。VR技术所提供的场景是“典型污水处理厂的受限空间作业”，重点是利用VR技术提供的场景讲述受限空间作业的教学内容。教学环节中，将学生分为四个小组，小组同学在VR设备上尝试完成“典型污水处理厂的受限空间作业”的操作流程，学生在沉浸式的工厂情景化教学环境中，对受限空间作业流程有了更好的理解和掌握，具体教学课程设计如表1所示。

图1 教学场景设计图(两人一组)

2.3 VR教学成效

本次课程所使用的VR场景是“典型污水处理厂的受限空间作业”，学生利用VR设备进行人机交互演练，充分掌握受限空间的作业步骤。教学过程采用小组合作讨论完成活动任务，充分调动了学生的学习积极性，实现学生的合作、互动学习，能够激发组间相互竞争，有助于增强团队合作意识。

学生在VR技术提供的仿真虚拟环境中，能够自由地表达自己的所见所想，在这样一个可交互、安全理想的实训环境中，学生、老师和虚拟情境的互动反馈，在规避实训场所安全隐患的同时，又实现了受限空间作业的安全训练。这种教学方式，在实践中教理论，在运用中学技术，突出“做中学、学中做”，充分锻炼了学生探究能力和动手能力，改变了传统课堂内的静态教学模式，将专业理论知识与实践技能的学习有效地融为一体。

3 VR技术应用于化工安全与清洁生产课程教学中的优势

通过多次将VR技术引入课堂，并对学生测试成绩进行分析，表明相较于传统的教学方式，VR技术在化工安全与清洁生产课程中的应用有一定效果，能够帮助学生更好地理解化工生产过程及安全操作流程。笔者也总结了VR技术对化工安全与清洁生产课堂教学具有以下效果。

3.1 解决化工安全与清洁生产课程教学中存在的安全隐患问题

化工生产过程复杂，通常需要在高温、高压等环境下操作，且多数属于连续化作业生产，加工的物料品种具有易燃、易爆、有毒、有害和腐蚀等特性。在传统实训教学中，不可避免的存在一些安全隐患，比如粉尘爆炸，现场演示很不安全，因此大多数情况下，考虑到学生的安全，一些难以呈现、危险性高和操作困难的项目，不再进行实际的演示操作，这使得教学效果大打折扣。而通过VR技术可以有效地解决这些问题，比如泄漏应急处理、火灾爆炸事故应急处理，通过VR技术能够安全直观的使学生沉浸其中，达到类似于现场演示的效果。

3.2 提供形象直观灵活多变的交互式学习情景

表1 受限空间VR课程教学过程设计

传统化工安全与清洁生产课程教学过程中，教师大多是通过PPT讲述教学内容，展示二维的教学图片，无法让学生感受真实的化工装置运行过程，比如原料的预处理、“三废”预处理和节能措施等等，无法提供多样化的工厂情景化的实训场所。VR技术的出现快速、有效解决了这些难题。

VR技术运用于化工安全与清洁生产课程教学过程中，能够将抽象的概念通过形象立体的模型展现出来，从而生动地呈现工厂、设备、运行过程等内容，有效地营造互动性的教学环境，且可以根据企业真实生产场景进行灵活多变的设计。例如，教师的口头讲解往往很难让学生真正理解爆炸发生的原理，而通过VR呈现，可以创造一个逼真的爆炸情景，学生能够通过交互式的方式，直观地了解爆炸的过程，学习效果大大好于传统教学。

3.3 提升学生学习兴趣和自主学习能力

传统被动灌输式的教学方式一直是教学中的诟病，在传统的教学中，教师主宰课堂，学生被动接受知识，学生缺乏创新思维和创新能力。建构主义认为，学习是学习者基于原有的知识经验生成意义、建构理解的过程，而这一过程常常是在社会文化互动中完成的，VR技术的引入，有望克服被动灌输式教学方式的弊端。

在教学中引入VR技术，使学生能从空间和现象的内部角度来观察事物，更好地理解掌握所获得的信息，提高抽象思维能力，让学生能够从多维度参与到教学活动中，从而能有效创设建构主义学习环境，激发学生的学习动机，并使学习者可以进行自由探索和自主学习，打破了单一、枯燥的教学方式。特别是在VR教学互动环节，学生在教师的指导下进行实际操作，将理论与实践相结合，大大激发了学生学习的兴趣，提升学生自主学习的能力，增强学习效果。

4 VR技术未来在化工专业教学中的应用趋势探讨

随着VR技术的不断发展，其在教育领域的前景和潜力越来越被看好，将其融入化工专业各个教学环节是未来化工领域教学发展的重要方向[8-11]。VR技术所提供的虚拟、可视化的工厂生产情境，不仅有效地解决了传统化工专业教学的安全隐患问题，充分改善了教学环境，更重要是能够让学生在“真实”的化工运行过程中更有效地学习知识，提高学生的课堂参与度，充分发挥学生自主学习能力，凸显学生的主体地位，从而获得较好的教学效果。VR技术与化工专业教学相结合，为课堂教学活动设计提供了新的思路，是化工专业信息化课堂教学发展的必然趋势。