污水處理廠虛擬現(xiàn)實教學(xué)軟件開發(fā)及應(yīng)用

邱遠航，孫賢波，劉勇弟，蔡正清，徐宏勇

污水處理廠虛擬現(xiàn)實教學(xué)軟件開發(fā)及應(yīng)用

邱遠航1，孫賢波1，劉勇弟1，蔡正清1，徐宏勇2

(1. 華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海 200030；2. 華東理工大學(xué)安全環(huán)保辦公室，上海 200030)

為解決學(xué)生在現(xiàn)實中對污水處理廠缺乏設(shè)備操作、觀察工程細節(jié)的機會而使得實踐教學(xué)效果達不到人才培養(yǎng)目標的問題，基于虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)，利用UE4和C4D，開發(fā)一套完整污水處理廠VR教學(xué)軟件，包含1個虛擬實驗中心及13個污水處理構(gòu)筑物案例。學(xué)生通過軟件可體驗污水處理的完整流程，掌握污水處理工藝原理、構(gòu)筑物構(gòu)造和設(shè)備布置，操作工程設(shè)備，控制主要工藝參數(shù)。通過網(wǎng)絡(luò)+課堂教學(xué)、VR實踐教學(xué)和考核反饋，完成對污水處理廠的全面認知。基于VR技術(shù)的污水處理廠教學(xué)軟件與傳統(tǒng)教學(xué)形成優(yōu)勢互補，為環(huán)境工程實踐教學(xué)效果不佳的問題提供良好的解決途徑。根據(jù)調(diào)查結(jié)果分析，該VR教學(xué)軟件達到環(huán)境工程實踐教學(xué)目的。

環(huán)境工程；虛擬現(xiàn)實；污水處理廠；實踐教學(xué)

環(huán)境工程專業(yè)是一門實踐性非常強的專業(yè)，為滿足社會生態(tài)良性發(fā)展的需求，需要培養(yǎng)出更多優(yōu)質(zhì)的環(huán)境工程人才。

傳統(tǒng)的環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式以課堂理論授課為主，另外通過實驗、實習(xí)和設(shè)計等環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握專業(yè)知識，以具備解決工程問題的能力[1]。實習(xí)是銜接理論知識和工程實踐的橋梁，是環(huán)境工程專業(yè)教育中不可或缺的一個環(huán)節(jié)。由于條件限制，學(xué)生對實際工程只有短期的接觸，不利于工程經(jīng)驗的獲取和實踐能力的提升[2]。

虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)技術(shù)利用計算機生成多源信息融合的交互式三維動態(tài)視景和實體行為，能夠使用戶沉浸到模擬環(huán)境中[3]。VR技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個學(xué)科領(lǐng)域，如虛擬實驗室建設(shè)、虛擬校園等方面[4-5]。VR技術(shù)改變了傳統(tǒng)教育模式，由督促學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹笇?dǎo)學(xué)生進行自主探索，通過環(huán)境反饋檢測學(xué)習(xí)成果，修正原有的認識或建構(gòu)新的理解[6]。本著虛實結(jié)合、合理利用的原則將VR軟件引入實踐環(huán)節(jié)，是對傳統(tǒng)理論與實踐教學(xué)的延續(xù)和補充[7]。

本課題基于實際運行的污水處理廠，設(shè)計開發(fā)了一套完整的污水處理廠VR教學(xué)軟件用以配合環(huán)境工程傳統(tǒng)教學(xué)，包含1個虛擬實驗中心及13個污水處理構(gòu)筑物案例。學(xué)生利用VR技術(shù)體驗污水處理的完整流程，掌握各環(huán)節(jié)污水處理的工程知識。通過在實踐教學(xué)中的應(yīng)用表明，該軟件的開發(fā)與使用為提高環(huán)境工程教學(xué)與實踐效果提供了強有力的輔助。

1 VR軟件開發(fā)

1.1 軟/硬件環(huán)境

本套教學(xué)開發(fā)軟件包括：Cinema 4D R18 (簡稱C4D)，Unreal Engine 4 (簡稱UE4)，PhotoShop CC (簡稱PS)。硬件設(shè)備包括：Dell圖形工作站一臺，HTC vive頭盔及手柄一套。軟/硬件的功能和相互聯(lián)系如圖1所示。

1.2 內(nèi)容開發(fā)與教學(xué)設(shè)計

1.2.1 開發(fā)過程

(1) 根據(jù)污水處理構(gòu)筑物的工程圖紙與實際工程照片，使用C4D制作1∶1模型并整理貼圖和光照UV、制作碰撞體，分組導(dǎo)出三維模型文件。

(2) 通過貼圖強化細節(jié)，使場景更加真實。使用PS制作金屬、混凝土和水的基礎(chǔ)貼圖并轉(zhuǎn)制法線貼圖。

(3) UE4是VR軟件開發(fā)的主要工具。場景搭建、材質(zhì)制作和交互設(shè)計均在UE4內(nèi)完成。場景搭建包括物理天空、燈光和VR用戶移動系統(tǒng)制作；以PS導(dǎo)出的貼圖為基礎(chǔ)根據(jù)模型的不同性質(zhì)制作材質(zhì)；采用UE4的藍圖系統(tǒng)為交互創(chuàng)建邏輯。

1.2.2 教學(xué)設(shè)計

(1) 了解和掌握工藝流程。在虛擬實驗中心設(shè)有污水處理廠數(shù)字沙盤，如圖2所示，學(xué)生能夠從整體上了解污水處理構(gòu)筑物和管線的布置。不同于學(xué)生在實際現(xiàn)場以旁觀者身份進行參觀實習(xí)，軟件設(shè)計允許學(xué)生扮演操作者參與到污水處理的過程。通過設(shè)計大量的交互對象及操作，學(xué)生可通過角色控制場景中的對象，一步步主導(dǎo)工藝流程的進行。如圖3所示，學(xué)生可以通過點擊菜單“開啟閘門”控制污水進入反應(yīng)池；開啟加藥系統(tǒng)為反應(yīng)池投加藥劑。VR的開放性允許學(xué)生進行現(xiàn)場實習(xí)無法執(zhí)行的操作，親身參與到流程控制中，增加了交互的主動性和趣味性。

圖1 軟/硬件的功能和相互聯(lián)系

圖2 污水處理廠數(shù)字沙盤

圖3 流程控制

(2) 了解構(gòu)筑物基本構(gòu)造和設(shè)計。VR軟件可以提供現(xiàn)實中無法實現(xiàn)的特殊視角，如“空中俯視”、“深入水下”等操作可以讓學(xué)生獲得更多構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)信息，對構(gòu)筑物的設(shè)計有更加全面的認識。如圖4所示，學(xué)生可以選擇俯視視角觀察構(gòu)筑物總體結(jié)構(gòu)；進入池底觀察水下池體結(jié)構(gòu)；展開濾池結(jié)構(gòu)并演示動畫。相較于現(xiàn)場實踐只能夠在構(gòu)筑物外圍和走道板上參觀，該軟件能提供更加直觀、多角度的認知，增強學(xué)生對構(gòu)筑物信息的掌握。

圖4 多角度認識構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)

(3) 了解和掌握典型設(shè)備的構(gòu)造和布置。在現(xiàn)場實習(xí)時，學(xué)生面對污水處理廠復(fù)雜的儀器設(shè)備、管道和池體會感到茫然，不知道重點在哪里。通過三維建模構(gòu)建的污水處理廠簡化了現(xiàn)場環(huán)境，突出展示工藝流程涉及的重要設(shè)備。如圖5所示，虛擬實驗中心內(nèi)匯總了污水處理的各類設(shè)備共20余種；學(xué)生可以抓取閘門模型，觀察嵌在池體內(nèi)的部分；拆卸裝在管道上的各類閥門，其剖面模型展示了閥門內(nèi)部構(gòu)造；進入池底觀察回流泵的布置與安裝。

圖5 設(shè)備構(gòu)造與布置

(4) 了解主要工藝參數(shù)的控制。基于TUD聯(lián)合模型建立的數(shù)學(xué)仿真模塊可以實現(xiàn)污水處理廠運行參數(shù)的模擬調(diào)控，通過VR技術(shù)將仿真模塊可視化，允許學(xué)生在虛擬環(huán)境中控制進水量、回流量、DO、SRT等工藝參數(shù)，并實時觀察調(diào)整參數(shù)引起的出水水質(zhì)變化。如圖6所示，學(xué)生可以調(diào)整參數(shù)至非常規(guī)水平，模擬事故狀態(tài)以觀察其造成的后果。通過數(shù)學(xué)仿真，學(xué)生能夠?qū)ξ鬯幚韽S的工藝參數(shù)進行控制，預(yù)測并驗證參數(shù)變化對出水水質(zhì)的影響。

圖6 數(shù)學(xué)仿真模塊

2 教學(xué)應(yīng)用及效果評價

2.1 教學(xué)應(yīng)用

教學(xué)過程包括網(wǎng)絡(luò)+課堂教學(xué)，VR實踐教學(xué)和考核反饋環(huán)節(jié)。

在使用虛擬污水處理廠軟件進行VR教學(xué)之前，學(xué)生在課程網(wǎng)站上預(yù)習(xí)虛擬污水處理廠軟件的操作方式、工藝原理與操作步驟等視頻。課上教師對污水處理構(gòu)筑物的工藝原理和設(shè)計圖紙進行講解，讓學(xué)生對構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)和功能有初步的認識。課堂教學(xué)中學(xué)生對構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)和工藝的理解可能會有困難，學(xué)生帶著疑問進入虛擬環(huán)境中，在VR軟件提供的直觀的構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)和工藝流程中解決問題。

VR實踐教學(xué)將構(gòu)筑物實體展現(xiàn)在學(xué)生眼前，幫助學(xué)生將腦海中平面、抽象的概念與實際結(jié)合起來，形成立體、形象的認知。通過一人一機的方式，每個學(xué)生都可以獨立地在虛擬環(huán)境中自由探索，學(xué)習(xí)理論知識在實際工程中的具體應(yīng)用，同時對既有理論知識進行驗證和補充。學(xué)生針對自己的疑問，通過交互式操作尋找正確的答案。

為了保證學(xué)生在VR場景中有效地學(xué)習(xí)，軟件中設(shè)置答題環(huán)節(jié)以評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果。學(xué)生的答題分數(shù)會實時導(dǎo)出為外部文件，方便教師管理。完成VR實踐后學(xué)生返回課堂，與教師溝通交流，在VR場景中的疑問在教學(xué)反饋階段由教師解答，徹底消除學(xué)生對于污水處理工藝的疑問，達到教學(xué)目的。

2.2 效果評價

目前虛擬污水處理廠教學(xué)軟件已經(jīng)投入教學(xué)使用，應(yīng)用于本校環(huán)境工程本科生認知實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)環(huán)節(jié)以及研究生選修課程。自2018年4月投入使用開始，課程網(wǎng)站訪問1.7萬余人次，線下VR軟件使用700余人次。學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性有了顯著提高，為課程設(shè)計和現(xiàn)場實習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)過VR案例的學(xué)生在課程設(shè)計中能夠舉一反三，對細節(jié)的把握更加準確，設(shè)計成果更加符合實際工程要求；在現(xiàn)場實習(xí)中能夠有針對性地向技術(shù)人員提出專業(yè)相關(guān)的問題，加強了實習(xí)的深度和效果。

對本校環(huán)境工程學(xué)生進行了問卷調(diào)查，結(jié)果如圖7所示，得出結(jié)論如下：

(1) VR教學(xué)是較為新奇的教學(xué)方式，這有利于學(xué)生保持新鮮感和好奇心；

(2) 本軟件操作簡單，易于掌握，這有利于學(xué)生迅速掌握操作方式，縮短額外學(xué)習(xí)時間；

(3) 學(xué)生普遍能夠接受VR軟件的互動頻率，但也有部分學(xué)生認為應(yīng)該增強互動，進一步完善；

(4) 學(xué)生對VR實踐教學(xué)體驗效果比較滿意，軟件能夠滿足學(xué)生學(xué)習(xí)和認知需求；

(5) 通過VR軟件的學(xué)習(xí)可以補充現(xiàn)實中一些實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的空白，達到VR教學(xué)的目的；

(6) 與傳統(tǒng)教學(xué)相比，VR教學(xué)可以學(xué)到更多設(shè)備、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)和工藝原理方面的專業(yè)知識，強化了傳統(tǒng)教學(xué)效果。

圖7 調(diào)查問卷分析

3 結(jié)束語

通過污水處理廠VR教學(xué)軟件的設(shè)計與開發(fā)，探索并建立了環(huán)境工程實踐教學(xué)與VR結(jié)合的教學(xué)模式。軟件充分發(fā)揮了VR技術(shù)直觀、沉浸、交互的優(yōu)勢，將抽象的工藝概念轉(zhuǎn)化為1個虛擬實驗中心及13個污水處理構(gòu)筑物案例的具體流程操作，引導(dǎo)學(xué)生主動探索，增強其參與感。最終實現(xiàn)學(xué)生在VR軟件中完成對污水處理工藝的學(xué)習(xí)、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)備的認知，與實踐形成良好映射。

基于VR技術(shù)的污水處理廠教學(xué)軟件是VR技術(shù)在環(huán)境工程實踐教學(xué)中的成功應(yīng)用。該軟件將污水處理工藝與VR結(jié)合，實現(xiàn)了流程控制、設(shè)備模型認知、特殊視角、答題考核等交互操作。改變傳統(tǒng)實踐中學(xué)生被動接受知識的狀態(tài)，消除實踐中因場地、天氣等因素可能帶來的安全隱患，在一定程度上彌補了現(xiàn)場實習(xí)的不足，為環(huán)境工程專業(yè)實踐教學(xué)效果不佳的現(xiàn)狀提供了一個良好的解決方案。

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Development and application of virtual reality software for the practical teaching of sewage treatment plant

QIU Yuan-hang1, SUN Xian-bo1, LIU Yong-di1, CAI Zheng-qing1, XU Hong-yong2

(1. School of Resources and Environmental Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200030, China;2. Safety and Environmental Protection Office, East China University of Science and Technology, Shanghai 200030, China)

Currently, the practical teachingcannot meet the goal of talent training because students lack the opportunity to operate the equipment and observe the details of the project in the field trip of sewage treatment plant. To solve this problem, a complete set of VR-based teaching software for sewage treatment plant was developed by means of the UE4 and C4D. This software contains one virtual experiment center and 13 cases of sewage treatment structures. Students are able to experience the complete process of sewage treatment, as well as master the principle of sewage treatment, the structure construction and the equipment layout. What’s more, students can operate engineering equipment, and control the main process parameters in the software. Through the online and classroom teaching, VR practical teaching and assessment feedback, students can understand the sewage treatment plant comprehensively. The teaching software of sewage treatment plant based on virtual reality is complementary to traditional teaching, which provides a solution to the problem of the poor practical teaching of environmental engineering. As survey results show, the VR teaching software achieves the goal of environmental engineering practical teaching.

environmental engineering; virtual reality; sewage treatment plant; practical teaching

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2020020233

A

2095-302X(2020)02-0233-04

2019-07-12；

2019-09-19

邱遠航(1995–)，男，安徽宣城人，碩士研究生。主要研究方向為環(huán)境工程過程仿真。E-mail：qyhwork@163.com

孫賢波(1973–)，男，山東濟寧人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為水污染控制。E-mail：xbsun@ecust.edu.cn