物理化學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)實(shí)驗的開發(fā)與教學(xué)實(shí)踐

蔡 方,司忠業(yè),白金瑞,熊 焰,*

(1.華東理工大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院,上海 200237;2.華東理工大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中心, 上海 200237;3.華東理工大學(xué) 化學(xué)實(shí)驗教學(xué)中心,上海 200237)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱VR)是以計算機(jī)技術(shù)為核心，結(jié)合相關(guān)科學(xué)技術(shù)，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽、觸感等方面高度近似的數(shù)字化環(huán)境，用戶借助必要的裝備與數(shù)字化環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作用、相互影響[1-2]，可以產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗。我們結(jié)合物理化學(xué)實(shí)驗教材內(nèi)容設(shè)計了爆炸極限測定虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)實(shí)驗。

1 爆炸現(xiàn)象與爆炸極限

爆炸來的太突然，來不及躲避，來不及思考就和死神接吻，防治爆炸事故，保護(hù)人身安全，是生活中必備的常識。汽車爆炸、煤氣爆炸、天然氣爆炸、化工廠爆炸等等，我們的身邊爆炸事故的危險時常存在，但是很多人并沒有意識到，看到爆炸事故，唏噓之余，不再思考。那么我們該怎樣預(yù)防爆炸事故呢？了解了爆炸現(xiàn)象發(fā)生的原因以及為什么存在爆炸極限以后，就能針對不同的情況有的放矢了。

化學(xué)性爆炸中的混合物爆炸，所有可燃?xì)怏w、蒸氣及粉塵與空氣混合所形成的混合物的爆炸均屬于此類[3]。這類物質(zhì)爆炸需要一定條件，可燃?xì)獾难趸磻?yīng)存在著兩個爆炸極限：高限和低限[4]。本VR實(shí)驗就圍繞可燃?xì)怏w的爆炸現(xiàn)象與爆炸極限測定展開。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)實(shí)驗設(shè)計

本實(shí)驗由交互式VR操作實(shí)驗、全景教學(xué)視頻和2D教學(xué)視頻三部分組成。其中交互式VR操作實(shí)驗是整個實(shí)驗的核心和基礎(chǔ)，是使用VR開發(fā)引擎Unity3D構(gòu)建了一個非常逼真的實(shí)驗室爆炸事故現(xiàn)場和一個可燃?xì)怏w爆炸極限測定實(shí)驗室，用戶可以使用HTC Vive等VR設(shè)備在虛擬的場景中進(jìn)行沉浸式體驗并完成測定丙酮在空氣中爆炸極限的交互操作實(shí)驗。

2.1 交互式VR操作實(shí)驗

交互式VR操作實(shí)驗從一個實(shí)驗室爆炸事故現(xiàn)場出發(fā)，讓實(shí)驗者從一名事故現(xiàn)場調(diào)查員的角度探尋事故發(fā)生的根源，如圖1所示。通過沉浸式VR體驗將實(shí)驗者置身爆炸事故現(xiàn)場，抽絲剝繭，將各種嫌疑對象逐項排除，最終從現(xiàn)場殘液中找到最可能的罪魁禍?zhǔn)住墚a(chǎn)生可燃性氣體的有機(jī)溶劑，并通過氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀等分析手段，證實(shí)殘液中含有大量丙酮。

可燃性氣體丙酮在空氣中具有燃燒爆炸的危險，爆炸濃度極限是判斷其爆炸危險性的一個重要參數(shù)，準(zhǔn)確地知道爆炸極限范圍對于研究爆炸性氣體十分重要。本實(shí)驗在證實(shí)爆炸是由丙酮引起之后，將場景切換到一個氣體爆炸極限測定實(shí)驗室，通過交互式VR實(shí)驗測出丙酮在空氣中的爆炸極限，推斷出爆炸發(fā)生的原因，如圖2所示。

圖1 VR模擬實(shí)驗室爆炸事故現(xiàn)場調(diào)查

2.2 全景教學(xué)視頻和2D教學(xué)視頻

由于交互式VR操作實(shí)驗要求有專業(yè)的VR設(shè)備配套使用，這限制了虛擬實(shí)驗的應(yīng)用范圍，為此我們在交互式VR操作實(shí)驗項目中通過腳本控制虛擬全景攝像機(jī)制作了一系列全景教學(xué)視頻，并在交互式VR操作實(shí)驗的操作過程中錄制了一系列2D教學(xué)視頻。這些全景教學(xué)視頻和2D教學(xué)視頻都是圍繞實(shí)驗中涉及的知識點(diǎn)進(jìn)行講解，可以發(fā)布到教學(xué)平臺上供更多的同學(xué)進(jìn)行自學(xué)，也可以作為教學(xué)素材供教師在課堂上配合其它教學(xué)資料進(jìn)行教學(xué)。

圖2 可燃性氣體爆炸極限測定VR實(shí)驗過程

3 虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)實(shí)驗教學(xué)實(shí)踐

3.1 虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)實(shí)驗教學(xué)組織

本項目在教學(xué)中針對不同的受眾群體，設(shè)計了不同的教學(xué)方法[5-7]：

對于有條件進(jìn)行線下VR實(shí)驗的學(xué)生，VR技術(shù)能最大程度地還原爆炸過程，能建立多源信息融合、交互式的動態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，學(xué)生身臨其境，就像參與爆炸反應(yīng)的分子一樣能全程感受爆炸的起因、過程與防治。

經(jīng)過我校超過2000余名本科生和研究生的教學(xué)試用，教學(xué)效果良好。許多同學(xué)反映，通過實(shí)驗使他們對爆炸有了感性認(rèn)識，也增加了對相關(guān)動力學(xué)知識的理性認(rèn)識，而且對安全生產(chǎn)的重要性也有了進(jìn)一步的體會，使今后的學(xué)習(xí)和工作都受益匪淺。

在虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)實(shí)驗教學(xué)過程中，我們通過問卷的方式對參加VR實(shí)驗的應(yīng)用化學(xué)專業(yè)170名學(xué)生進(jìn)行了抽樣調(diào)查，共回收有效問卷164份，調(diào)查結(jié)果如下。

圖4為參加VR實(shí)驗的學(xué)生使用VR體驗和參加VR實(shí)驗教學(xué)次數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。有59.15%的學(xué)生是第一次體驗VR，31.71%的學(xué)生體驗過2到5次，只有不到10%的學(xué)生有過多次VR體驗；所有的學(xué)生都是第一次參加VR實(shí)驗教學(xué)。

圖3 本科學(xué)生體驗操作VR實(shí)驗

圖4 使用VR次數(shù)統(tǒng)計圖

圖5為參加VR實(shí)驗的學(xué)生對VR實(shí)驗教學(xué)效果滿意度和VR實(shí)驗對理解知識點(diǎn)的重要性統(tǒng)計結(jié)果。有61.59%的學(xué)生滿意度非常高，37.2%的學(xué)生滿意度高，只有1.22%的學(xué)生滿意度低；有39.63%的學(xué)生認(rèn)為VR實(shí)驗教學(xué)對理解知識點(diǎn)的重要性非常高，54.88%的學(xué)生認(rèn)為重要性高，只有5.49%的學(xué)生認(rèn)為不高。

圖5 VR實(shí)驗滿意度統(tǒng)計圖

此外，有98.78%的學(xué)生認(rèn)為VR實(shí)驗教學(xué)可以填補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)的空白，并且有79.27%的同學(xué)表示有興趣參與VR實(shí)驗的開發(fā)制作。

從上述調(diào)查結(jié)果可以看出，絕大部分學(xué)生都對VR技術(shù)接觸不多，而且都是初次參加VR實(shí)驗教學(xué)，絕大部分學(xué)生對VR實(shí)驗教學(xué)很滿意，并且認(rèn)為VR實(shí)驗教學(xué)對實(shí)驗原理及操作等知識點(diǎn)的理解和掌握很重要。除此之外，VR實(shí)驗還引起了大部分學(xué)生對參與VR實(shí)驗開發(fā)制作的興趣，值得鼓勵和支持。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗在物化實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用相對傳統(tǒng)實(shí)驗教學(xué)有不少優(yōu)勢，對物化實(shí)驗教學(xué)和學(xué)生動手能力培養(yǎng)都有很大幫助，是一種很好的補(bǔ)充[8]。雖然目前還存在一些困難，但隨著學(xué)校師資隊伍的培養(yǎng)壯大以及虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)交互技術(shù)的不斷發(fā)展完善，這些困難都正在得到緩解和解決。而且隨著5G時代的到來，虛擬現(xiàn)實(shí)與5G的結(jié)合將使VR實(shí)驗使用更方便、優(yōu)秀的教學(xué)資源更容易推廣普及。飛速發(fā)展的科技令人期待，教師和學(xué)生們需要學(xué)會合理利用優(yōu)質(zhì)資源，有效提高教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率，在教學(xué)過程中不斷學(xué)習(xí)、共同成長。