Received: 4 December 2016 | Accepted: 12 July 2017

DOI: 10.1002/cae.21863

A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering

Shu-Guang Ouyang^1,2,3 | Gang Wang^1,2 | Jun-Yan Yao^1,2 | Guang-Heng-Wei Zhu^1,2 | Zhao-Yue Liu^1,2 | Chi Feng^1,2

| INTRODUCTION

With the development of virtual reality technology, there appears a new learning and teaching mode: virtual-learning and -teaching [14]. This mode could break the boundaries of time and space and thus increase the flexibility of learning. The multimedia elements such as sounds and animation effects in virtual environment enable students to observe the phenomenon which cannot be seen in the reality, which can enhance their understanding and provoke their interest in learning. Therefore, not only is the operation practice in virtual environment effective in improving studentsrsquo; practical operative ability but also it can help prevent adverse effects caused by false operation. Many practices show that virtual learning and training effectively promotes studentsrsquo; motivation, excite their potential of active thinking and bold exploration, and improve their practical operation skills [3,15,18].

In recent years, some profound studies have been conducted on the development of virtual teaching and virtual experiment system. For examples, a web based Virtual Electron Probe Microanalysis Lab [12] was developed for operation practice of experimental devices and instruments. It provides such functions as prediction and assessment of the experiment results. R.G. Squires built a virtual platform to assist the teaching of a specialized course, separation engineering [7]. A Virtual Chemistry Lab [25] was created to provide supplement the contents of experiments textbook, and help to solve problems encountered in actually experiments. Adopting virtual reality technology, Wen-Hsiung Wu [23] created an interactive web-based virtual teaching environment to assist teaching of simulated computer numerical control (CNC). E.-S. S. Aziz [1] developed a virtual mechanical teaching system which enabled easy and visual learning of mechanical principle and mechanism. The Virtual Power Electronics Laboratory [24] can assist students in their learning of circuitous philosophy and operation practice of electrical experiment on the computer. The virtual training system [21] of Abdominal Aortic Aneurysm (AAA) surgery could help students practise surgery operation by creating a three-dimensional model based onthe patientrsquo;s X-raydiagnosis chart. In addition,other virtualsystemsincludeVirtualDrivingLearningSystem[10], Virtual Product Development System [11], and Virtual Hydraulic Experiments System [6]. In short, virtual teaching and experiments have been applied in all kinds of subjects and fields such as physics, chemistry, biology, medicine [4,8,16,22].

This study discusses the application of virtual environment tothe teaching of productionpractice coursein chemical engineering and training of new employees in chemical engineering. It is well known that chemical engineering educationis basedonpractice,andproductionpracticeplaysa critical role in strengthening studentsrsquo; ability to apply theory to practice, cultivating their engineering competence, and the innovation ability to solve new problems [13]. Most chemical productionprocesses involvemany risk factors, which restrict interns and new employeesrsquo; learning and practice of operational skills in the actual production process in chemical plant [9].

Teaching of chemical engineeri

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基于Unity3D的化学工程交互式三维虚拟实践平台

摘要

本文介绍了一种基于Unity3D的交互式化学工程三维虚拟实践平台。研发这个平台可以帮助化学工程的学生进行有关的生产实践，在系统的虚拟环境中重建真实的化工厂部分。该系统为用户提供了两种演练方式，演示了一些主要设备的结构和设备的工作原理。并且介绍了一些主要泵和阀门的操作功能，用来加强学生对化学过程进行的理解以及锻炼他们的操作能力。此外，系统对于紧急情况的虚拟处理有助于提高学生的安全生产意识，培养他们应对突发事件的能力。我们对于学生的调查反馈表明，尽管学生对虚拟实验平台提出了一些需要进一步改进的建议，但是虚拟实验教学与传统的实践模式相比，具有更多的优势和特点，有助于帮助学生了解化学反应的过程和化学实验的设备。除此之外，在我们充分考虑学生建议的情况下，我们对系统做了进一步的改进和开发。

1. 背景介绍

随着虚拟现实技术的发展，出现了一种新的教学和学习模式：虚拟教学和虚假实验学习。建立机械虚拟仿真系统可以克服传统实验教学的弊端，打破空间、地域的局限，充分利用计算机仿真技术使得学生通过系统的实验训练，将理论课程所学到的内容充分相联系并得以应用，让学生了解到专业基础性实验设计、原理及其验证，从而帮助同学们理解和领会课堂上所有的理论基础知识。因此，在虚拟环境中的实践操作不仅有效的提高了学生的实际操作能力，而且有助于防止学生因为误操作而造成的不良影响。许多实践表明，虚拟学习和虚拟培训有效的提高了学生的学习兴趣，激发了他们积极思考和大胆探索的潜力，并且提高了他们的实际操作能力。

近些年，人们对于虚拟教学和虚拟实验系统的开发进行了深入的研究。例如，基于网络的虚拟电子探针微量分析实验室被开发用于实验装置和仪器的操作实践。它提供预测和评估实验结果等功能。 R.G. Squires建立了一个虚拟平台，用来协助分离工程等专业课程的教学，创立虚拟化学实验室，帮助学生学习实验教科书上的内容。采用虚拟现实技术，吴文雄创建了一个基于互动网络的虚拟教学环境，以辅助模拟计算机数控（CNC）的教学。 Aziz 开发了一种虚拟机械教学系统，可以轻松、直观地学习机械原理和机构。虚拟电力电子实验室可以帮助学生学习计算机上电学实验的实验原理和操作实践。腹主动脉瘤（AAA）手术的虚拟训练系统可以通过基于患者的X射线诊断图创建三维模型来帮助学生进行手术操作。此外，其他虚拟系统包括虚拟驾驶学习系统，虚拟产品开发系统和虚拟液压实验系统。简而言之，虚拟教学和实验已应用于各种学科和领域，如物理、化学、生物学、医药等。

本研究探讨了虚拟环境在化学工程生产实习课程教学和化学工程企业新员工培训中的应用。众所周知，化学工程教育以实践为基础，生产实践在加强学生应用理论实践，培养工程能力和解决新问题的创新能力方面发挥着关键作用。大多数的化学生产过程都涉及许多风险因素，这限制了实习生和新员工对于在化工厂实际生产过程中操作技能的学习和实践。在系统的虚拟环境中进行对化学工程实习生的实践教学和化学工程领域新员工的培训，可以有效地使学习者熟悉设备的实际工作流程，材料反映现象，结构和操作原理。虚拟环境中的生产操作模拟不仅可以避免设备损坏和浪费材料造成的损失，还可以节省不必要的设备成本。

本文提出了一个虚拟实验平台，用于化学工程专业学生在操作实践和技能方面的教学和培训。虚拟教学平台基于Unity3D，通常用于制作大规模3D游戏。作为一个完全集成的跨平台专业虚拟现实引擎，Unity3D可用于交互式内容，如三维可视化仿真，架构可视化等。它还具有交互式和图形化开发环境。它的渲染系统基于Direct3D（D3D），开放图形库（OpenGL）和OpenGL for Embedded Systems（OpenGL-ES），可以生动地渲染大量的3D场景。其内部物理引擎可以快速生成物理现象和重力，碰撞等特殊物理效应，因此非常适合虚拟环境中仿真系统的开发。更重要的是，使用Unity3D开发的虚拟系统可以在Windows，Android和Web等各种平台上运行。一些对Unity3D的研究表明其对虚拟实验的建立有重要作用，例如基于游戏的学习系统Unity3D开发的化学工程三维虚拟实践平台具有高保真，丰富的视觉效果，多种交互模式，具有良好的可扩展性和可行性。

通过该系统，学生可以进入虚拟技术过程场景进行实践学习，学习过程流程知识，获取管道中流体性质和流向的信息，并观察设备的结构和工作原理。 虚拟系统还提供一些泵和阀的虚拟操作功能，使学生能够体验实际的工业操作过程，从而提高他们的操作能力。此外，该系统还提供小型虚拟事故的模拟及其处理，以加强学生的安全意识，培养他们应对突发事件的能力。

本文的其余部分的结构如下：第二部分是虚拟平台的概述，第三部分介绍了系统的开发过程，第四部分是使用该系统的学生给出的评估和反馈，最后，第五部分介绍了结论和前景。

2．系统说明

Virtual Practice Platform是一个使用Unity3D开发的可执行程序，可以在个人计算机上运行，无需安装任何其他软件。其以学生为本的设计充分考虑了化学工程专业学生学习实践和操作知识和技能的要求，提供了一个高度身临其境且生动的虚拟场景，学生可以在化学工厂的真实生产部分进行探索和学习。更重要的是，化工企业不必担心影响生产，大学不需要考虑安全风险。学生可以随时在他们的计算机上进入系统。并且在虚拟环境中进行学习培训和实验操作。

系统的主界面包括系统介绍，操作说明以及与各个部分相关的网页链接。此外，该系统还提供一些与各个部分相关的基础知识测试，以帮助学生学习有关生产部分的基本知识和技能。学生可以单击“进入系统”按钮进入虚拟场景，在那里可以找到其他一些功能设置。

2.1虚拟生产流程和演练平台

化学工程的三维虚拟练习平台提供了化学工厂的虚拟剖面场景，学生可以在这里自由移动，观察，探索和学习。虽然实际化工厂的设备和管道很复杂，但模拟的重点是让学生熟悉与工作流程，主要管道，设备等生产过程相关的基本知识和技能。该系统为用户提供两种演练模式：第三人称漫游模式和飞行模式。

第三人称漫游模式意味着用户可以通过使用鼠标和键盘控制工作人员在虚拟场景中自由移动和观察。飞行模式意味着用户可以在任何高度和任何角度浏览化工厂的总体布局，生产过程和一些大型设备。如果用户想要了解任何管道和设备，他们可以点击目标来触发弹出窗口，窗口可以提供目标相关信息。这项功能的目的是使学生能够及时获得相关知识。

2.2虚拟实践和操作平台

由于实际生产中化学过程很复杂，学生不得随意操作泵或阀门等设备，以免影响生产。虚拟系统可以提供虚拟实践操作平台，学生可以在与相关实际生产部分相同的条件下操作一些虚拟阀门和泵并进行一些操作。虽然化工厂的实际操作很复杂，但虚拟系统的主要目的是向学生介绍一些主要设备的功能，如阀门和泵，管道的一些基本知识，以及操作程序。

在虚拟场景中，鼠标光标在操作设备上改变，提示用户点击操作。例如，学生可以旋转阀门来控制管道中的物料流动，方法是按下鼠标右键并在左右之间移动。用户还可以单击泵上的“启动”和“停止”按钮来控制泵输送物料。

2.3设备结构和工作原理展示平台

在实际生产实践中，学生无法观察主要设备的内部结构和工作原理。针对这一问题，虚拟系统为学生提供了一个观察现场设备操作原理的平台。在每个关键设施上都设置了友好的交互界面，窗口包含一些设置，例如用于控制主结构透明度的输入框和用于打开流体颗粒效果的切换。用户可以通过使用“隐形”设置来观察内部结构，以隐藏设备外壳或通过打开管道中材料的半透明显示和流动效果来显示设备的操作状态。此外，还提供了“了解更多”按钮，供用户随时在互联网上浏览相关信息。

2.4协作学习和安全教育平台

在实际的化工厂中，通常不允许非工作人员接近有危险因素的设施。因此，在虚拟系统中的每个具有风险因素的地方都有设置安全提示窗口，当用户进入相关区域时窗口会弹出以提示用户知道附近有风险因素的设施并提醒他们应该注意什么。用户还可以单击“详细信息”按钮以阅读更详细的知识和信息。

由于化工厂中的实际操作通常需要许多人一起工作来完成任务，所以在虚拟仿真系统中还提供了多玩家模式。用户可以通过设置交互式窗口以打开多人游戏模式。当用户单击“创建”按钮时，将创建一个服务器，通过输入其IP地址可以链接其他计算机。通过这种方式，不同的用户可以进入同一场景并在同一项任务上进行合作。

在这个系统中，我们建立了一个案例：许多人合作应对火灾事故。在虚拟场景中，火灾事故是由漏油引起的，用户应关闭阀门以防止泄漏，而其他人则选择合适的灭火器并扑灭火灾。在实际生产中，化工厂的事故通常非常严重。这个案例的目的是加强学生的安全生产和合作意识，培养他们分析事故原因的能力，并采取适当的处理措施。

3．虚拟实践平台的发展

我们的目标是建立一个互动的虚拟实践平台，协助化学专业学生的实践教学，解决传统实践教学模式中存在的问题。 主要设计功能是平台的可访问性，可用性和交互性。

3.1设计开发

虚拟实践平台的设计开发涉及三个基本步骤。

第一步是咨询具有实践教学经验的教师，了解传统化学工程实践的内容和在传统实践教学活动中遇到的问题。此步骤的目的是找出学生应该获得的知识和技能，以便在虚拟环境中相应地提出合适的解决方案。这是为了确保虚拟平台满足学生的要求。 此外，还会咨询一些文献和文献，以确定是否有任何我们可以学习或改进的内容。

在第2步中，我们将讨论虚拟系统中应包含哪些功能和内容以及如何在模拟场景中显示它们。根据步骤1中得到的结果，设计的系统要求如下：应该有一个符合真实场景的三维场景；应该有重要的设备；应为学生的学习和咨询提供设备的功能和管道的相关信息。其次，虚拟仿真系统必须是一个实践和操作平台，也就是说，系统应该与现实相结合，设置一些操作，以加深学生的理解，帮助他们获得实践经验。同时，安全教育在虚拟场景中是不可或缺的。在这里，学生可以获得有关生产的安全知识，他们的安全意识将得到改善。此外，应为不同用户设置多人互动模式，以进入同一场景并一起操作。在这个虚拟平台中设置了一个小火灾事故，火灾事故在现实生活中很常见，通常需要很多人一起处理。通过这项训练，学员的合作能力和处理简单紧急事故的能力将得到加强。

第3步涉及虚拟平台的开发和优化。首先，创建三维场景并将其导入3D引擎。接下来，添加逼真的纹理映射，合适的照明组合和三维效果，以使虚拟模拟场景更逼真和沉浸。 然后编辑合理的功能代码以实现预先设计的目标。完成后，虚拟实践平台作为可执行程序发布，初步应用于化学实践教学。评估虚拟平台的性能，收集用户的反馈和建议，以优化和更新系统，以满足用户的预期需求。

3.2技术发展

Google Sketch Up用于绘制虚拟场景中主要设施和管道的三维模型。Unity 3D用作3D虚拟现实引擎，以创建逼真且沉浸式的三维场景。采用C＃语言编辑用于响应用户操作和实现交互式仿真的功能代码。Visual Studio 2013用作编辑器。 此外，许多插件用于协助此虚拟平台的开发。例如，Next-Gen UI工具包（NGUI）用于设计二维操作界面。虚拟过程中采用粒子系统组件来模拟流体，火焰和烟雾等特殊效果。 NetworkView组件用于创建多人模式，实现网

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资料编号：[959]

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