环境工程实验中引入VR技术的必要性分析

高春梅 邢云青 冀世锋 储鸣

[摘 要] 虚拟现实技术的发展对现有教学方式、教学内容等是一种颠覆性突破，在环境工程实验中引入虚拟现实技术，可以使学生近距离模拟及了解相关处理对象的产生、物质形态、处理及处置过程，也可以从视觉、听觉、触觉等几个方面理解工艺过程，实现感性认知的提升。同时，结合传统实验教学方式，发挥各自优势，全面调动学生的学习兴趣和热情，激发创新能力，对工科专业的学生来说也可以提高其工程应用能力。

[关键词] 虚拟现实技术;环境工程实验;课程融合;必要性

[基金项目] 2019年度上海海洋大学教学团队建设项目“环境科学与工程本研一体化教学团队”（A1-2005-00-300264）;2017年度上海海洋大学教学团队建设项目“以提升工程能力为核心的环境工程专业课程群建设”（A1-0201-00-0322050）

[作者简介] 高春梅（1976—），女，河北正定人，博士，上海海洋大学海洋生态与环境学院副教授，主要从事固体废弃物处理与处置的研究;冀世锋（1976—），男，山西太原人，博士，上海海洋大学副教授（通信作者），主要從事废水处理方面的研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）21-0025-04    [收稿日期] 2020-12-26

随着现代信息技术的发展，虚拟现实技术（Virtual Reality，以下简称VR技术）也日益进入人们的日常生活中。VR技术是人类为了满足对客观世界好奇的探索意愿，以计算机技术、传感技术、人工智能、人机交互技术等为支撑，综合集成多信息融合呈现技术、动态建模技术、及时交互式反馈技术和多元信息传感器技术的一种应用技术[1]，是现代虚拟仿真技术的延伸[2]。其由计算机模拟现实环境，参与人员通过相应的设备及自然方式，如手势、体视等技能对虚拟环境中的目标进行操控交流，从而产生同现实环境相同或相近的体验[3]，如同在真实世界中一样操作虚拟环境中的对象。通过VR模式教学，学生和虚拟空间的互动形成无形课堂，使得教学活动的时间和空间得到最大限度的扩大[4]。在网络普及的今天，这种互动也更加容易实现。

VR技术在一些高校及课程中已经有所应用，如德国汉堡艾本德医科大学建立了虚拟的人体系统[5]。国内的刘胜兵[6]等人将VR技术应用在组织胚胎学和人体解剖学，并且将两门课程进行合理组织，通过VR技术对各个器官结构和组织进行深入了解，从器官到组织再到具体的细胞，形成一个体系，系统地为学生展示人体的内部组成，让学生从宏观结构到微观结构进行逐步观察，形成一个循序渐进的体系，有助于学生对微观结构的理解和掌握。但目前真正将VR技术引入环境工程类实践实验中的还比较少见。华东理工大学在实验过程中针对水处理方面的实验引入了VR技术[7]（见图1），突破了传统教学的弊端，学生也对虚拟现实教学展现出很大的兴趣[8]。

环境工程实验是上海海洋大学为环境工程专业开设的综合性实验，涉及水、气、固体废弃物处理与处置及物理性污染控制四门课程，内容比较多，而且一些内容比较抽象，虽然在教学中采用多媒体教学，教师在上课过程中也充分利用信息化技术，寻找专业相关的动画或视频来仔细讲解理论内容，但一些内容仍然很难理解。在实习过程中，需要对实际工程现场有深入的了解，目前大多数院校都是以现场参观的形式进行，到已经建成并稳定运行的相关工厂进行参观。但是在正常运行的工厂中，通常有多重限制，加上大多数企业尤其是污水处理厂都进行了封盖处理，学生往往只能走马观花地了解处理的工艺和过程，局限于工程的表象，无法深入构筑物内部多方位观察设备，也无法深入危险场景中，这就造成了“纸上谈兵”的现象，从而缺乏对实际现场感官上的认知，缺乏设计符合实际工程的底气和信心。如果在现有教学方法和手段的基础上，合理应用VR技术真实、有趣的特性，将物体立体呈现在现实环境中，虚与实相结合的创新演示模式，不仅带来了新鲜感，而且能以具体形象的方式向学生传达理论知识，让枯燥、抽象的图纸转化为丰富、立体的真实环境，打破时间和空间的限制，既解决了时间和设备成本，又提高了教学的质量和效率，也有助于学生对知识的掌握，这是一种教学方法的改革和全新的尝试[9]。

一、固体废弃物处理与处置实验教学引入VR技术的必要性

固体废弃物处理与处置实验根据教学内容可以分为预处理试验、生物处理实验、热处理实验和土地处理实验，如果有条件的话还可以开展电子垃圾处理实验。除了预处理试验外，其他实验在实验室较难开展，对于学生来说是一个很大的遗憾。另外，对于环境工程专业的学生来说，课程理论知识的理解和掌握主要依赖于机械性的记忆，没有相对完整的知识体系。在传统实验课上，学生对于固体废弃物处理工艺的直观感觉依然停留在课本中的知识，具体的工艺流程及设备工作原理还是会感到抽象，不易理解，从而失去学习的乐趣和热情。VR技术能够提供虚拟真实的环境和空间，不受时间和空间的约束，与现实处理环境非常接近，学生参与其中，通过人机对话，成为虚拟环境中的参与者和主导者，这样更加容易激发学生的学习兴趣，有助于对理论知识的理解和掌握。同时，VR技术可以虚拟各种不同组织结构或生物，配合声音和动画，从不同体验者的角度演示处理工艺，使学生从不同角度去理解工艺流程，对整个过程有直观的感觉，而这些实验在传统的实验过程中是体会不到的。VR技术充分利用现代多媒体技术，大量应用照片、视频、音频，并配合逼真的动画，能够为学生创造虚拟真实的环境，充分达到清晰、美观的视觉效果[ 10 ]，因此借助VR技术模拟从固体废弃物来源到最终处置完毕过程中的关键过程，能够多角度、立体的直观展示固体废弃物的变化过程，加深学生对理论知识的理解。

二、VR实验可以承接水污染控制和大气污染控制实验