环境工程实验中引入VR技术的必要性分析 

高春梅^1,2，邢云青^1,2，冀世锋^1,2*，储鸣^1,2  

上海海洋大学海洋生态与环境学院，上海，201306

上海海洋大学海洋环境监测与评价中心，上海，201306

[摘要]虚拟现实（VR）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VR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，同时也可以从视觉、听觉、触觉等几个方面理解工艺过程，可以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，全方面促进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（VR），环境工程实验，课程融合，必要性

[基金项目]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,2019）,(以提升工程能力为核心的环境工程专业课程群建设,2018)

[作者简介]高春梅(1976.1)，女，河北正定，博士，上海海洋大学海洋生态与环境学院副教授，从事固体废弃物处理与处置的教学工作；通信作者：冀世锋(1976-)，男，博士，山西太原，从事废水处理方面的教学和科研工作。

[中图分类号]G642.0     [文献标识码]A     [文章编号]       

随着现代化信息技术的发展，VR 技术也日益进入到人们的日常生活中。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、人机交互技术等多学科为支撑，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等相关应用技术^[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Eppendorf大学医学院建立了虚拟的人体系统^[5], 刘胜兵^[6]等也将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进一步的了解，从器官到组织再到具体的细胞，形成一个体系，系统的为学生展示人体内部组成，让学生从大体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技术引入到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技术进行展开，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^[7]。

图1 华东理工大学污水处理VR系统^[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，涉及到水，气，固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，虽然教学中采用多媒体教学，并且老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，但一些内容学生仍然很难理解。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的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，无法从多方位观察设备，也无法深入到危险场景中，这就造成了“纸上谈兵”现象，而缺乏实际现场感官上的认知，就缺乏设计符合实际的工程的底气和信心。如果在现有的教学方法和手段下，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，不仅带来新鲜感，还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，也提高了教学的品质和效率，同时也有助于提高学生对知识的掌握，也是一种教学方法的改革和全新的尝试^[9]。

1.固体废弃物处理与处置实验教学引入VR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，没有相对比较完整的知识体系。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所学知识，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，从而会失去学习乐趣和热情。VR技术能够在虚拟空间提供真实的环境，同时也不受时间和空间约束，与现实实际处理环境非常接近，学生参与其中，通过人机对话，成为虚拟环境中的参与和和主导者，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，然后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]，因此能够借助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，多角度、立题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。

2. VR实验可以承接水污染控制和大气污染控制实验

水污染控制工程及大气污染控制工程同样作为环境工程专业的核心课程，涉及到的知识很多，有的也比较抽象，在一些实践过程中也不能很好地了解和掌握，也看不到具体的相关处理设施的结构构造，而这些知识是学生在日后从事专业领域相关工作必须掌握的知识。环境工程实验课程中有关于大气污染控制工程的虚拟仿真实验（购买专业软件），但并没有纯正的水污染控制虚拟仿真实验。一些虚拟仿真软件里面的水污染控制实验也不能满足教学要求，学生在学习过程中不能真实的了解大气及污水治理过程中的工艺。而VR技术的发展正好可以弥补虚拟仿真实验的缺陷，同时也可以真实的反映污染物质的变化路径和迁移过程，加深处理工艺中相关构筑物的内部构造，夯实学生对专业理论知识的理解和掌握，提升学生的工程应用能力。

图2 污水处理系统内部构造^[11]

3.VR实验可以模拟不同实验场景

VR技术可以模拟各种不同的处理过程及处理工艺，通过一些污染物的产生过程和组成的现场模拟，让学生可以更加直观的看到各种污染物的类别。例如，在讲述水污染控制过程的时候，可以通过VR实验，设计污水处理过程，虚拟显现出从污水产生到处理出水这样一个过程，使学生在处理过程中的虚拟场景中，真实的掌握污水的处理过程及物质的降解途径，在他们的脑海中就会留下较为深刻的印象。通过VR技术，应用虚拟实验构建悬浮颗粒进入到人体的情景，了解颗粒在人体中的运动轨迹及富集过程，从而更加深刻的看到空气中的可吸入性颗粒对人类健康造成的影响，除了肉眼可观，同时触目惊心，也能够起到警示作用，提升学生的危机意识，从而产生保护环境的强烈意识，提高自身环境素养，具有很好地教育意义。这样的知识情景不但有助于增强学生对于知识的理解，也能激发学生学习的兴趣，为知识有效转化提供有力支持，同时拓展了教学与学习内容，为学生搭建了理论与实践紧密结合的桥梁。

对于固体废弃物处理与处置所涉及的实验操作，有些实验学生可以在实验室动手完成，有些由于各种条件的限制，学生不能动手完成。而通过VR技术来模拟相关的实验过程，使学生可以比较系统的了解固废处理的相关过程，增加对所学内容的理解。在此环境中的学生，可以自由的操作，可以实现各种实际中甚至现实实验中不能完成的实验以及想象的实验场景。这样既突破了实验教学的时间与空间的限制，又降低了实验教学对现有实验条件的依赖。在环境工程实验中引入VR技术，可以使一些枯燥的、抽象的或现实实验中难以完成的实验得以虚拟重现，有利于学生对于专业知识的全面掌握，培养学生的学习兴趣，提高学生的工程应用能力，为日后工作打下坚实的基础。

4.VR实验与传统实验的有效结合

为了更好地提高学生的动手能力和实际工程能力，建议在实验室进行实验，但局限于空间和时间，一些实验确实无法开展，因此利用虚拟仿真实验及VR技术主导的虚拟实验对于学生来说，会起到过程重现及一些实验技术的演示，而这些实验往往难以得到实际的操作体验。学生只有在现实实验过程中才能出现一些不规范或者容易忽视的细节，而这些问题在VR技术中得不到充分的体现^[12,13]。因此，在实际的实验过程中，建议VR技术跟传统实验结合，取长补短，提高实验课的教学效果，让学生更好、更多的去接触和掌握实验内容。而相关任课老师也要熟悉和了解VR技术，充分发挥其优势。

5.VR实验内容的有机融合

目前一些高校和科研院所均根据各自的情况开展了相关课程或科研项目的VR实验，以期能够更加直观深入的了解实验的过程，但从网上及相关机构了解到，同样的课程会有几所或者十几所单位同时进行虚拟仿真或者VR实验建设，虽然实验中会有一些特色的不同或实验项目的差异性，但整体内容有些重复，而且建设质量一般，因此，建议有关单位或相关管理单位能够统筹规划，合理布局，利用信息化新技术手段实现资源共享，让涉及到课程的院校提供自己的设计设想，一些共性的实验实现共建共享共用，一些特色的实验可以自行设计，并及时在公共资源平台实现共享，既是现代信息化技术的有效体现，也是公共资源的有效利用，避免浪费，同时各个院校根据使用过程中的问题进行反馈，也能对实验内容和项目进一步提升和完善，达到更高的水平。另外就是在实验建设过程中结合课程的衔接性进行设计，这样既有知识体系的体现也能够将一些课程的知识有效的融合。

作为实验技术和手段的VR技术弥补了传统实验的缺陷，同时也拓宽了实验的领域和范畴，对于在教学过程中提高教学质量，巩固教学效果非常必要。VR能够最大程度地呈现相关企业的现场，利用计算机生成一种模拟环境，建立多源信息融合、交互式的动态视景和实体行为的系统仿真，使学生可以“身临其境”，就像参与反应的分子一样走完全部工艺流程，解决了当下下厂实习时“看不见、摸不着、进不去、想不通”的老大难问题^[14]。

因此如果能够合理利用VR技术既可以满足现在的教学需求，也能够让学生更加直观的了解专业知识里面的设备和仪器的结构构造及处理过程，可以进一步让学生夯实基础知识，提升工程能力。但在VR技术应用建设过程中需要多方协作，高质量完成VR实验的规划建设和利用，真正做到优势互补，做大做强，避免多方重复建设，造成资源浪费。

参考文献：

[1]虚拟现实产业发展白皮书[R].中国电子技术标准化研究院,2016.

[2]成洪聚,刘卫东,侯腾飞.生理学虚拟实验室的利弊[J].菏泽医学专科学校学报,2011,23( 2) : 74-75.

[3]巫影.虚拟现实技术综述[J].计算机与数字工程,2002,30(3):41-44.

[4]詹新惠.正确培养“全媒体记者”[J].青年记者, 2011( 4) : 4-15.

[5]颜志刚.摄影技艺教程[M].上海:复旦大学出版社,2000.

[6]刘胜兵,王鑫泉,曹利仙,等.虚拟实验室与组织胚胎学实验教学[J].实验室研究与探索,2013, 32(2):157-158,203.

[7]http://www.cnr.cn/shanghai/tt/20171009/t20171009_523979529.shtml

[8] https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_1818766

[9]高东锋,王森. 虚拟现实技术发展对高校实验教学改革的影响与应对策[J],中国高教研究,2016,(10):56-59.

[10]徐和德.数码摄影与传统摄影的主要差异[J].影像材料,2005(1):52-55.

[11]https://v.qq.com/x/page/y0383uyq5t9.html

[12]徐静,孙艺平,王冬梅.虚拟实验与真实实验在机能学实验中之比较[J].医学教育探索,2009,30(6): 75-76.

[13]李亚琳,陈小蓉.利用虚拟实验室进行实验教学的研究与实践[J].赣南医学院学报,2008,28(5): 727-728.

[14]https://www.hbzhan.com/tech_news/detail/343520.html

Necessity of introducing VR technology into environmental engineering experiments

Gao Chun-mei  Xing Yun-qing  Ji Shi-feng*  Chu Ming

College of Marine ecology and environment, Shanghai Ocean University, Shanghai,201306

Marine Environment Monitoring and Assessment Center, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306

Abstract: The development of Virtual Reality Technology(VR) is disruptive breakthrough for existing teaching methods and contents. The students could simulated and knew the production, physical form, treatment and disposal of treated matters closely through introducing VR into environmental engineering experiments, and understood the process from seeing, hearing, feeling and so on simultaneously that could promote their perception. It could advance students’ learning interests and enthusiasm, inspire their innovation ability from all aspects if combining with traditional teaching methods which might promote their engineering application ability.

Keywords: virtual reality technology(VR), environmental engineering experiments, curriculum integration, necessity