環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)中引入VR技術(shù)的必要性分析

高春梅 邢云青 冀世鋒 儲(chǔ)鳴

[摘 要] 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展對(duì)現(xiàn)有教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容等是一種顛覆性突破，在環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以使學(xué)生近距離模擬及了解相關(guān)處理對(duì)象的產(chǎn)生、物質(zhì)形態(tài)、處理及處置過(guò)程，也可以從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等幾個(gè)方面理解工藝過(guò)程，實(shí)現(xiàn)感性認(rèn)知的提升。同時(shí)，結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，全面調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，激發(fā)創(chuàng)新能力，對(duì)工科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)也可以提高其工程應(yīng)用能力。

[關(guān)鍵詞] 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);環(huán)境工程實(shí)驗(yàn);課程融合;必要性

[基金項(xiàng)目] 2019年度上海海洋大學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目“環(huán)境科學(xué)與工程本研一體化教學(xué)團(tuán)隊(duì)”（A1-2005-00-300264）;2017年度上海海洋大學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目“以提升工程能力為核心的環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)課程群建設(shè)”（A1-0201-00-0322050）

[作者簡(jiǎn)介] 高春梅（1976—），女，河北正定人，博士，上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)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(xué)副教授（通信作者），主要從事廢水處理方面的研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）21-0025-04? ? [收稿日期] 2020-12-26

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，以下簡(jiǎn)稱(chēng)VR技術(shù)）也日益進(jìn)入人們的日常生活中。VR技術(shù)是人類(lèi)為了滿(mǎn)足對(duì)客觀世界好奇的探索意愿，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、人機(jī)交互技術(shù)等為支撐，綜合集成多信息融合呈現(xiàn)技術(shù)、動(dòng)態(tài)建模技術(shù)、及時(shí)交互式反饋技術(shù)和多元信息傳感器技術(shù)的一種應(yīng)用技術(shù)[1]，是現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)的延伸[2]。其由計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，參與人員通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備及自然方式，如手勢(shì)、體視等技能對(duì)虛擬環(huán)境中的目標(biāo)進(jìn)行操控交流，從而產(chǎn)生同現(xiàn)實(shí)環(huán)境相同或相近的體驗(yàn)[3]，如同在真實(shí)世界中一樣操作虛擬環(huán)境中的對(duì)象。通過(guò)VR模式教學(xué)，學(xué)生和虛擬空間的互動(dòng)形成無(wú)形課堂，使得教學(xué)活動(dòng)的時(shí)間和空間得到最大限度的擴(kuò)大[4]。在網(wǎng)絡(luò)普及的今天，這種互動(dòng)也更加容易實(shí)現(xiàn)。

VR技術(shù)在一些高校及課程中已經(jīng)有所應(yīng)用，如德國(guó)漢堡艾本德醫(yī)科大學(xué)建立了虛擬的人體系統(tǒng)[5]。國(guó)內(nèi)的劉勝兵[6]等人將VR技術(shù)應(yīng)用在組織胚胎學(xué)和人體解剖學(xué)，并且將兩門(mén)課程進(jìn)行合理組織，通過(guò)VR技術(shù)對(duì)各個(gè)器官結(jié)構(gòu)和組織進(jìn)行深入了解，從器官到組織再到具體的細(xì)胞，形成一個(gè)體系，系統(tǒng)地為學(xué)生展示人體的內(nèi)部組成，讓學(xué)生從宏觀結(jié)構(gòu)到微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步觀察，形成一個(gè)循序漸進(jìn)的體系，有助于學(xué)生對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的理解和掌握。但目前真正將VR技術(shù)引入環(huán)境工程類(lèi)實(shí)踐實(shí)驗(yàn)中的還比較少見(jiàn)。華東理工大學(xué)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中針對(duì)水處理方面的實(shí)驗(yàn)引入了VR技術(shù)[7]（見(jiàn)圖1），突破了傳統(tǒng)教學(xué)的弊端，學(xué)生也對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)展現(xiàn)出很大的興趣[8]。

環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)是上海海洋大學(xué)為環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)，涉及水、氣、固體廢棄物處理與處置及物理性污染控制四門(mén)課程，內(nèi)容比較多，而且一些內(nèi)容比較抽象，雖然在教學(xué)中采用多媒體教學(xué)，教師在上課過(guò)程中也充分利用信息化技術(shù)，尋找專(zhuān)業(yè)相關(guān)的動(dòng)畫(huà)或視頻來(lái)仔細(xì)講解理論內(nèi)容，但一些內(nèi)容仍然很難理解。在實(shí)習(xí)過(guò)程中，需要對(duì)實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)有深入的了解，目前大多數(shù)院校都是以現(xiàn)場(chǎng)參觀的形式進(jìn)行，到已經(jīng)建成并穩(wěn)定運(yùn)行的相關(guān)工廠(chǎng)進(jìn)行參觀。但是在正常運(yùn)行的工廠(chǎng)中，通常有多重限制，加上大多數(shù)企業(yè)尤其是污水處理廠(chǎng)都進(jìn)行了封蓋處理，學(xué)生往往只能走馬觀花地了解處理的工藝和過(guò)程，局限于工程的表象，無(wú)法深入構(gòu)筑物內(nèi)部多方位觀察設(shè)備，也無(wú)法深入危險(xiǎn)場(chǎng)景中，這就造成了“紙上談兵”的現(xiàn)象，從而缺乏對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)感官上的認(rèn)知，缺乏設(shè)計(jì)符合實(shí)際工程的底氣和信心。如果在現(xiàn)有教學(xué)方法和手段的基礎(chǔ)上，合理應(yīng)用VR技術(shù)真實(shí)、有趣的特性，將物體立體呈現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，虛與實(shí)相結(jié)合的創(chuàng)新演示模式，不僅帶來(lái)了新鮮感，而且能以具體形象的方式向?qū)W生傳達(dá)理論知識(shí)，讓枯燥、抽象的圖紙轉(zhuǎn)化為豐富、立體的真實(shí)環(huán)境，打破時(shí)間和空間的限制，既解決了時(shí)間和設(shè)備成本，又提高了教學(xué)的質(zhì)量和效率，也有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，這是一種教學(xué)方法的改革和全新的嘗試[9]。

一、固體廢棄物處理與處置實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入VR技術(shù)的必要性

固體廢棄物處理與處置實(shí)驗(yàn)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容可以分為預(yù)處理試驗(yàn)、生物處理實(shí)驗(yàn)、熱處理實(shí)驗(yàn)和土地處理實(shí)驗(yàn)，如果有條件的話(huà)還可以開(kāi)展電子垃圾處理實(shí)驗(yàn)。除了預(yù)處理試驗(yàn)外，其他實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室較難開(kāi)展，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的遺憾。另外，對(duì)于環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，課程理論知識(shí)的理解和掌握主要依賴(lài)于機(jī)械性的記憶，沒(méi)有相對(duì)完整的知識(shí)體系。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生對(duì)于固體廢棄物處理工藝的直觀感覺(jué)依然停留在課本中的知識(shí)，具體的工藝流程及設(shè)備工作原理還是會(huì)感到抽象，不易理解，從而失去學(xué)習(xí)的樂(lè)趣和熱情。VR技術(shù)能夠提供虛擬真實(shí)的環(huán)境和空間，不受時(shí)間和空間的約束，與現(xiàn)實(shí)處理環(huán)境非常接近，學(xué)生參與其中，通過(guò)人機(jī)對(duì)話(huà)，成為虛擬環(huán)境中的參與者和主導(dǎo)者，這樣更加容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。同時(shí)，VR技術(shù)可以虛擬各種不同組織結(jié)構(gòu)或生物，配合聲音和動(dòng)畫(huà)，從不同體驗(yàn)者的角度演示處理工藝，使學(xué)生從不同角度去理解工藝流程，對(duì)整個(gè)過(guò)程有直觀的感覺(jué)，而這些實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是體會(huì)不到的。VR技術(shù)充分利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)，大量應(yīng)用照片、視頻、音頻，并配合逼真的動(dòng)畫(huà)，能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)造虛擬真實(shí)的環(huán)境，充分達(dá)到清晰、美觀的視覺(jué)效果[ 10 ]，因此借助VR技術(shù)模擬從固體廢棄物來(lái)源到最終處置完畢過(guò)程中的關(guān)鍵過(guò)程，能夠多角度、立體的直觀展示固體廢棄物的變化過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。

二、VR實(shí)驗(yàn)可以承接水污染控制和大氣污染控制實(shí)驗(yàn)