摘要：为了解决工业特种设备教学中学生难以准确掌握相关知识的问题，提出将VR技术应用于工业特种设备实践教学。通过对VR+工业特种设备虚拟教学平台搭建的情况进行分析，探讨工业特种设备VR实验系统应用示例，并阐述VR+工业特种设备虚拟教学平台的优势，表明将VR技术应用于工业特种设备实践教学是可行的、有效的。

　　关键词：工业特种设备；VR技术；虚拟教学

　　VR技术即虚拟现实技术，随着科学技术的飞速发展，VR技术的应用已深入各个领域。在高校教学中，VR亦成为一种创新性的教学手段。VR技术可为高校学生提供沉浸式的学习环境，使学生能够更加深入地理解和掌握知识。通过模拟真实场景，学生可以在实践中学习，提高学习的趣味性和实效性。VR技术可以有效解决高校教学中的一些难点。对于一些难以理解的概念和模型，教师可以利用VR技术构建3D模型和动画等形式进行直观展示，帮助学生更好地理解。同时，VR技术还可以模拟一些难以在实际教学中实现的环境和场景，例如在对地震、火灾等紧急情况的处理的教学中，让学生进行模拟演练，提高学生的应对能力和安全意识。VR技术还可以促进高校之间的教学合作，通过VR技术，不同地区、不同学校的学生可以一起学习同一门课程，进行实时互动和交流，打破地域限制，实现优质教学资源共享。

　　VR技术在高校教学中的应用已取得一定的成果。在工业特种设备的教学中，部分工业特种设备内外部结构复杂，仅凭教材中的概念和模型图，学生不能很好地理解其构造。通过使用VR技术构建相应工业特种设备的3D模型，学生可对照模型进行知识的理解，显著提高学习效率和学习积极性。

　　一、工业特种设备教学与VR技术相结合的必要性

　　工业特种设备是一门综合性课程，强调工程的应用和多学科理论的结合。作为高等院校安全工程专业的一门选修课程，工业特种设备不仅要求学生掌握锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械等工业特种设备相关的理论知识，还要求学生结合生产实践去分析、检测、管理工业特种设备。因此，工业特种设备具有从理论性课程过渡到结合工程实际应用的设计性课程的特点，对学生未来走上工作岗位应用相关知识有重要作用和实际意义。

　　在工业特种设备的教学过程中，由于工业特种设备的特殊性，如高风险、高成本、强稀缺性等，学生很难有机会直接接触到这些设备，而仅靠文字和图片的描述，学生很难建立起对工业特种设备的感性认识，且由于无法直观地看到、触摸到设备，学生对设备的整体结构、工作原理和操作流程的理解仅停留在想象层面，难以准确掌握。在未来走上工作岗位之后，由于在学习中缺乏实物操作的机会，学生很难将在课堂上学到的理论知识应用到实践中去，难以快速适应工业特种设备操作和管理的需求。

　　面对这些挑战，教师需要探索更为有效的教学方法，如利用现代技术进行模拟教学。通过利用VR技术，学生可以在模拟环境中“操作”工业特种设备。这种教学方法不仅安全，而且可以使学生获得更直观的体验。太原科技大学安全与应急管理工程学院搭建了VR+应急指挥与演练实验室，可在该实验室已有设备的基础上，开发锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械等工业特种设备的VR模型，使学生通过佩戴头戴式显示器深入了解各类工业特种设备的内外部结构，显著加深对工业特种设备相关知识的掌握。

　　二、VR+工业特种设备虚拟教学平台的搭建

　　（一）已有的VR实验室设备

　　太原科技大学安全与应急管理工程学院的VR+应急指挥与演练实验室，是近年学校为推动教育现代化、培养安全与应急领域专业人才而建设的。该实验室拥有先进的VR设备，其中包括头戴式显示器、手柄控制器、运动捕捉设备、追踪器、大屏幕显示器等硬件设备。在硬件设备的支持下，学校构建了各类先进的VR软件平台，软硬件共同构成了一个完整的VR系统。其中，头戴式显示器能够为学生呈现出高度逼真的三维虚拟环境，让他们仿佛置身于真实的应急场景中；手柄控制器则允许学生在虚拟环境中进行各种操作，如开关阀门、操作设备等，增强了实践操作的真实感；运动捕捉设备和追踪器则能够精确捕捉学生的动作和位置信息，使他们在虚拟环境中的移动和互动更加自然和流畅；大屏幕显示器能将虚拟环境投影到更大的屏幕上，让更多学生观看到演练过程，增强了教学的互动性和观赏性，还有利于教师的指导和评估。

　　目前，VR+应急指挥与演练实验室已搭建了涵盖突发事件场景体验系统、化工类实验室安全预防与应急处理系统、化工厂安全训练系统、化工厂火灾逃生系统、煤矿事故分析与防治系统及地下矿井安全教育系统等在内的多套VR场景软件。这些软件能够模拟出各种真实的应急场景，让学生在虚拟环境中进行实时的指挥和演练。通过体验真实场景中的决策过程和行动方案，学生能够更加深入地理解和掌握相关知识和技能。

　　（二）工业特种设备VR实验系统的构建

　　利用太原科技大学安全与应急管理工程学院VR+应急指挥与演练实验室已有的硬件设备以及3Ds Max、Maya等三维建模软件，搭建锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械等工业特种设备的VR模型，按比例还原各类工业特种设备的零部件、连接方式及内外部结构，该VR模型被命名为工业特种设备VR实验系统。

　　通过工业特种设备VR实验系统还原工业特种设备的内外部结构，可为学生提供真实的视觉体验，还可以模拟设备的各种运行状态和故障情况，帮助学生更好地了解工业特种设备的性能和特点；通过工业特种设备VR实验系统模拟工业特种设备的操作过程，可以使学生在虚拟环境中进行设备的操作练习，熟悉设备的操作流程和注意事项，加深对工业特种设备的了解；通过工业特种设备VR实验系统模拟工业特种设备的拆卸、维修和组装过程，可使学生了解设备的内部结构和维护要点，提高维护效率和准确性；通过工业特种设备VR实验系统模拟工业特种设备的事故应急演练，可在虚拟环境中模拟各种事故场景，让学生了解工业特种设备事故的危害和应对措施，提高安全意识和应急处理能力。

　　三、工业特种设备VR实验系统应用示例

　　第一，工业特种设备VR实验系统应用前期准备。佩戴头戴式显示器和手柄控制器，打开软件，呈现在眼前的即是三维立体锅炉模型，学生可以自由移动视角，从不同角度和距离观察锅炉构造。

　　第二，深入了解锅炉的内部结构。打开工业特种设备VR实验系统的透视功能，学生可以清晰地看到锅炉内部的炉膛、燃烧器、水冷壁、过热器等关键零部件的形状、尺寸及其相互之间的位置关系。同时，点击各个零部件，即可显示此部件的详细信息，包括名称、功能、工作原理及其相互之间的关联。这些信息通过文字、图像或视频等形式展示，让学生更全面、准确地了解锅炉的内部构造和运行机制。

　　第三，探索锅炉的零部件及连接方式。工业特种设备VR实验系统可以逐层拆解锅炉，从外部到内部，从大到小，逐一展示每一个零部件。在此过程中，学生可以观察每个零部件的形状、材质、制造工艺及其作用方式。同时，工业特种设备VR实验系统还可以详细展示零部件之间的连接方式，如焊接、螺栓连接等，使学生了解其优缺点，以及在实际操作中的注意事项。

　　第四，信息交互。学生可以点击模型中的任意零部件，获取其详细信息和数据，如尺寸、材质、工作参数等；还可以模拟操作过程，如调整燃烧器的火焰大小、更换零部件等，以加深对锅炉的了解。

　　第五，工业特种设备运行模拟。工业特种设备VR实验系统可以模拟锅炉在不同工作条件下的运行状态和性能。

　　第六，操作及突发状况模拟。工业特种设备VR实验系统可以使学生在虚拟环境中进行锅炉的操作练习和应急演练。

　　也就是说，在工业特种设备VR实验系统中，学生不仅可以观察到锅炉的各个部件，了解它们之间的关系和工作方式，还可以模拟锅炉的运行过程，展示水循环、蒸汽产生、热能转换等关键步骤。这种全新的学习方式不仅可以提高学生的专业素养和技能水平，还有助于培养他们的空间想象能力和创新能力。学生在虚拟环境中进行实践操作，模拟处理各种可能出现的问题，从而提高解决实际问题的能力，为未来的职业发展打下坚实的基础。

　　四、VR+工业特种设备虚拟教学平台的优势

　　工业特种设备VR实验系统采用前沿的VR技术，为学生提供了一种全新的视角和方式来深入了解锅炉的复杂结构和精细部件。工业特种设备VR实验系统的应用不仅可以改变传统的学习方式，还能极大地提升学生的学习效果和学习兴趣。传统的锅炉教学往往依赖于教材和PPT展示，但这些方式往往受限于物理条件和资源限制，无法全面、深入地展示锅炉的内部结构和工作原理。工业特种设备VR实验系统则打破了这些限制，通过高度逼真的虚拟环境，让学生可以自由地观察、探索和学习。此外，工业特种设备VR实验系统还具有高度的灵活性和可扩展性。教师可以根据教学需要，随时调整虚拟场景和实验内容，以适应不同学生的学习需求。同时，工业特种设备VR实验系统还可以与其他教育技术和资源进行整合，形成更加丰富、多元的教学体系。具体而言，和传统的教学模式相比，虚拟教学平台具有三点优势。

　　第一，可视化。将抽象的概念和理论转化为直观的图像、动画或模型，有助于学生更好地理解和掌握知识。通过图像和动画的展示，加深学生对知识点的理解和记忆，激发学生的学习兴趣和学习积极性。相比传统的文字描述和讲解，可视化内容更加生动有趣，能够吸引学生的注意力，使他们更加专注于学习。第二，安全性高。在传统教学模式中，工业特种设备操作实践伴随着一定的安全风险；在虚拟环境中，学生可以进行各种实验操作，而无须担心因操作失误导致的安全风险。此外，虚拟教学平台还可以模拟各种复杂和危险的场景，让学生在安全的环境中进行应对和演练。这对学生的应急处理能力和安全意识培养具有重要意义。第三，成本低。虚拟教学平台有效地降低了实践成本。对于工业特种设备教学而言，采用传统方式进行教学实践需要大量的设备购置和维护费用，而在已有虚拟设备的基础上搭建新课程的虚拟教学平台费用显著降低。

　　综上所述，针对工业特种设备教学中暴露的问题，可将VR技术引入工业特种设备教学，强化学生对知识的掌握。通过对VR+工业特种设备虚拟教学平台搭建情况的分析可知，在已有硬件设备和软件的基础上，可便捷地搭建涵盖锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械等在内的VR+工业特种设备虚拟教学平台。通过应用示例可知，VR+工业特种设备虚拟教学平台的应用不仅可以提高学生的专业素养和技能水平，还有助于培养他们的空间想象能力和创新能力。此外，通过对VR+工业特种设备虚拟教学平台和传统实践教学模式进行对比分析可知，前者更具有可视化、安全性高和低成本等优势。对VR技术在工业特种设备实践教学中的应用进行多方面的探讨，以期推动工业特种设备教学的进一步发展。

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