虚拟现实技术及其在高校化工教学中的应用

贾 菲

（长春工业大学，吉林长春 130012）

高校化工专业是培养具有扎实化工基础理论知识和实践能力、掌握现代化工生产技术和管理方法、熟悉国内外化工发展动态、了解我国化工生产现状和未来发展趋势、具有创新精神和开拓进取意识的高素质应用型人才[1]。近年来，随着我国经济的快速发展，人们生活水平的不断提高，我国化工行业的市场需求日益增长，对化工人才的需求也越来越大。这对高校化工教学提出了新的挑战。在新时代背景下，虚拟现实技术的出现给高校化工教学的改革带来了新的契机，它为学生提供一个全新的学习环境，可以更好地激发学生的学习兴趣，培养学生的创新意识和实践能力。同时，虚拟现实技术也为学生提供一个更加广阔的发展空间，可以帮助学生拓宽视野，丰富知识，开阔思维，提高综合素质。因此，虚拟现实技术的应用将会对我国高等教育产生更加积极的影响。

1 虚拟现实技术的基本理论

虚拟现实技术是一种新兴的信息技术，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，它以计算机的软件技术为基础，结合人类视觉特性，通过控制设备和传感器采集数据，再运用计算机视觉技术进行处理，最终形成逼真的三维立体效果[2]。在三维建模中，最重要的就是对物体的细节进行还原，这样才能真实地反映出物体的外观。因此，三维建模的核心就是对物体的细节进行还原，以便更好地理解它们。

虚拟现实技术包括三个基本要素：计算机视觉、增强现实和混合现实。计算机视觉是虚拟现实技术的核心，它可以让用户通过视觉获取信息，并将信息转化为动作。增强现实是虚拟现实技术的重要组成部分，它可以让用户体验虚拟世界的真实感受。随着人工智能、大数据、云计算等技术的发展，增强现实技术已经成为一种新兴的交互方式，并逐渐渗透到各行各业。近年来，增强现实技术在教育领域的应用不断深入，在促进学生创新思维、培养学生实践能力、提高学生综合素质等方面发挥着越来越重要的作用。混合现实是虚拟现实技术的一种，它利用计算机生成一种模拟环境，通过光学、电子特性及其他技术制造出一个三维空间的虚拟世界。混合现实的特点是可以同时显示三维和二维的画面，并且具有交互功能。在这个虚拟世界里，人们可以进行各种各样的活动，包括购物、娱乐、教育、医疗等。随着5G 时代的到来，虚拟现实技术将成为未来人们生活中不可或缺的一部分。

在教学实践中，虚拟现实技术是以计算机视觉、语音识别、自然语言处理等为基础，通过对现实世界的模拟，实现对虚拟环境的操作。它可以让学生在课堂上获得更好的体验，提高学生学习的积极性。其目的是让学生通过视觉、听觉、触觉等感官来获取知识，从而达到提高学习效率的目的，使得学生在课堂上更加投入，更加专注[3]。另外，虚拟现实技术可以让学生在虚拟环境中进行实验操作，如果学生能够熟练掌握这项技术，就可以在课堂上发挥自己的聪明才智，将课堂上学到的知识灵活运用到实际生活中，不仅可以提高学生的综合素质，还可以为以后的工作打下坚实的基础。

2 虚拟现实技术在高校化工教学中应用的积极作用

2.1 使学生更好地理解化工原理，掌握基本操作技能

虚拟现实技术可以利用高度逼真的三维场景模拟真实生产环境，将化工原理与仿真技术相结合，实现化工过程的模拟、演示、仿真、分析、评价等功能。同时，通过虚拟现实技术，学生可以了解化工原理的发展历程，了解化工生产过程中的关键设备、操作规程等内容，培养学生的创新意识和动手能力。此外，高校化工教学课程中还有实验实训课程，如化学反应工程、催化化学、分析化学、环境保护等，利用虚拟现实技术对这些课程进行实时展示，可以帮助学生更好地理解课程内容，提高学习效率。并且，通过虚拟现实技术，可以使学生了解化工生产过程中的各种设备、仪器、工艺流程、操作规程等，使得学生能够在实际操作中熟练掌握化工生产的相关知识和基本技能，从而提高学生的综合素质。

2.2 培养学生动手能力，提高实践操作技能

高校化工课程是以化学工程与技术为基础，结合生产实际设置的一门综合性课程，并且其中融入了生产实践环节，学生通过理论与实践相结合的方式掌握化工原理、化工设计、化工过程控制、化工安全生产等知识。因此，高校化工教学中应用虚拟现实技术对学生进行化工原理、化工设计、化工过程控制、化工安全生产等知识的培训，是一种有效的教学手段[4]。在教学过程中引入虚拟现实技术，通过虚拟现实技术的运用，使学生能够更好地理解化工知识，掌握基本的化工技术，并能够在实践操作中加深理解。这种新型的教学模式，不仅提高了教学效率，而且有利于培养学生的创新精神和实践能力。尤其是虚拟现实技术能够将化学课堂变成一个真实的实验室，让学生亲身体验化学反应的过程，从而激发学生的学习兴趣，增强学生的实践动手能力。

2.3 拓宽学生视野，增强创新意识

高校化工教学中涉及的各种专业知识，如物理化学、生物化学、环境科学、材料科学、工程力学、计算机科学等都与化工相关，这些学科的基础知识和技能是化工人才必须掌握的。在教学过程中，要求学生掌握化工专业的基础知识和基本技能，培养学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力。在这种情况下，高校化工教学可以通过虚拟现实技术，让学生更好地了解化工生产过程、了解化工原理，更加直观地感受科学知识的魅力。同时，高校化工教学可以利用虚拟现实技术，将化工实验室搬到虚拟世界中，让学生在真实的环境中进行操作，体验化工生产的过程，更好地理解化工知识。此外，利用虚拟现实技术，可以让学生了解各种化工原理，培养学生的创新意识和动手能力。

2.4 满足学生的多样化需求，促进学生综合素质的提高

随着计算机技术的发展，虚拟现实技术在高校化工教学中的应用日益广泛，并逐渐成为一门新兴的交叉学科。在高校化工教学中，利用虚拟现实技术可以实现教学过程的可视化、交互式、互动式，从而提高学生的学习兴趣，激发学生的创造性思维，培养学生的科学素养。并且，在教学过程中采用虚拟现实技术进行课程设计，可实现教学内容的可视化、可交互、可操作。同时，通过虚拟现实技术的应用，可以有效地改善传统教学模式中存在的问题，提高教学效率，对于高校化工学科的发展具有重要意义。另外，以虚拟现实技术为基础，结合化学实验教学内容，开发出一系列适合高校化学专业学生的虚拟现实教学软件，包括虚拟实验室、虚拟实验室管理系统、虚拟实验室资源共享平台、虚拟实验室教学平台等。这些软件可以满足不同层次、不同水平的学生需求，并且具有良好的稳定性和可扩展性。

2.5 增强学生的学习兴趣，激发学生的求知欲

虚拟现实技术能够展现化工生产过程中的物理、化学、机械、电气、环境等方面的信息，以及工艺流程、设备结构、操作规程、生产工艺、工艺参数等，深刻还原生产过程的真实情况。并且，高校化工教学内容中涉及的实验设计、实验操作、仪器使用等环节中的“合作”元素，以及化工专业课程中的“合作”元素[5]。这些元素可以利用虚拟现实技术进行呈现，也可以通过其他方式进行呈现。在课堂上，虚拟现实技术可以模拟真实的工作环境，使学生更直观地了解各种生产过程，从而提高学生的动手能力，能够将化工、材料、机械等专业知识融入实际生产中，使学生在学习的同时掌握一定的实践技能。此外，利用虚拟现实技术，通过多媒体技术，使学生在真实的环境中进行实验操作，并在操作过程中，学生能够自主学习，并且能够独立思考，激发学生学习兴趣。

3 虚拟现实技术在高校化工教学中应用策略

3.1 建设虚拟化工实验室

虚拟化工实验室应该是一个开放的、共享的、多学科交叉的综合性实验室，其功能包括教学、科研、生产、管理等多个方面，而不仅仅是单一的技术支撑。这样的实验室，可以有效解决虚拟化工实验室建设中存在的问题，提高虚拟化工实验室的整体水平。在这种情况下，高校化工实验室要充分利用现有的设备，采用先进的技术手段，开展虚拟化工实验。在此基础上，可以进行虚拟化工实验室的建设，包括虚拟化工仿真系统、虚拟工作环境、虚拟工作平台等。这些都是虚拟化工实验室的重要组成部分。在现有的化工专业教学资源基础上，利用计算机辅助设计制作虚拟化工实验室的平台，开发相应的软件系统，实现虚拟化工实验室的功能。并建立虚拟化工实验室的基本框架，包括实验室的硬件设施、软件系统、网络系统、数据库系统、教学资源等。在此基础上，根据学生的实际需求，开发相应的虚拟实验室应用系统，并将其作为学生的“第二课堂”进行教学。这种方式可以有效解决传统实验室的弊端，提高学生的动手能力。同时，也可以通过网络技术的发展，实现远程教学，使学生在家就可以接受高质量的教学服务。因此，虚拟实验室的建设是未来教育信息化的发展方向。虚拟实验室的建设不仅可以提高教学效率，而且可以促进学生创新能力的培养。

3.2 利用虚拟现实技术进行化工实验教学

化工实验包含实验和演示两个环节。其中，实验是最基本的环节，演示是最重要的环节，虚拟现实技术可以让学生通过虚拟现实设备，模拟真实的工作环境，体验化工生产过程[6]。因此，在化工实验教学中，运用虚拟现实技术，学生可以直观地观察到现实生产环境中的物理过程，了解各种工艺参数对产品质量的影响，学习如何进行实验操作。同时，通过虚拟现实技术，学生还可以与其他专业的学生一起合作，共同探讨化工实验教学中遇到的问题，提高学生的化工实验能力。并且，通过虚拟现实技术，学生可以直观地观察到现实生产环境中的物理过程，了解化工原理，培养学生的动手能力。同时，通过虚拟现实技术，可以使学生更好地理解化工原理，掌握相关知识，将学生从枯燥的实验教学中解放出来，真正做到寓教于乐。

3.3 制作三维网络课件

三维网络课件是利用计算机图形学、虚拟现实技术等现代信息技术手段，结合化学实验教学内容设计制作的一种新型的教学模式。它的优点是可以充分利用现代化的教学手段提高教学效率，减轻学生的学习负担。同时，它也是一种创新型的教学模式，对促进我国高等教育事业的发展具有重要意义。因此，高校化工教学的教学模式由传统的单一理论教学转变为多媒体教学，利用虚拟现实技术制作三维网络课件，利用虚拟现实技术制作的化工实训教学平台，可以让学生通过虚拟现实眼镜观看教学内容，还可以进行操作练习，这样既提高了教学效率，又增强了学生对化工知识的理解。此外，还可以在三维网络课件中加入虚拟现实技术，利用计算机辅助设计软件（CAD），通过三维模型建立虚拟实验室环境，并将虚拟实验室环境中的物理现象转化为数字信号，然后通过网络传输到计算机中进行处理，可以实现对实验室环境的动态仿真，从而提高教学效果。

3.4 结合虚拟现实技术，进行实时动态培训

化工教学中利用虚拟现实技术，通过多媒体技术，将教学内容、课程安排、考核方式、评价标准等信息实时显示在计算机屏幕上，学生可以随时查看课程进度，及时调整学习状态，提高学习效率。同时，通过多媒体教学平台，利用计算机辅助设计软件，采用虚拟现实技术，建立虚拟实验室，开展虚拟实验教学活动，使学生在真实的环境中学习和操作。这种虚拟实验室的特点是可以模拟真实的物理、化学、生物等实验环境，并且具有良好的可重复性和互动性。它是一种新型的教学设备，可以让学生在虚拟的环境中进行学习和操作。另外。虚拟现实技术可以建立以学生为中心的教学模式，通过多媒体技术，建立虚拟现实环境，利用计算机视觉技术，对学生进行全方位的实时监控，并根据学生的反馈信息，及时调整授课内容，提高教学效率。

4 结束语

虚拟现实技术及其在高校化工教学中的应用是未来发展的趋势。虚拟现实技术可以让学生在课堂上获得身临其境的感觉，从而提高学生的学习兴趣，激发学生的创造力。同时，通过虚拟现实技术可以实现教学模式的转变，使学生能够更好地理解知识，并且能够更好地进行自主学习。因此，虚拟现实技术的应用将会是一个长期的过程，这种技术也将成为未来教育的重要组成部分。