摘要：虚拟现实(VR)作为一种教育工具会令人感兴趣，因为它能够将学生带入其他方式无法进入的环境。然而，哪些学科最适合用虚拟现实，以及如何应用该技术以产生最大的效益都有待确定。为了探索这些问题，本研究基于虚拟现实的模拟帮助学生对一个化学生产设施进行安全和危险评估。该模拟是基于从一个实际的化工厂收集的照片和其他信息，155名学生被要求从详细的书面描述中分析设施的安全和危险，并评估虚拟现实模型。一半的学生被要求在运行模拟之前完成他们的安全分析，另一半学生则使用模拟来完成他们的安全分析。

1. 背景介绍

      当前，学生有讲座、阅读作业、家庭作业集、实验项目、视频以及互动多媒体等各种不同的学习机制。在所有这些机制中，最有效的往往是那些涉及亲身体验的机制。然而，亲身体验机制的危险性、昂贵性导致越来越多的学生更愿意在计算机实验室环境中学习。

      虚拟现实，即VR，是一种迅速兴起的计算机界面。十多年来，虚拟现实技术一直被认为是未来的发展趋势，但到目前为止，虚拟现实应用的普及还远远没有达到人们的预期。虚拟现实技术是指利用高科技手段创造一个虚拟空间，在这个空间中，可以使人有身临其境的感觉，也可以借助一定的设备将虚拟现实技术模拟出来体验。VR技术的沉浸性、互动性、想象力等特点使其广泛应用于各个领域，如航空、医学、教育等诸多领域。为提高这些教育模拟器的影响力和有效性提供了潜力。

      VR的主要目标是使用户完全沉漫在模拟中，并使相信他们是在计算机生成的环境中。就像不同的教学方法对不同的学生或多或少都有效果样，VR也有它最有效的某些应用。为了确定这些特定的应用，以及学习这种新技术的能力和如何最好地将其应用于教育任务，密歌根大学化学工程系目前正在开发一系列基于VR的教育模拟原型。本文介绍了其中一个模型，旨在帮助学生评估现代化工生产设施中的危险和安全系统。

       用于模拟的化工设施是一个试验工厂，用于从环氧乙烷、环氧丙烷、甘油、葡萄糖和其他材料中生产聚酷多元醇。存在的主要设备是一个搅拌罐反应器和两个反应后处理容器。厂内还有各种泵、过滤器、洗涤器和工艺监测设备。安全设施包括一个喷淋系统、灭火器、泄压系统、混凝土墙。

       开始模拟时，最初的视角是从空中俯瞰，向学生展示宏观的画面，然后再看具体细节。模型中的帮助系统为参与者提供了关于每个建筑物和物体的详细信息。学生通过用鼠标点击一个物体，或通过在键盘上输入"H"或"?"来激活帮助系统，用户使用操纵杆在模型中导航。模拟系统支持头戴式显示装置(HMD)，可供学生使用，但不是必须的。感兴趣的学生可以使用头戴式显示装置(HMD)，每个头戴式显示器内置了个头部追踪器，可以帮助学生快速导航。

2. 初步结果

      在进行化工厂安全和危险评估教育分析的同时，每个学生都被要求填写一份关于VR模拟的评价表。为保证收集资料的准确性，这些评价表上没有名字，采用匿名制，以减少学生的心理负担。然而，他们有参考号码，这将使我们能够将学生的反应与安全分析的表现联系起来。

       评价表主要有三个部分构成，分别是第一部分背景信息、第二部分排名和第三部分简答。在排名部分，学生们被要求按照从1(低，最差)到5(高，最好)的等级来评价模型的各个部分。

       图1显示了学生对模拟的整体价值的评价，包括现在的价值和项目完成后的潜在价值。大多数学生对目前的价值评价为中等至低，79%的受访者给出了2或3的排名。然而，82%的学生认为一旦模型完成，其潜在价值为4或5。

       图2显示了帮助系统的价值排名，同样是针对目前的实施和完成后的价值。与整体模拟的排名类似，81%的学生给目前的帮助系统的排名为3或3以下，而76%的学生将潜在价值排在4或5。

      下一组问题涉及使用头戴式显示器的好处。使用头戴式显示器可以产生更加身临其境的模拟，完全围绕着用户，从而大大增加了体验的可信度和影响。与其他形式的模拟相比，这种高度的沉浸感是虚拟现实的核心目标和焦点。此外，头部追踪器为用户提供了一种比单独使用操纵杆更自然的调整视角的手段。使用HMD的主要缺点是，与目前的显示器标准相比，HMD的分辨率较差。在本项目使用的HMD中几乎不可能读到任何东西，除非文本在虚拟世界中非常大，如STOP标志。使用HMD的学生调查问卷最后一个问题是“他们对该过程及其危险的理解增加了多少。结果是以2和3为中心的近乎完美的钟形曲线，如图4所示。请这种广泛的反应表明，某些学生会从虚拟现实所提供的高度视觉化的表现中受益匪浅，而另一些学生除了书面描述外几平没有收获。

3. 结论

       虚拟现实是一种非常直观的体验，对吸引视觉学习具有很重要的意义。目前应用结果表明当前主要问题是用户导航困难，这说明出需要加强对人机界面的关注，以及对相关文件和说明的改进。