環境工程實驗中引入VR技術的必要性分析

高春梅 邢云青 冀世鋒 儲鳴

[摘 要] 虛擬現實技術的發展對現有教學方式、教學內容等是一種顛覆性突破，在環境工程實驗中引入虛擬現實技術，可以使學生近距離模擬及了解相關處理對象的產生、物質形態、處理及處置過程，也可以從視覺、聽覺、觸覺等幾個方面理解工藝過程，實現感性認知的提升。同時，結合傳統實驗教學方式，發揮各自優勢，全面調動學生的學習興趣和熱情，激發創新能力，對工科專業的學生來說也可以提高其工程應用能力。

[關鍵詞] 虛擬現實技術;環境工程實驗;課程融合;必要性

[基金項目] 2019年度上海海洋大學教學團隊建設項目“環境科學與工程本研一體化教學團隊”（A1-2005-00-300264）;2017年度上海海洋大學教學團隊建設項目“以提升工程能力為核心的環境工程專業課程群建設”（A1-0201-00-0322050）

[作者簡介] 高春梅（1976—），女，河北正定人，博士，上海海洋大學海洋生態與環境學院副教授，主要從事固體廢棄物處理與處置的研究;冀世鋒（1976—），男，山西太原人，博士，上海海洋大學副教授（通信作者），主要從事廢水處理方面的研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）21-0025-04? ? [收稿日期] 2020-12-26

隨著現代信息技術的發展，虛擬現實技術（Virtual Reality，以下簡稱VR技術）也日益進入人們的日常生活中。VR技術是人類為了滿足對客觀世界好奇的探索意愿，以計算機技術、傳感技術、人工智能、人機交互技術等為支撐，綜合集成多信息融合呈現技術、動態建模技術、及時交互式反饋技術和多元信息傳感器技術的一種應用技術[1]，是現代虛擬仿真技術的延伸[2]。其由計算機模擬現實環境，參與人員通過相應的設備及自然方式，如手勢、體視等技能對虛擬環境中的目標進行操控交流，從而產生同現實環境相同或相近的體驗[3]，如同在真實世界中一樣操作虛擬環境中的對象。通過VR模式教學，學生和虛擬空間的互動形成無形課堂，使得教學活動的時間和空間得到最大限度的擴大[4]。在網絡普及的今天，這種互動也更加容易實現。

VR技術在一些高校及課程中已經有所應用，如德國漢堡艾本德醫科大學建立了虛擬的人體系統[5]。國內的劉勝兵[6]等人將VR技術應用在組織胚胎學和人體解剖學，并且將兩門課程進行合理組織，通過VR技術對各個器官結構和組織進行深入了解，從器官到組織再到具體的細胞，形成一個體系，系統地為學生展示人體的內部組成，讓學生從宏觀結構到微觀結構進行逐步觀察，形成一個循序漸進的體系，有助于學生對微觀結構的理解和掌握。但目前真正將VR技術引入環境工程類實踐實驗中的還比較少見。華東理工大學在實驗過程中針對水處理方面的實驗引入了VR技術[7]（見圖1），突破了傳統教學的弊端，學生也對虛擬現實教學展現出很大的興趣[8]。

環境工程實驗是上海海洋大學為環境工程專業開設的綜合性實驗，涉及水、氣、固體廢棄物處理與處置及物理性污染控制四門課程，內容比較多，而且一些內容比較抽象，雖然在教學中采用多媒體教學，教師在上課過程中也充分利用信息化技術，尋找專業相關的動畫或視頻來仔細講解理論內容，但一些內容仍然很難理解。在實習過程中，需要對實際工程現場有深入的了解，目前大多數院校都是以現場參觀的形式進行，到已經建成并穩定運行的相關工廠進行參觀。但是在正常運行的工廠中，通常有多重限制，加上大多數企業尤其是污水處理廠都進行了封蓋處理，學生往往只能走馬觀花地了解處理的工藝和過程，局限于工程的表象，無法深入構筑物內部多方位觀察設備，也無法深入危險場景中，這就造成了“紙上談兵”的現象，從而缺乏對實際現場感官上的認知，缺乏設計符合實際工程的底氣和信心。如果在現有教學方法和手段的基礎上，合理應用VR技術真實、有趣的特性，將物體立體呈現在現實環境中，虛與實相結合的創新演示模式，不僅帶來了新鮮感，而且能以具體形象的方式向學生傳達理論知識，讓枯燥、抽象的圖紙轉化為豐富、立體的真實環境，打破時間和空間的限制，既解決了時間和設備成本，又提高了教學的質量和效率，也有助于學生對知識的掌握，這是一種教學方法的改革和全新的嘗試[9]。

一、固體廢棄物處理與處置實驗教學引入VR技術的必要性

固體廢棄物處理與處置實驗根據教學內容可以分為預處理試驗、生物處理實驗、熱處理實驗和土地處理實驗，如果有條件的話還可以開展電子垃圾處理實驗。除了預處理試驗外，其他實驗在實驗室較難開展，對于學生來說是一個很大的遺憾。另外，對于環境工程專業的學生來說，課程理論知識的理解和掌握主要依賴于機械性的記憶，沒有相對完整的知識體系。在傳統實驗課上，學生對于固體廢棄物處理工藝的直觀感覺依然停留在課本中的知識，具體的工藝流程及設備工作原理還是會感到抽象，不易理解，從而失去學習的樂趣和熱情。VR技術能夠提供虛擬真實的環境和空間，不受時間和空間的約束，與現實處理環境非常接近，學生參與其中，通過人機對話，成為虛擬環境中的參與者和主導者，這樣更加容易激發學生的學習興趣，有助于對理論知識的理解和掌握。同時，VR技術可以虛擬各種不同組織結構或生物，配合聲音和動畫，從不同體驗者的角度演示處理工藝，使學生從不同角度去理解工藝流程，對整個過程有直觀的感覺，而這些實驗在傳統的實驗過程中是體會不到的。VR技術充分利用現代多媒體技術，大量應用照片、視頻、音頻，并配合逼真的動畫，能夠為學生創造虛擬真實的環境，充分達到清晰、美觀的視覺效果[ 10 ]，因此借助VR技術模擬從固體廢棄物來源到最終處置完畢過程中的關鍵過程，能夠多角度、立體的直觀展示固體廢棄物的變化過程，加深學生對理論知識的理解。

二、VR實驗可以承接水污染控制和大氣污染控制實驗