VR 技術(shù)在燃燒合成粉體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李家科 劉 欣 王艷香 范學(xué)運(yùn) 郭平春

（景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

0 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）簡稱VR，是一門綜合計(jì)算機(jī)、多媒體、傳感以及人工智能等多項(xiàng)技術(shù)形成的綜合性技術(shù)， 是20 世紀(jì)中后期發(fā)展起來的一項(xiàng)新的視覺仿真技術(shù)， 具有較強(qiáng)的交互性和沉浸感[1，2]。 目前，VR 技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到許多領(lǐng)域，如航天、醫(yī)療、駕駛、娛樂、商業(yè)等。 將其引入教育領(lǐng)域特別是實(shí)踐課程的教學(xué)中， 一方面可以促進(jìn)教育現(xiàn)代化進(jìn)程，適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展需求[3]；另一方面可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，獲得比傳統(tǒng)教學(xué)手段更好的教學(xué)效果。 同時(shí)還能夠資源共享，提高實(shí)驗(yàn)資源的利用率。 特別是在一些具有潛在危害性的實(shí)踐課程引入VR 技術(shù)，具有很好的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值[4]。

1 燃燒合成粉體實(shí)驗(yàn)存在的問題

燃燒合成（Combustion Synthesis，CS），又稱自蔓延高溫合成，是一種利用化學(xué)反應(yīng)的自身放熱使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行的合成方法， 具有制備工藝簡單、 無須貴重設(shè)備、合成時(shí)間短、合成粉體性能優(yōu)異等特點(diǎn)[5]。 采用該方法可以合成陶瓷粉體、色料、復(fù)合材料和涂層等。 因此，這種合成技術(shù)是景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)和其他高校實(shí)驗(yàn)課程（驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新性）的重要組成部分。 采用燃燒法合成超細(xì)粉體是我校材料類專業(yè)學(xué)生必修的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過改變?nèi)紵铣蓪?shí)驗(yàn)參數(shù)，可以獲得不同形貌、不同性能的粉體。

然而，由于燃燒合成過程具有反應(yīng)劇烈、易爆、放熱量大、反應(yīng)迅速等特性[6]，為了保證安全，在實(shí)驗(yàn)過程中，操作者需要佩戴防護(hù)（防爆）眼鏡和手套等設(shè)備，加之反應(yīng)時(shí)間較短（僅僅幾秒鐘）和學(xué)生帶有恐懼心理等，所以實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果并不理想。 因此，探尋燃燒合成實(shí)驗(yàn)新方法是各大高校亟待解決的問題。

2 VR 技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢

VR 是當(dāng)前最熱門的信息技術(shù)之一， 是教育現(xiàn)代化的首選技術(shù)，它運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的接近真實(shí)的三維虛擬環(huán)境，使用戶可以獲得身臨其境的感覺，從而構(gòu)建起對于現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)知，具有良好的應(yīng)用前景[7]。目前，VR 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，醫(yī)學(xué)家們利用計(jì)算機(jī)，在虛擬空間中模擬出人體組織和器官，讓學(xué)生進(jìn)行操作，便于提高學(xué)生的動(dòng)手能力并快速掌握手術(shù)要領(lǐng)。 在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)師可以將自己的想法通過VR 模擬出來， 在虛擬環(huán)境中看到設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，既節(jié)省了時(shí)間，又降低了成本。 在航天領(lǐng)域，利用VR 技術(shù)，可以在虛擬空間重現(xiàn)航天飛船與飛行環(huán)境， 使飛行員在其中進(jìn)行飛行訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)操作，極大地降低經(jīng)費(fèi)并減小危險(xiǎn)系數(shù)。 此外，VR 還在娛樂、軍事、教育等方面得到廣泛應(yīng)用。

將VR 技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)， 具有以下幾大優(yōu)勢[8-10]：（1）彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的不足。 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要存在問題包括危險(xiǎn)化學(xué)品的使用、高溫高壓設(shè)備的運(yùn)用、強(qiáng)磁強(qiáng)電場環(huán)境等對實(shí)驗(yàn)者具有潛在危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目； 另外還有些技術(shù)含量高、 大型或特大型、高精密度的儀器設(shè)備，這類儀器設(shè)備具有使用成本高的特點(diǎn)。 因此，在實(shí)際教學(xué)過程中，各高校均有意減少這類高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使得教學(xué)效果受到影響。（2）創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方式。相對于理論教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新性稍顯落后。 VR 技術(shù)能夠全程演示實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)操作過程，并允許試錯(cuò)和反復(fù)操作，不受時(shí)空的限制， 可以在時(shí)間和空間維度上拓展實(shí)驗(yàn)者的操作技能、熟悉實(shí)驗(yàn)的操作步驟，在虛擬環(huán)境下完成操作技能的學(xué)習(xí)，進(jìn)而提高教學(xué)效果。（3）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高其創(chuàng)新能力。 新技術(shù)的應(yīng)用， 會使學(xué)生產(chǎn)生新奇感，進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。利用VR 可以創(chuàng)建不同的情境模式，如體驗(yàn)式、探索式、想象式等，可以在多種實(shí)踐模式下引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐，發(fā)展思維，便于提高其創(chuàng)新能力。 在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生具有充分的實(shí)驗(yàn)自主權(quán)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種現(xiàn)實(shí)中不可視、不可摸、不可入、高危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)以及想象的實(shí)驗(yàn)場景和科研對象， 對傳統(tǒng)的實(shí)踐性教學(xué)來說可謂一次巨大變革。

3 VR 技術(shù)在燃燒合成粉體實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用思路

燃燒合成粉體實(shí)驗(yàn)大致可分為三個(gè)部分：前驅(qū)體溶液的配制、前驅(qū)體溶液的燒成（即燃燒過程）、后期保溫階段（約10 min）。 在前驅(qū)體溶液的配制階段中若對試樣沒有特殊要求，其操作性較強(qiáng)，危險(xiǎn)系數(shù)較小。但前驅(qū)體溶液的燒成階段卻具有較高危險(xiǎn)性，其一， 前驅(qū)體溶液需要放置于升溫至一定溫度的高溫爐中（一般高于 300 ℃，有時(shí)甚至高達(dá) 600～700 ℃）。其二，溶液置于爐中的瞬間便發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)，該反應(yīng)劇烈且迅速。 因此，學(xué)生在進(jìn)行這部分實(shí)驗(yàn)時(shí)往往帶有較重的恐懼心理， 操作時(shí)易產(chǎn)生心慌手抖的現(xiàn)象，造成溶液潑濺、容器破碎，甚至?xí)齻僮髡叩葘?shí)驗(yàn)事故，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果不理想。 實(shí)驗(yàn)的第三部分即保溫階段，此時(shí)爐門已關(guān)閉，里面發(fā)生的反應(yīng)和現(xiàn)象無法觀察與掌握。 此外，該實(shí)驗(yàn)中盛裝溶液的容器由于要經(jīng)受急冷急熱，極易破損，增加了實(shí)驗(yàn)成本。

因此，基于VR 技術(shù)的優(yōu)勢，在燃燒合成粉體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以運(yùn)用該技術(shù)替代上述實(shí)驗(yàn)過程中具有潛在危害性、操作條件苛刻的部分內(nèi)容，即可以在實(shí)驗(yàn)的后兩個(gè)階段應(yīng)用VR 技術(shù)， 該VR 平臺的構(gòu)成主要包括[11]：（1）標(biāo)準(zhǔn)化 VR 系統(tǒng) 1 套。主要由 VR 軟件、交互系統(tǒng)及投影顯示系統(tǒng)等部件構(gòu)成， 可以為用戶提供良好的交互性和沉浸感。 （2）VR-Touch 平臺 1 套。通過該平臺可交互操作顯示單元及多人協(xié)同虛擬引擎技術(shù)，使虛擬場景可以非常方便地呈現(xiàn)在不同的顯示應(yīng)用環(huán)境中。 （3）VR 仿真軟件系統(tǒng) 1 套。 該仿真軟件包括前驅(qū)體溶液的放置到高溫環(huán)境、燃燒反應(yīng)及保溫階段3 個(gè)虛擬仿真模塊。 燃燒合成粉體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開發(fā)旨在讓學(xué)生熟練掌握前驅(qū)體溶液如何安全、準(zhǔn)確地放置在高溫環(huán)境中以及對燃燒過程和保溫階段發(fā)生的反應(yīng)有清晰的認(rèn)知，彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作的不足，從而有效提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量。

4 總結(jié)與展望

實(shí)踐性教學(xué)是高校教學(xué)的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的主要方式，VR 技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用為高校實(shí)踐性教學(xué)的改革提供了良好機(jī)遇。 將VR 技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)特別是一些具有潛在危害性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，不僅創(chuàng)新了教學(xué)手段，解決了實(shí)踐教學(xué)方式單一的缺憾，還能夠改善學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓學(xué)生通過沉浸、交互的方式，身臨其境卻又毫無危險(xiǎn)地操作實(shí)驗(yàn)，便于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)習(xí)效果。 同時(shí)開發(fā)的VR 實(shí)驗(yàn)平臺可供其他專業(yè)或高校借鑒、學(xué)習(xí)，提高實(shí)驗(yàn)資源的利用率。