污水处理厂虚拟现实教学软件开发及应用

邱远航，孙贤波，刘勇弟，蔡正清，徐宏勇

污水处理厂虚拟现实教学软件开发及应用

邱远航1，孙贤波1，刘勇弟1，蔡正清1，徐宏勇2

(1. 华东理工大学资源与环境工程学院，上海 200030；2. 华东理工大学安全环保办公室，上海 200030)

为解决学生在现实中对污水处理厂缺乏设备操作、观察工程细节的机会而使得实践教学效果达不到人才培养目标的问题，基于虚拟现实(VR)技术，利用UE4和C4D，开发一套完整污水处理厂VR教学软件，包含1个虚拟实验中心及13个污水处理构筑物案例。学生通过软件可体验污水处理的完整流程，掌握污水处理工艺原理、构筑物构造和设备布置，操作工程设备，控制主要工艺参数。通过网络+课堂教学、VR实践教学和考核反馈，完成对污水处理厂的全面认知。基于VR技术的污水处理厂教学软件与传统教学形成优势互补，为环境工程实践教学效果不佳的问题提供良好的解决途径。根据调查结果分析，该VR教学软件达到环境工程实践教学目的。

环境工程；虚拟现实；污水处理厂；实践教学

环境工程专业是一门实践性非常强的专业，为满足社会生态良性发展的需求，需要培养出更多优质的环境工程人才。

传统的环境工程专业人才培养模式以课堂理论授课为主，另外通过实验、实习和设计等环节，使学生掌握专业知识，以具备解决工程问题的能力[1]。实习是衔接理论知识和工程实践的桥梁，是环境工程专业教育中不可或缺的一个环节。由于条件限制，学生对实际工程只有短期的接触，不利于工程经验的获取和实践能力的提升[2]。

虚拟现实(virtual reality，VR)技术利用计算机生成多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为，能够使用户沉浸到模拟环境中[3]。VR技术已广泛应用于各个学科领域，如虚拟实验室建设、虚拟校园等方面[4-5]。VR技术改变了传统教育模式，由督促学习转变为指导学生进行自主探索，通过环境反馈检测学习成果，修正原有的认识或建构新的理解[6]。本着虚实结合、合理利用的原则将VR软件引入实践环节，是对传统理论与实践教学的延续和补充[7]。

本课题基于实际运行的污水处理厂，设计开发了一套完整的污水处理厂VR教学软件用以配合环境工程传统教学，包含1个虚拟实验中心及13个污水处理构筑物案例。学生利用VR技术体验污水处理的完整流程，掌握各环节污水处理的工程知识。通过在实践教学中的应用表明，该软件的开发与使用为提高环境工程教学与实践效果提供了强有力的辅助。

1 VR软件开发

1.1 软/硬件环境

本套教学开发软件包括：Cinema 4D R18 (简称C4D)，Unreal Engine 4 (简称UE4)，PhotoShop CC (简称PS)。硬件设备包括：Dell图形工作站一台，HTC vive头盔及手柄一套。软/硬件的功能和相互联系如图1所示。

1.2 内容开发与教学设计

1.2.1 开发过程

(1) 根据污水处理构筑物的工程图纸与实际工程照片，使用C4D制作1∶1模型并整理贴图和光照UV、制作碰撞体，分组导出三维模型文件。

(2) 通过贴图强化细节，使场景更加真实。使用PS制作金属、混凝土和水的基础贴图并转制法线贴图。

(3) UE4是VR软件开发的主要工具。场景搭建、材质制作和交互设计均在UE4内完成。场景搭建包括物理天空、灯光和VR用户移动系统制作；以PS导出的贴图为基础根据模型的不同性质制作材质；采用UE4的蓝图系统为交互创建逻辑。

1.2.2 教学设计

(1) 了解和掌握工艺流程。在虚拟实验中心设有污水处理厂数字沙盘，如图2所示，学生能够从整体上了解污水处理构筑物和管线的布置。不同于学生在实际现场以旁观者身份进行参观实习，软件设计允许学生扮演操作者参与到污水处理的过程。通过设计大量的交互对象及操作，学生可通过角色控制场景中的对象，一步步主导工艺流程的进行。如图3所示，学生可以通过点击菜单“开启闸门”控制污水进入反应池；开启加药系统为反应池投加药剂。VR的开放性允许学生进行现场实习无法执行的操作，亲身参与到流程控制中，增加了交互的主动性和趣味性。

图1 软/硬件的功能和相互联系

图2 污水处理厂数字沙盘

图3 流程控制

(2) 了解构筑物基本构造和设计。VR软件可以提供现实中无法实现的特殊视角，如“空中俯视”、“深入水下”等操作可以让学生获得更多构筑物结构信息，对构筑物的设计有更加全面的认识。如图4所示，学生可以选择俯视视角观察构筑物总体结构；进入池底观察水下池体结构；展开滤池结构并演示动画。相较于现场实践只能够在构筑物外围和走道板上参观，该软件能提供更加直观、多角度的认知，增强学生对构筑物信息的掌握。

图4 多角度认识构筑物结构

(3) 了解和掌握典型设备的构造和布置。在现场实习时，学生面对污水处理厂复杂的仪器设备、管道和池体会感到茫然，不知道重点在哪里。通过三维建模构建的污水处理厂简化了现场环境，突出展示工艺流程涉及的重要设备。如图5所示，虚拟实验中心内汇总了污水处理的各类设备共20余种；学生可以抓取闸门模型，观察嵌在池体内的部分；拆卸装在管道上的各类阀门，其剖面模型展示了阀门内部构造；进入池底观察回流泵的布置与安装。

图5 设备构造与布置

(4) 了解主要工艺参数的控制。基于TUD联合模型建立的数学仿真模块可以实现污水处理厂运行参数的模拟调控，通过VR技术将仿真模块可视化，允许学生在虚拟环境中控制进水量、回流量、DO、SRT等工艺参数，并实时观察调整参数引起的出水水质变化。如图6所示，学生可以调整参数至非常规水平，模拟事故状态以观察其造成的后果。通过数学仿真，学生能够对污水处理厂的工艺参数进行控制，预测并验证参数变化对出水水质的影响。

图6 数学仿真模块

2 教学应用及效果评价

2.1 教学应用

教学过程包括网络+课堂教学，VR实践教学和考核反馈环节。

在使用虚拟污水处理厂软件进行VR教学之前，学生在课程网站上预习虚拟污水处理厂软件的操作方式、工艺原理与操作步骤等视频。课上教师对污水处理构筑物的工艺原理和设计图纸进行讲解，让学生对构筑物结构和功能有初步的认识。课堂教学中学生对构筑物结构和工艺的理解可能会有困难，学生带着疑问进入虚拟环境中，在VR软件提供的直观的构筑物结构和工艺流程中解决问题。

VR实践教学将构筑物实体展现在学生眼前，帮助学生将脑海中平面、抽象的概念与实际结合起来，形成立体、形象的认知。通过一人一机的方式，每个学生都可以独立地在虚拟环境中自由探索，学习理论知识在实际工程中的具体应用，同时对既有理论知识进行验证和补充。学生针对自己的疑问，通过交互式操作寻找正确的答案。

为了保证学生在VR场景中有效地学习，软件中设置答题环节以评价学生学习效果。学生的答题分数会实时导出为外部文件，方便教师管理。完成VR实践后学生返回课堂，与教师沟通交流，在VR场景中的疑问在教学反馈阶段由教师解答，彻底消除学生对于污水处理工艺的疑问，达到教学目的。

2.2 效果评价

目前虚拟污水处理厂教学软件已经投入教学使用，应用于本校环境工程本科生认知实习和毕业实习环节以及研究生选修课程。自2018年4月投入使用开始，课程网站访问1.7万余人次，线下VR软件使用700余人次。学生的学习积极性有了显著提高，为课程设计和现场实习打下了良好的基础。学习过VR案例的学生在课程设计中能够举一反三，对细节的把握更加准确，设计成果更加符合实际工程要求；在现场实习中能够有针对性地向技术人员提出专业相关的问题，加强了实习的深度和效果。

对本校环境工程学生进行了问卷调查，结果如图7所示，得出结论如下：

(1) VR教学是较为新奇的教学方式，这有利于学生保持新鲜感和好奇心；

(2) 本软件操作简单，易于掌握，这有利于学生迅速掌握操作方式，缩短额外学习时间；

(3) 学生普遍能够接受VR软件的互动频率，但也有部分学生认为应该增强互动，进一步完善；

(4) 学生对VR实践教学体验效果比较满意，软件能够满足学生学习和认知需求；

(5) 通过VR软件的学习可以补充现实中一些实践教学环节的空白，达到VR教学的目的；

(6) 与传统教学相比，VR教学可以学到更多设备、构筑物结构和工艺原理方面的专业知识，强化了传统教学效果。

图7 调查问卷分析

3 结束语

通过污水处理厂VR教学软件的设计与开发，探索并建立了环境工程实践教学与VR结合的教学模式。软件充分发挥了VR技术直观、沉浸、交互的优势，将抽象的工艺概念转化为1个虚拟实验中心及13个污水处理构筑物案例的具体流程操作，引导学生主动探索，增强其参与感。最终实现学生在VR软件中完成对污水处理工艺的学习、构筑物结构设备的认知，与实践形成良好映射。

基于VR技术的污水处理厂教学软件是VR技术在环境工程实践教学中的成功应用。该软件将污水处理工艺与VR结合，实现了流程控制、设备模型认知、特殊视角、答题考核等交互操作。改变传统实践中学生被动接受知识的状态，消除实践中因场地、天气等因素可能带来的安全隐患，在一定程度上弥补了现场实习的不足，为环境工程专业实践教学效果不佳的现状提供了一个良好的解决方案。

[1] 卢彦越, 刘绍刚, 胡玉平, 等. 构建环境工程专业实践教学体系的研究[J]. 实验室技术与管理, 2012, 29(10): 169-171, 184.

[2] 李立欣, 宋志伟, 战友, 等. 环境工程专业实践教学新模式的探索[J]. 实验室研究与探索, 2016, 35(2): 175-178.

[3] 高红波. 中国虚拟现实(VR)产业发展现状、问题与趋势[J]. 现代传播(中国传媒大学学报), 2017, 39(2): 8-12.

[4] POTKONJAK V, GARDNER M, CALLAGHAN V,et al. Virtual laboratories for education in science, technology, and engineering: a review[J]. Computers and Education, 2016, 95: 309-327.

[5] 姬喆. 基于VR虚拟漫游技术的交互设计应用研究[J]. 现代电子技术, 2019, 42(15): 86-90.

[6] 高媛, 刘德建, 黄真真, 等. 虚拟现实技术促进学习的核心要素及其挑战[J]. 电化教育研究, 2016, 37(10): 77-87.

[7] 谢慧芳, 胡朝霞, 陈守文, 等. 融入仿真系统的环境工程实践教学改革[J]. 实验技术与管理, 2016, 33(9): 115-118.

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

邱远航(1995–)，男，安徽宣城人，硕士研究生。主要研究方向为环境工程过程仿真。E-mail：qyhwork@163.com

孙贤波(1973–)，男，山东济宁人，副教授，博士，硕士生导师。主要研究方向为水污染控制。E-mail：xbsun@ecust.edu.cn