虛擬現(xiàn)實技術在高校水煤漿實驗教學中的應用探索

劉銘+熊金鈺

摘 要：水煤漿實驗是高校煤化工教學的重要組成部分。是高校學生科研思維養(yǎng)成的重要實驗平臺。傳統(tǒng)實驗教學過于教條，不利于學生創(chuàng)新思維的養(yǎng)成，虛擬現(xiàn)實技術靈活應用于高校實驗教學打破了傳統(tǒng)實驗教學模式，為學生實驗提供了新的途徑。在此背景下，該文深入分析傳統(tǒng)實驗教學和虛擬現(xiàn)實實驗教學的利弊，為促進個性化、數(shù)字化教學，結(jié)合傳統(tǒng)教學方式，發(fā)揮虛擬現(xiàn)實教學的作用，提供建議和方法。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實 水煤漿實驗 應用探索

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0245-02

Abstract： Coal water slurry experiment is an important component of coal chemical engineering teaching. It is an important experimental platform for college students to develop their scientific research thinking. The traditional experimental teaching is too dogmatic， which is not conducive to the development of students' innovative thinking， and the flexible application of virtual reality technology in experimental teaching in Colleges and universities breaks the traditional experimental teaching mode and provides a new approach for students' experiments. Under this background， the advantages and disadvantages of the traditional experimental teaching and virtual experiment teaching is analyzed. In order to promote individualized and digital teaching， combine the traditional teaching methods， play the role of virtual reality teaching， and provide suggestions and methods.

Key Words： Virtual reality；Experimental of coal water slurry； Application exploration

1 實驗背景

虛擬現(xiàn)實技術[1-3]（簡稱VR）是通過集成計算機仿真技術、圖形技術、傳感技術、人工智能等，將三維的現(xiàn)實環(huán)境用二維的形式表現(xiàn)出來，構(gòu)造出逼真的人工模擬環(huán)境，使參與者獲得與現(xiàn)實一樣的感覺，并能有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知的高級的人機交互技術。通過視、聽、觸覺等作用于使用者，對使用者的控制行為做出動態(tài)的交互反應[4-5]?？梢哉f人處在虛擬環(huán)境之中跟現(xiàn)實環(huán)境是沒有差別的。虛擬現(xiàn)實的本質(zhì)是人與計算機的通信技術，它幾乎可以支持任何人類活動，適用領域較為廣泛。

水煤漿實驗是高?；瘜W工程與工藝煤化工方向和精細化工方向?qū)嶒灲虒W的重要組成。水煤漿是由一定粒度的煤樣、水、添加劑組成的多元粗分散體系漿體。該實驗影響因素多[6-7]，傳統(tǒng)實驗教法遵循單一變量原則，面向精細化工學生，通過固定制漿用煤及粒度，考察添加劑種類對漿體性能的影響；面向煤化工學生，通過固定制漿用添加劑及煤樣粒度，考察不同煤質(zhì)對漿體性能的影響。通過簡化實驗，讓學生初步了解水煤漿是什么，性能如何。但是，水煤漿制備過程中受煤樣粒度、煤質(zhì)、攪拌方法、添加劑種類等等因素共同影響，傳統(tǒng)的實驗方法嚴重束縛學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，然而，課時限制、實驗條件限制，使得水煤漿制備及性能測試實驗顯得沒有技術含量，無法提高學生興趣。虛擬現(xiàn)實技術可為學生的創(chuàng)新思想提供安全、便捷的模擬平臺，為學科全面發(fā)展提供重要支撐。

2 傳統(tǒng)水煤漿實驗教學設計

2.1 實驗準備

教師提前準備實驗用的相關玻璃儀器、實驗設備。將煤樣A和B磨制至符合水煤漿制備要求，并測試煤中內(nèi)水含量，通過實驗確定制漿最佳攪拌特性，采用GN和CW兩種添加劑分別測試出兩種煤樣制漿所需適宜添加量以及制得漿體的最高成漿濃度。

將學生分成6組，每組5～6人，提前預習實驗內(nèi)容，因?qū)嶒炦^程涉及高速攪拌步驟，故將女生平均分至各組（長發(fā)女生必須將頭發(fā)盤起，以免發(fā)生意外）。

2.2 實驗教學內(nèi)容安排

面對不同專業(yè)方向?qū)W生實驗內(nèi)容有所差異，煤化工方向?qū)W生采用一種添加劑GN分別制備煤樣A和煤樣B水煤漿，重點考察煤質(zhì)差異對漿體性能的影響；精細化工方向?qū)W生采用一種煤樣A分別與添加劑GN和添加劑CW進行制漿，重點分析添加劑的差異對漿體性能的影響。

2.3 實驗過程

由教師以任一煤樣、任一添加劑先行演示水煤漿制備過程，并將制得漿體的流動性、表觀黏度、穩(wěn)定性等漿體性能測試方法進行演示與講解。

由學生自由選擇實驗教師提供的實驗內(nèi)容，每組不同。學生自行計算出實驗所添加的添加劑和水的體積，由教師核對無誤后方可進行實驗。

學生詳細記錄實驗現(xiàn)象實驗結(jié)果，對實驗結(jié)果進行初步分析，實驗偏差較大的組需進行誤差分析，最后寫入實驗報告。

2.4 傳統(tǒng)實驗教學的利弊分析endprint

傳統(tǒng)實驗教學實驗目的明確，有利于學生對相關知識的掌握；實驗方法明晰，有利于學生安全順利進行實驗操作，達到實驗目標；實驗課時短，能在較短課時內(nèi)高效完成整個實驗流程；實驗成本少，有效避免實驗方法不當造成的藥品浪費現(xiàn)象。

然而傳統(tǒng)實驗教學普遍存在理論驗證性過強，單純?yōu)榱蓑炞C某個理論開設實驗，忽視了不同實驗課之間、實驗課與理論課之間知識結(jié)構(gòu)之間的關聯(lián)，不能有效提高學生的創(chuàng)新意識，局限了學生主觀能動性的發(fā)揮，從而導致實驗課毫無活力、實驗報告千篇一律。

3 虛擬現(xiàn)實實驗教學

3.1 虛擬現(xiàn)實實驗教學設計

實驗管理。由學生管理、教師管理、儀器管理和學生成績管理等組成，學生用學號注冊登錄后可瀏覽水煤漿實驗的詳細資料，包括實驗目的及原理、操作步驟和注意事項等。教師管理方面，可對實驗內(nèi)容添加、修改、整理、刪除。批改實驗報告提交實驗教學檔案、與學生進行討論。儀器管理方面，對攪拌器、粘度計等虛擬儀器上傳以便實驗使用。

虛擬實驗。學生在虛擬的實驗場景中以鼠標為主要交互手段進行仿真實驗，虛擬實驗中，采用建模方式實現(xiàn)與現(xiàn)實的三維空間基本一致，讓學生在身臨其境的虛擬場景中進行實驗。教師通過設定不同粒度、不同煤質(zhì)、不同添加劑作為實驗原料，實驗要求制備65%以上濃度水煤漿，穩(wěn)定性及表觀黏度達到國標一級水煤漿標準，不再為學生設定特定實驗方案，學生在查閱資料后可按照自己的想法進行虛擬實驗。

實驗答疑與交流。學生在實驗預習時有不理解的，有獨特想法的可向?qū)嶒瀻熯M行提問。虛擬實驗進行過程中，可尋求老師或同學的幫助從而順利完成實驗。實驗結(jié)束后對實驗結(jié)果可進行線上討論，有新的想法可向?qū)嶒灲處熒暾堅俅螌嶒灐嶒灲處熆山璐似脚_了解學生對實驗的掌握程度，從而及時調(diào)整教學目標。學生可以全程作為實驗主導者，為學生主觀能動性的最大發(fā)揮提供了可能，提高了學習興趣和學習效率。

3.2 虛擬現(xiàn)實實驗教學的優(yōu)劣分析

虛擬現(xiàn)實實驗教學作為新時期計算機人機互動的新鮮事物，全新的實驗方式為高校實驗課程帶來了全新的理念，相較于傳統(tǒng)實驗，其具備以下優(yōu)點。

（1）學生作為學習主體，不再一成不變的驗證實驗，有利于學生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)。

（2）實驗過程更加安全、環(huán)保。虛擬現(xiàn)實實驗實現(xiàn)了人與實物的完全分離，可有效避免實驗操作不當給學生帶來的傷害，避免了人體與化學試劑直接接觸，避免了“三廢”的產(chǎn)生。

（3）實驗時間更靈活。學生只要不拘泥于傳統(tǒng)實驗課堂，可不受外界環(huán)境限制，有時間就可以自行去虛擬現(xiàn)實實驗機房進行實驗。

（4）實驗教師無需準備各種實驗原料，縮短了實驗準備時間。

然而該實驗方法在全面推廣中面臨以下問題。

（1）實驗人員的培養(yǎng)。虛擬現(xiàn)實實驗教學對實驗師提出了更高的要求，需要實驗師具備一定的計算機技術。

（2）實驗周期更長。學生無需按照傳統(tǒng)實驗方案進行實驗，這就會出現(xiàn)多種實驗方法，實驗可能會反復進行多次，需要學生投入更多的時間進行學習和操作，也需要實驗教師為學生提供更多的實驗支持。

（3）實驗技能培養(yǎng)的缺失。虛擬現(xiàn)實實驗完全讓學生與實驗儀器試劑隔離開，不利于基本實驗技能的養(yǎng)成。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術應用于高校實驗教學，為學生創(chuàng)新思維與現(xiàn)實之間搭起了橋梁，為高校實驗教學帶來了新活力，開辟了新的方式。該技術賦予高校水煤漿制備實驗更多的可能，為現(xiàn)代煤化工人才的培養(yǎng)、煤化工技術水平的提高提供了重要的技術支撐。雖然虛擬現(xiàn)實實驗平臺為學生提供了全方位的真實模擬情境，但虛擬現(xiàn)實畢竟與實際操作有所差距，實驗結(jié)果還需實際動手操作進行驗證，學生實際動手能力的培養(yǎng)不可忽視。虛擬現(xiàn)實實驗教學可以作為輔助實驗教學，在實驗教學中可占據(jù)一定比例但不可完全替代，與傳統(tǒng)實驗教學有機結(jié)合方可使高校實驗教學在學生培養(yǎng)中實現(xiàn)功效最大化。

參考文獻

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