谷 風(fēng)，吳春英，白 鷺

(吉林化工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

虛擬仿真技術(shù)在教育方面的應(yīng)用是現(xiàn)在面臨的新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)，其本質(zhì)上是將信息技術(shù)諸如人工智能、大數(shù)據(jù)處理分析及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)，它適應(yīng)了信息時(shí)代開放教育和資源共享改革的要求，既能夠拓寬實(shí)踐項(xiàng)目涉及的領(lǐng)域，也能夠彌補(bǔ)學(xué)時(shí)的局限性，更能大大降低工程類實(shí)踐教學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)性，最后達(dá)到提高環(huán)境類工程實(shí)踐教學(xué)能力的目的。這是提高學(xué)生創(chuàng)新、自主、設(shè)計(jì)和解決復(fù)雜工程問題能力的新途徑，是培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型綜合人才的有效教學(xué)手段[1-2]。

一、國(guó)內(nèi)外虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)研究現(xiàn)狀

(一) 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外大學(xué)將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、3D打印、遙現(xiàn)、移動(dòng)應(yīng)用等技術(shù)，借助虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，利用視頻、電子教材、課件、軟件、仿真系統(tǒng)等資源來實(shí)現(xiàn)交互式虛擬實(shí)驗(yàn)、沉浸式實(shí)驗(yàn)、3D虛擬實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程協(xié)同實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)式虛擬實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

例如：英國(guó)部分大學(xué)開展了應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行虛擬的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠進(jìn)行交互式多媒體實(shí)驗(yàn)與研究；美國(guó)大學(xué)有的是由某個(gè)企業(yè)構(gòu)建并提供結(jié)構(gòu)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生開設(shè)交互式虛擬系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)；STARCAVE是加州大學(xué)圣地亞哥分校開發(fā)的一種虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它模擬了公元前10世紀(jì)約旦的一座城堡，可以用手持控制器從上方鳥瞰來了解這座巨大堡壘的結(jié)構(gòu)和功能；維多利亞大學(xué)通過3D實(shí)驗(yàn)室里最先進(jìn)的3D掃描儀和打印機(jī)、運(yùn)動(dòng)傳感器和激光切割機(jī),幫助學(xué)生操作和研究諸如化石、文物之類的易碎品(如經(jīng)3D掃描、打印的古埃及花瓶)，其目的是培育和激勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神、鼓勵(lì)創(chuàng)客們積極開展協(xié)作[3]。

上述國(guó)外高校都從不同角度將虛擬與現(xiàn)實(shí)有機(jī)結(jié)合起來，借助信息化技術(shù)推動(dòng)實(shí)踐驗(yàn)教學(xué)改革，充分利用各種教學(xué)資源，以期培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、創(chuàng)新性和實(shí)踐性。

(二) 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)+信息技術(shù)的快速發(fā)展，將之應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)也逐漸受到了國(guó)內(nèi)高等院校的重視，紛紛加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等教育資源建設(shè)隊(duì)伍中，目前已經(jīng)建設(shè)了一大批基于虛擬仿真的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。國(guó)家和教育部及地方積極組織開展專項(xiàng)科學(xué)研究，目前研究?jī)?nèi)容主要涉及：(1)理論研究方面主要探討虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的應(yīng)用分析，主要將通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)引入到教學(xué)中；例如在環(huán)境工程專業(yè)《大氣污染控制工程》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用信息化教學(xué)模式，提高實(shí)驗(yàn)效果[4]；(2)建立各種規(guī)模的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心，將教學(xué)媒體課程資源和學(xué)習(xí)資源進(jìn)行整合，提高教學(xué)資源利用率；例如生態(tài)與環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心構(gòu)建與管理[5]；(3)基于虛擬仿真技術(shù)的各類教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)，例如設(shè)計(jì)大氣污染探測(cè)虛擬仿真系統(tǒng)[6-7]。

國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)有主流研究，從研究?jī)?nèi)容上看大多集中于虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的建設(shè)、將信息技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式研究，相對(duì)缺少對(duì)如何將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于整體實(shí)踐教學(xué)體系及其內(nèi)容、具體方法、管理和考核等進(jìn)行深入的研究；從研究方法上看，主要采用傳統(tǒng)的理論、應(yīng)用形式研究，研究中沒有把信息化技術(shù)具體應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)的理論、技術(shù)與管理方法進(jìn)行結(jié)合。雖然個(gè)別學(xué)者已有過創(chuàng)新化的研究思路并取得一定成果，鮮有建立完整的教育信息化2.0視域下將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的新范式[8]。

二、虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的必要性

環(huán)境類專業(yè)原有的“理-實(shí)”教學(xué)模式是利用現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境結(jié)合理論內(nèi)容來進(jìn)行教學(xué)，在實(shí)踐教學(xué)過程中，受到實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境不完善、實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限、實(shí)驗(yàn)耗材昂貴、實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的廢棄物排放污染環(huán)境、涉及高溫高壓操作、存在有毒有害及易燃易爆危險(xiǎn)品安全隱患、實(shí)習(xí)企業(yè)條件內(nèi)容單一等諸多因素制約，影響了實(shí)踐教學(xué)效果，不能達(dá)到工程教育對(duì)實(shí)踐教學(xué)的要求，以虛擬仿真技術(shù)為輔的實(shí)踐訓(xùn)練在很大程度上可以解決上述問題。

以《大氣污染控制工程》實(shí)習(xí)課程教學(xué)為例：《大氣污染控制工程》是環(huán)境類專業(yè)實(shí)踐性很強(qiáng)的主干課程之一，內(nèi)容涉及大氣污染物種類、形成原因、擴(kuò)散過程以及控制原理和手段等，其所含涵蓋的學(xué)科包括：流體力學(xué)、物理化學(xué)、氣候氣象學(xué)、水文地理學(xué)及化工原理等；大氣污染源復(fù)雜難分析，所涉及行業(yè)較廣，因此與大多數(shù)環(huán)境專業(yè)課程相比，大氣污染控制工程實(shí)踐性課程較多、實(shí)踐材料消耗量大、設(shè)備臺(tái)套數(shù)有限并運(yùn)行成本高，具有一定的危險(xiǎn)性，這使得很多大氣實(shí)踐課程難以在現(xiàn)有條件下實(shí)現(xiàn)，借助虛擬仿真信息技術(shù)，可在很大程度上解決這些瓶頸問題，并且避免了使用有毒有害、易燃易爆等氣體，保證實(shí)踐教學(xué)安全。

三、虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系初步構(gòu)建

以環(huán)境工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)為研究對(duì)象，按照“重組基礎(chǔ)、反映特色、相互補(bǔ)充、科技融合”的原則，在現(xiàn)有實(shí)踐課程設(shè)置方式基礎(chǔ)上，實(shí)行層次化實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)支持環(huán)境，形成“線上線下集成、軟件硬件結(jié)合”的多層次、漸進(jìn)式虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系[9-10]。

(一) 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

我校課程團(tuán)隊(duì)根據(jù)地方本科高校應(yīng)用型專業(yè)特點(diǎn)，依托環(huán)境工程專業(yè)的虛擬仿真教室和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)，通過“虛實(shí)結(jié)合”“虛創(chuàng)結(jié)合”，構(gòu)建智慧學(xué)習(xí)支持環(huán)境，形成“線上線下集成、軟件硬件結(jié)合”的多層次、漸進(jìn)式虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系。

按照環(huán)工專業(yè)培養(yǎng)方案的授課計(jì)劃要求，將虛擬仿真技術(shù)分為三個(gè)層次引入實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中。以《大氣污染控制工程》實(shí)驗(yàn)課為例：第 1 層次為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，包括在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱要求的必修和選修實(shí)踐內(nèi)容；第 2 層次增加綜合拓展性實(shí)驗(yàn)，開發(fā)與理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容相關(guān)、學(xué)生參與設(shè)計(jì)開發(fā)的綜合實(shí)驗(yàn)；第 3 層次開發(fā)與教學(xué)和科研相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)為主動(dòng)思考探索，將驗(yàn)證性結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)性創(chuàng)新，進(jìn)而提高創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)，同時(shí)還可以有效避免使用有毒有害、易燃易爆等氣體，保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全。

另外，根據(jù)應(yīng)用情況反饋不斷完善，廣泛聽取學(xué)生和任課教師的意見和建議，形成整改方案之后進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目系統(tǒng)定期優(yōu)化，例如將課程思政有機(jī)地融合進(jìn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)之中，由此以來，既適應(yīng)了信息時(shí)代開放教育和資源共享改革的要求，又拓寬了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及的領(lǐng)域、彌補(bǔ)學(xué)時(shí)的局限性，使教師有更多的時(shí)間與空間循序漸進(jìn)、由淺入深的進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，在培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)視域的同時(shí)，還可以使之樹立科學(xué)思維、堅(jiān)定理想信念以塑造正確的價(jià)值觀。

(二) 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)方法

完善、整合相關(guān)素材資源，如視頻、動(dòng)畫、flash及本校制作的操作視頻、微課、操作流程、操作課件等，融合環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)，通過教師演示、學(xué)生集中學(xué)習(xí)進(jìn)而進(jìn)行仿真操作，通過廣而深的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)必要知識(shí)的掌握和理解，以達(dá)到實(shí)踐教學(xué)要求。

在虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)過程中，學(xué)生先由各自的賬號(hào)進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由教師講解實(shí)驗(yàn)原理及軟件操作流程，之后學(xué)生在虛擬系統(tǒng)中可以進(jìn)行設(shè)備辨識(shí)并熟悉其結(jié)構(gòu)，進(jìn)而完成整體實(shí)驗(yàn)過程。同時(shí)，也可以將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)及生產(chǎn)實(shí)習(xí)當(dāng)中，通過虛擬仿真結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的階梯實(shí)踐教學(xué)模式來滿足實(shí)踐教學(xué)要求。

(三) 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)運(yùn)行機(jī)制的建設(shè)

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于地方高校的實(shí)踐教學(xué)，主要是以虛擬仿真實(shí)踐實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為載體完成的。與普通實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行與管理有著一些特殊性，因此，應(yīng)根據(jù)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的自身特點(diǎn)，加強(qiáng)組織保障和制度建設(shè)。進(jìn)一步制定和優(yōu)化人工智能+教師隊(duì)伍建設(shè)政策，鼓勵(lì)教師積極投身智慧教學(xué)，促進(jìn)虛擬仿真等信息化技術(shù)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)的融會(huì)貫通，提高智慧教學(xué)水；將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)管理模式轉(zhuǎn)為開放式管理，增強(qiáng)其靈活性；加強(qiáng)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理與權(quán)限管理等，保證虛擬仿真輔助實(shí)踐教學(xué)的高效性和穩(wěn)定性[11-12]。

(四) 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)考核方式

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)考核內(nèi)容主要包括實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過程操作、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，還可以通過匯報(bào)、答辯等方式來考核取得優(yōu)秀成績(jī)的學(xué)生。

1.實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì):學(xué)生通過充分查閱文獻(xiàn)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、過程以及想要達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果，由指導(dǎo)教師綜合考評(píng)實(shí)驗(yàn)方案是否可行以及是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)；

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析:學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，運(yùn)用虛擬仿真軟件在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理和步驟參考指導(dǎo)下進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果來總結(jié)本方案的實(shí)驗(yàn)效果并論證，以指導(dǎo)其后的實(shí)驗(yàn)操作；

3.實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫階段:結(jié)合之前的數(shù)據(jù)分析，探討本實(shí)驗(yàn)方案的可行性及有效性，研究實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的各種問題并究其規(guī)律及原因，總結(jié)不足以期改進(jìn)；

4.答辯:對(duì)實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生，鼓勵(lì)其介紹心得體會(huì)并制作PPT進(jìn)行匯報(bào)交流，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革創(chuàng)新，針對(duì)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)考核方式向多元化、多角度方向轉(zhuǎn)變?；A(chǔ)型考核是課程評(píng)價(jià)的根基，包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫規(guī)范性、實(shí)驗(yàn)步驟詳盡性、試劑配備方法準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)處理客觀性以及結(jié)果討論的全面性等內(nèi)容的考核；過程型考核覆蓋基礎(chǔ)驗(yàn)證性、綜合設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新探究性三部分實(shí)驗(yàn)課程體系，包括以客觀題的形式考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)所涉及的理論內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)原理等的掌握程度，促使學(xué)生理論與實(shí)際相結(jié)合，以主觀題的形式考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中所遇問題的解決能力和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果的綜合分析能力；提升型考核是基于綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新探究型思維培養(yǎng)的高階性考核，包括設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案并探討本實(shí)驗(yàn)方案的可行性及有效性，以及以正式發(fā)表論文的形式撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)摘要、關(guān)鍵詞、前言、正文及結(jié)論均有評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

(五) 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)管理制度建設(shè)

學(xué)院制定總體系列實(shí)踐管理規(guī)章制度，構(gòu)建適當(dāng)?shù)闹悄荛_放式虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)管理系統(tǒng)，教師和學(xué)生均可以網(wǎng)上查詢實(shí)踐課表和虛擬教室使用情況，并且能夠根據(jù)系統(tǒng)信息預(yù)約實(shí)驗(yàn)，避免實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地使用時(shí)間上的沖突。實(shí)驗(yàn)中心統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、環(huán)境工程系分級(jí)管理，確保實(shí)踐教學(xué)規(guī)范并有序進(jìn)行[13-14]。

四、結(jié) 語

利用互聯(lián)網(wǎng)+智慧教學(xué)理念，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，根據(jù)地方本科高校應(yīng)用型專業(yè)特點(diǎn)，進(jìn)行針對(duì)性、有特色的實(shí)踐課程體系建設(shè)研究與實(shí)踐，使其多樣化，同時(shí)解決相應(yīng)的問題。尤其是后疫情這種特殊時(shí)期，將線下實(shí)踐教學(xué)搬到線上進(jìn)行，既可保證正常的教學(xué)任務(wù)和秩序，還可以擴(kuò)大實(shí)踐教學(xué)資源共享范圍，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。同時(shí)，將體現(xiàn)師生互動(dòng)與個(gè)性化教學(xué)模式引入到信息化教學(xué)資源的組織與建設(shè)中，提出新的實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)的框架，為現(xiàn)代信息技術(shù)教育提供合理、高效、有序的教學(xué)資源運(yùn)行、實(shí)踐和管理體系。