刘铭+熊金钰
摘 要：水煤浆实验是高校煤化工教学的重要组成部分。是高校学生科研思维养成的重要实验平台。传统实验教学过于教条，不利于学生创新思维的养成，虚拟现实技术灵活应用于高校实验教学打破了传统实验教学模式，为学生实验提供了新的途径。在此背景下，该文深入分析传统实验教学和虚拟现实实验教学的利弊，为促进个性化、数字化教学，结合传统教学方式，发挥虚拟现实教学的作用，提供建议和方法。
关键词：虚拟现实 水煤浆实验 应用探索
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：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 實验背景
虚拟现实技术[1-3]（简称VR）是通过集成计算机仿真技术、图形技术、传感技术、人工智能等，将三维的现实环境用二维的形式表现出来，构造出逼真的人工模拟环境，使参与者获得与现实一样的感觉，并能有效地模拟人在自然环境中的各种感知的高级的人机交互技术。通过视、听、触觉等作用于使用者，对使用者的控制行为做出动态的交互反应[4-5]。可以说人处在虚拟环境之中跟现实环境是没有差别的。虚拟现实的本质是人与计算机的通信技术，它几乎可以支持任何人类活动，适用领域较为广泛。
水煤浆实验是高校化学工程与工艺煤化工方向和精细化工方向实验教学的重要组成。水煤浆是由一定粒度的煤样、水、添加剂组成的多元粗分散体系浆体。该实验影响因素多[6-7]，传统实验教法遵循单一变量原则，面向精细化工学生，通过固定制浆用煤及粒度，考察添加剂种类对浆体性能的影响；面向煤化工学生，通过固定制浆用添加剂及煤样粒度，考察不同煤质对浆体性能的影响。通过简化实验，让学生初步了解水煤浆是什么，性能如何。但是，水煤浆制备过程中受煤样粒度、煤质、搅拌方法、添加剂种类等等因素共同影响，传统的实验方法严重束缚学生创新思维的培养，然而，课时限制、实验条件限制，使得水煤浆制备及性能测试实验显得没有技术含量，无法提高学生兴趣。虚拟现实技术可为学生的创新思想提供安全、便捷的模拟平台，为学科全面发展提供重要支撑。
2 传统水煤浆实验教学设计
2.1 实验准备
教师提前准备实验用的相关玻璃仪器、实验设备。将煤样A和B磨制至符合水煤浆制备要求，并测试煤中内水含量，通过实验确定制浆最佳搅拌特性，采用GN和CW两种添加剂分别测试出两种煤样制浆所需适宜添加量以及制得浆体的最高成浆浓度。
将学生分成6组，每组5～6人，提前预习实验内容，因实验过程涉及高速搅拌步骤，故将女生平均分至各组（长发女生必须将头发盘起，以免发生意外）。
2.2 实验教学内容安排
面对不同专业方向学生实验内容有所差异，煤化工方向学生采用一种添加剂GN分别制备煤样A和煤样B水煤浆，重点考察煤质差异对浆体性能的影响；精细化工方向学生采用一种煤样A分别与添加剂GN和添加剂CW进行制浆，重点分析添加剂的差异对浆体性能的影响。
2.3 实验过程
由教师以任一煤样、任一添加剂先行演示水煤浆制备过程，并将制得浆体的流动性、表观黏度、稳定性等浆体性能测试方法进行演示与讲解。
由学生自由选择实验教师提供的实验内容，每组不同。学生自行计算出实验所添加的添加剂和水的体积，由教师核对无误后方可进行实验。
学生详细记录实验现象实验结果，对实验结果进行初步分析，实验偏差较大的组需进行误差分析，最后写入实验报告。
2.4 传统实验教学的利弊分析endprint
传统实验教学实验目的明确，有利于学生对相关知识的掌握；实验方法明晰，有利于学生安全顺利进行实验操作，达到实验目标；实验课时短，能在较短课时内高效完成整个实验流程；实验成本少，有效避免实验方法不当造成的药品浪费现象。
然而传统实验教学普遍存在理论验证性过强，单纯为了验证某个理论开设实验，忽视了不同实验课之间、实验课与理论课之间知识结构之间的关联，不能有效提高学生的创新意识，局限了学生主观能动性的发挥，从而导致实验课毫无活力、实验报告千篇一律。
3 虚拟现实实验教学
3.1 虚拟现实实验教学设计
实验管理。由学生管理、教师管理、仪器管理和学生成绩管理等组成，学生用学号注册登录后可浏览水煤浆实验的详细资料，包括实验目的及原理、操作步骤和注意事项等。教师管理方面，可对实验内容添加、修改、整理、删除。批改实验报告提交实验教学档案、与学生进行讨论。仪器管理方面，对搅拌器、粘度计等虚拟仪器上传以便实验使用。
虚拟实验。学生在虚拟的实验场景中以鼠标为主要交互手段进行仿真实验，虚拟实验中，采用建模方式实现与现实的三维空间基本一致，让学生在身临其境的虚拟场景中进行实验。教师通过设定不同粒度、不同煤质、不同添加剂作为实验原料，实验要求制备65%以上浓度水煤浆，稳定性及表观黏度达到国标一级水煤浆标准，不再为学生设定特定实验方案，学生在查阅资料后可按照自己的想法进行虚拟实验。
实验答疑与交流。学生在实验预习时有不理解的，有独特想法的可向实验师进行提问。虚拟实验进行过程中，可寻求老师或同学的帮助从而顺利完成实验。实验结束后对实验结果可进行线上讨论，有新的想法可向实验教师申请再次实验。实驗教师可借此平台了解学生对实验的掌握程度，从而及时调整教学目标。学生可以全程作为实验主导者，为学生主观能动性的最大发挥提供了可能，提高了学习兴趣和学习效率。
3.2 虚拟现实实验教学的优劣分析
虚拟现实实验教学作为新时期计算机人机互动的新鲜事物，全新的实验方式为高校实验课程带来了全新的理念，相较于传统实验，其具备以下优点。
（1）学生作为学习主体，不再一成不变的验证实验，有利于学生的创新思维培养。
（2）实验过程更加安全、环保。虚拟现实实验实现了人与实物的完全分离，可有效避免实验操作不当给学生带来的伤害，避免了人体与化学试剂直接接触，避免了“三废”的产生。
（3）实验时间更灵活。学生只要不拘泥于传统实验课堂，可不受外界环境限制，有时间就可以自行去虚拟现实实验机房进行实验。
（4）实验教师无需准备各种实验原料，缩短了实验准备时间。
然而该实验方法在全面推广中面临以下问题。
（1）实验人员的培养。虚拟现实实验教学对实验师提出了更高的要求，需要实验师具备一定的计算机技术。
（2）实验周期更长。学生无需按照传统实验方案进行实验，这就会出现多种实验方法，实验可能会反复进行多次，需要学生投入更多的时间进行学习和操作，也需要实验教师为学生提供更多的实验支持。
（3）实验技能培养的缺失。虚拟现实实验完全让学生与实验仪器试剂隔离开，不利于基本实验技能的养成。
4 结语
虚拟现实技术应用于高校实验教学，为学生创新思维与现实之间搭起了桥梁，为高校实验教学带来了新活力，开辟了新的方式。该技术赋予高校水煤浆制备实验更多的可能，为现代煤化工人才的培养、煤化工技术水平的提高提供了重要的技术支撑。虽然虚拟现实实验平台为学生提供了全方位的真实模拟情境，但虚拟现实毕竟与实际操作有所差距，实验结果还需实际动手操作进行验证，学生实际动手能力的培养不可忽视。虚拟现实实验教学可以作为辅助实验教学，在实验教学中可占据一定比例但不可完全替代，与传统实验教学有机结合方可使高校实验教学在学生培养中实现功效最大化。
参考文献
[1]张雪.虚拟现实技术在化学实验教学中的应用探究[J].科技风，2017（13）：28.
[2]孙苗，兰晓红.虚拟现实技术在高校实验课堂教学中的应用研究——以重庆师范大学为例[J].物联网技术，2017（3）：117-120.
[3]齐巨慧.虚拟现实技术在实验教学中的应用研究[J].电脑知识与技术，2016（25）：133-134.
[4]鞠露.虚拟现实技术及其在高校化工教学中的应用[J].化工管理，2016（1）：125.
[5]韩阳.计算机虚拟现实技术在高校教学中的应用[J].电子制作，2015（10）：134.
[6]荣俊锋，陈明功.煤化工专业实践教学改革浅析[J].淮南职业技术学院学报，2014（2）：82-84.
[7]李国斌.煤化工实验教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2000（4）：20-21，24.endprint
