虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在高?；そ虒W(xué)中的應(yīng)用

賈 菲

（長春工業(yè)大學(xué)，吉林長春 130012）

高?；I(yè)是培養(yǎng)具有扎實(shí)化工基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)踐能力、掌握現(xiàn)代化工生產(chǎn)技術(shù)和管理方法、熟悉國內(nèi)外化工發(fā)展動(dòng)態(tài)、了解我國化工生產(chǎn)現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)、具有創(chuàng)新精神和開拓進(jìn)取意識(shí)的高素質(zhì)應(yīng)用型人才[1]。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，我國化工行業(yè)的市場(chǎng)需求日益增長，對(duì)化工人才的需求也越來越大。這對(duì)高?；そ虒W(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。在新時(shí)代背景下，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)給高?；そ虒W(xué)的改革帶來了新的契機(jī)，它為學(xué)生提供一個(gè)全新的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也為學(xué)生提供一個(gè)更加廣闊的發(fā)展空間，可以幫助學(xué)生拓寬視野，豐富知識(shí)，開闊思維，提高綜合素質(zhì)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)對(duì)我國高等教育產(chǎn)生更加積極的影響。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本理論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種新興的信息技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，它以計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合人類視覺特性，通過控制設(shè)備和傳感器采集數(shù)據(jù)，再運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行處理，最終形成逼真的三維立體效果[2]。在三維建模中，最重要的就是對(duì)物體的細(xì)節(jié)進(jìn)行還原，這樣才能真實(shí)地反映出物體的外觀。因此，三維建模的核心就是對(duì)物體的細(xì)節(jié)進(jìn)行還原，以便更好地理解它們。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括三個(gè)基本要素：計(jì)算機(jī)視覺、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和混合現(xiàn)實(shí)。計(jì)算機(jī)視覺是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心，它可以讓用戶通過視覺獲取信息，并將信息轉(zhuǎn)化為動(dòng)作。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要組成部分，它可以讓用戶體驗(yàn)虛擬世界的真實(shí)感受。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為一種新興的交互方式，并逐漸滲透到各行各業(yè)。近年來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入，在促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、提高學(xué)生綜合素質(zhì)等方面發(fā)揮著越來越重要的作用?；旌犀F(xiàn)實(shí)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，通過光學(xué)、電子特性及其他技術(shù)制造出一個(gè)三維空間的虛擬世界?；旌犀F(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)是可以同時(shí)顯示三維和二維的畫面，并且具有交互功能。在這個(gè)虛擬世界里，人們可以進(jìn)行各種各樣的活動(dòng)，包括購物、娛樂、教育、醫(yī)療等。隨著5G 時(shí)代的到來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將成為未來人們生活中不可或缺的一部分。

在教學(xué)實(shí)踐中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)視覺、語音識(shí)別、自然語言處理等為基礎(chǔ)，通過對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬環(huán)境的操作。它可以讓學(xué)生在課堂上獲得更好的體驗(yàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。其目的是讓學(xué)生通過視覺、聽覺、觸覺等感官來獲取知識(shí)，從而達(dá)到提高學(xué)習(xí)效率的目的，使得學(xué)生在課堂上更加投入，更加專注[3]。另外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，如果學(xué)生能夠熟練掌握這項(xiàng)技術(shù)，就可以在課堂上發(fā)揮自己的聰明才智，將課堂上學(xué)到的知識(shí)靈活運(yùn)用到實(shí)際生活中，不僅可以提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，還可以為以后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高?；そ虒W(xué)中應(yīng)用的積極作用

2.1 使學(xué)生更好地理解化工原理，掌握基本操作技能

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以利用高度逼真的三維場(chǎng)景模擬真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境，將化工原理與仿真技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)化工過程的模擬、演示、仿真、分析、評(píng)價(jià)等功能。同時(shí)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以了解化工原理的發(fā)展歷程，了解化工生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵設(shè)備、操作規(guī)程等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力。此外，高校化工教學(xué)課程中還有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程，如化學(xué)反應(yīng)工程、催化化學(xué)、分析化學(xué)、環(huán)境保護(hù)等，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)這些課程進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，可以幫助學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率。并且，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以使學(xué)生了解化工生產(chǎn)過程中的各種設(shè)備、儀器、工藝流程、操作規(guī)程等，使得學(xué)生能夠在實(shí)際操作中熟練掌握化工生產(chǎn)的相關(guān)知識(shí)和基本技能，從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，提高實(shí)踐操作技能

高?；ふn程是以化學(xué)工程與技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際設(shè)置的一門綜合性課程，并且其中融入了生產(chǎn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的方式掌握化工原理、化工設(shè)計(jì)、化工過程控制、化工安全生產(chǎn)等知識(shí)。因此，高校化工教學(xué)中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行化工原理、化工設(shè)計(jì)、化工過程控制、化工安全生產(chǎn)等知識(shí)的培訓(xùn)，是一種有效的教學(xué)手段[4]。在教學(xué)過程中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用，使學(xué)生能夠更好地理解化工知識(shí)，掌握基本的化工技術(shù)，并能夠在實(shí)踐操作中加深理解。這種新型的教學(xué)模式，不僅提高了教學(xué)效率，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)⒒瘜W(xué)課堂變成一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生親身體驗(yàn)化學(xué)反應(yīng)的過程，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

2.3 拓寬學(xué)生視野，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)

高?；そ虒W(xué)中涉及的各種專業(yè)知識(shí)，如物理化學(xué)、生物化學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、工程力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等都與化工相關(guān)，這些學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和技能是化工人才必須掌握的。在教學(xué)過程中，要求學(xué)生掌握化工專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題、解決問題的能力。在這種情況下，高校化工教學(xué)可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，讓學(xué)生更好地了解化工生產(chǎn)過程、了解化工原理，更加直觀地感受科學(xué)知識(shí)的魅力。同時(shí)，高校化工教學(xué)可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將化工實(shí)驗(yàn)室搬到虛擬世界中，讓學(xué)生在真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行操作，體驗(yàn)化工生產(chǎn)的過程，更好地理解化工知識(shí)。此外，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以讓學(xué)生了解各種化工原理，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力。

2.4 滿足學(xué)生的多樣化需求，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的提高

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高?；そ虒W(xué)中的應(yīng)用日益廣泛，并逐漸成為一門新興的交叉學(xué)科。在高?；そ虒W(xué)中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程的可視化、交互式、互動(dòng)式，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。并且，在教學(xué)過程中采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的可視化、可交互、可操作。同時(shí)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，可以有效地改善傳統(tǒng)教學(xué)模式中存在的問題，提高教學(xué)效率，對(duì)于高?；W(xué)科的發(fā)展具有重要意義。另外，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開發(fā)出一系列適合高?；瘜W(xué)專業(yè)學(xué)生的虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件，包括虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)室資源共享平臺(tái)、虛擬實(shí)驗(yàn)室教學(xué)平臺(tái)等。這些軟件可以滿足不同層次、不同水平的學(xué)生需求，并且具有良好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。

2.5 增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的求知欲

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠展現(xiàn)化工生產(chǎn)過程中的物理、化學(xué)、機(jī)械、電氣、環(huán)境等方面的信息，以及工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作規(guī)程、生產(chǎn)工藝、工藝參數(shù)等，深刻還原生產(chǎn)過程的真實(shí)情況。并且，高校化工教學(xué)內(nèi)容中涉及的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、儀器使用等環(huán)節(jié)中的“合作”元素，以及化工專業(yè)課程中的“合作”元素[5]。這些元素可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行呈現(xiàn)，也可以通過其他方式進(jìn)行呈現(xiàn)。在課堂上，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬真實(shí)的工作環(huán)境，使學(xué)生更直觀地了解各種生產(chǎn)過程，從而提高學(xué)生的動(dòng)手能力，能夠?qū)⒒?、材料、機(jī)械等專業(yè)知識(shí)融入實(shí)際生產(chǎn)中，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的同時(shí)掌握一定的實(shí)踐技能。此外，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過多媒體技術(shù)，使學(xué)生在真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并在操作過程中，學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)，并且能夠獨(dú)立思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高?；そ虒W(xué)中應(yīng)用策略

3.1 建設(shè)虛擬化工實(shí)驗(yàn)室

虛擬化工實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該是一個(gè)開放的、共享的、多學(xué)科交叉的綜合性實(shí)驗(yàn)室，其功能包括教學(xué)、科研、生產(chǎn)、管理等多個(gè)方面，而不僅僅是單一的技術(shù)支撐。這樣的實(shí)驗(yàn)室，可以有效解決虛擬化工實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中存在的問題，提高虛擬化工實(shí)驗(yàn)室的整體水平。在這種情況下，高?；?shí)驗(yàn)室要充分利用現(xiàn)有的設(shè)備，采用先進(jìn)的技術(shù)手段，開展虛擬化工實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行虛擬化工實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，包括虛擬化工仿真系統(tǒng)、虛擬工作環(huán)境、虛擬工作平臺(tái)等。這些都是虛擬化工實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分。在現(xiàn)有的化工專業(yè)教學(xué)資源基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制作虛擬化工實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)，開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬化工實(shí)驗(yàn)室的功能。并建立虛擬化工實(shí)驗(yàn)室的基本框架，包括實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)施、軟件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、教學(xué)資源等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際需求，開發(fā)相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用系統(tǒng)，并將其作為學(xué)生的“第二課堂”進(jìn)行教學(xué)。這種方式可以有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的弊端，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。同時(shí)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)，使學(xué)生在家就可以接受高質(zhì)量的教學(xué)服務(wù)。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是未來教育信息化的發(fā)展方向。虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不僅可以提高教學(xué)效率，而且可以促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3.2 利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)

化工實(shí)驗(yàn)包含實(shí)驗(yàn)和演示兩個(gè)環(huán)節(jié)。其中，實(shí)驗(yàn)是最基本的環(huán)節(jié)，演示是最重要的環(huán)節(jié)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，模擬真實(shí)的工作環(huán)境，體驗(yàn)化工生產(chǎn)過程[6]。因此，在化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以直觀地觀察到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中的物理過程，了解各種工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，學(xué)習(xí)如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。同時(shí)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生還可以與其他專業(yè)的學(xué)生一起合作，共同探討化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的問題，提高學(xué)生的化工實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。并且，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以直觀地觀察到現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中的物理過程，了解化工原理，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。同時(shí)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以使學(xué)生更好地理解化工原理，掌握相關(guān)知識(shí)，將學(xué)生從枯燥的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中解放出來，真正做到寓教于樂。

3.3 制作三維網(wǎng)絡(luò)課件

三維網(wǎng)絡(luò)課件是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)制作的一種新型的教學(xué)模式。它的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段提高教學(xué)效率，減輕學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。同時(shí)，它也是一種創(chuàng)新型的教學(xué)模式，對(duì)促進(jìn)我國高等教育事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。因此，高?；そ虒W(xué)的教學(xué)模式由傳統(tǒng)的單一理論教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗝襟w教學(xué)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作三維網(wǎng)絡(luò)課件，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作的化工實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，可以讓學(xué)生通過虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡觀看教學(xué)內(nèi)容，還可以進(jìn)行操作練習(xí)，這樣既提高了教學(xué)效率，又增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)化工知識(shí)的理解。此外，還可以在三維網(wǎng)絡(luò)課件中加入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD），通過三維模型建立虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，并將虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的動(dòng)態(tài)仿真，從而提高教學(xué)效果。

3.4 結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)培訓(xùn)

化工教學(xué)中利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過多媒體技術(shù)，將教學(xué)內(nèi)容、課程安排、考核方式、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等信息實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，學(xué)生可以隨時(shí)查看課程進(jìn)度，及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)狀態(tài)，提高學(xué)習(xí)效率。同時(shí)，通過多媒體教學(xué)平臺(tái)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生在真實(shí)的環(huán)境中學(xué)習(xí)和操作。這種虛擬實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)是可以模擬真實(shí)的物理、化學(xué)、生物等實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且具有良好的可重復(fù)性和互動(dòng)性。它是一種新型的教學(xué)設(shè)備，可以讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作。另外。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以建立以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，通過多媒體技術(shù)，建立虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)學(xué)生的反饋信息，及時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容，提高教學(xué)效率。

4 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在高?；そ虒W(xué)中的應(yīng)用是未來發(fā)展的趨勢(shì)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓學(xué)生在課堂上獲得身臨其境的感覺，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。同時(shí)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生能夠更好地理解知識(shí)，并且能夠更好地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)是一個(gè)長期的過程，這種技術(shù)也將成為未來教育的重要組成部分。