王 艷，鄒海明，范行軍，朱 琳

(安徽科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程系，安徽 滁州 233100)

應(yīng)用型高校是在我國(guó)高等教育逐漸向大眾化轉(zhuǎn)型發(fā)展下所出現(xiàn)的，它不同于普通本科也有別于高職高專院校，其主要是以全面發(fā)展的應(yīng)用型專業(yè)人才培養(yǎng)為根本目標(biāo)的全新類型高校。應(yīng)用型高校為了培養(yǎng)出適應(yīng)地方發(fā)展和社會(huì)需要的具有較強(qiáng)實(shí)踐能力的創(chuàng)新性應(yīng)用型人才，不斷豐富教學(xué)資源、優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)體系，以及加大教學(xué)設(shè)備投入。

在過(guò)去的幾十年里，我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、精神文明和民眾生活質(zhì)量都得到了飛速發(fā)展。同時(shí)，也付出了一定的代價(jià)，我國(guó)生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題逐漸突出，國(guó)家對(duì)我國(guó)的環(huán)境生態(tài)質(zhì)量的重視逐年加強(qiáng)，我國(guó)居民對(duì)所生活的環(huán)境質(zhì)量及環(huán)境保護(hù)的意識(shí)日益增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境工程專業(yè)人才的需求也逐漸提高，特別是對(duì)應(yīng)用型環(huán)保類人才需求的缺口還是很大。對(duì)于應(yīng)用型高校，培養(yǎng)出符合地方企業(yè)需求的高素質(zhì)創(chuàng)新性應(yīng)用型環(huán)保類人才，具有非凡的意義。

實(shí)踐教學(xué)是環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，它將工程知識(shí)和環(huán)境污染問(wèn)題有機(jī)地結(jié)合在一起，它不僅有利于培養(yǎng)工科學(xué)生的操作能力、創(chuàng)新思維和對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，而且有助于學(xué)生體驗(yàn)將理論知識(shí)應(yīng)用實(shí)際過(guò)程。在環(huán)境工程領(lǐng)域，所涉及到的廢氣、廢水、廢渣等處理設(shè)備、處理裝置規(guī)格龐大，難以直觀全貌和充分理解其工藝流程，給實(shí)踐教學(xué)帶來(lái)了不少問(wèn)題。隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)和人工智能的飛速發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)與線下實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，采用虛擬仿真技術(shù)模擬線下實(shí)踐教學(xué)體系，不但有效解決線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在問(wèn)題，而且通過(guò)虛實(shí)結(jié)合開(kāi)發(fā)了新的教學(xué)模式，也能提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

1 傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.1 實(shí)踐學(xué)時(shí)短，限制了部分實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展

雖然應(yīng)用型高校增加了實(shí)踐教學(xué)的學(xué)時(shí)比例，但是環(huán)境工程專業(yè)的一些實(shí)踐課程仍然無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)順利開(kāi)展[1-2]。任課教師詳細(xì)講解實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)過(guò)程后，學(xué)生需要按照實(shí)驗(yàn)要求完成安裝實(shí)驗(yàn)裝置、配制試劑、實(shí)施實(shí)驗(yàn)等一系列操作過(guò)程，再加上化學(xué)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，使得很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，更別說(shuō)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)差錯(cuò)，重新來(lái)過(guò)了。故此類需要較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往不被列入計(jì)劃之中，使得學(xué)生缺乏應(yīng)有的鍛煉。

1.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及開(kāi)展形式單一

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程涉及到實(shí)驗(yàn)藥品及實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的安全性，所選擇的多數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均為驗(yàn)證性或是演示性實(shí)驗(yàn)，這一類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多數(shù)操作簡(jiǎn)單，條件成熟。學(xué)生只需按照教師早已擬定的實(shí)驗(yàn)步驟及關(guān)鍵步驟的注意點(diǎn)，詳細(xì)的示范動(dòng)作，基本都能很好地完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。但是在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，缺乏挑戰(zhàn)性，也很難提升學(xué)生分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，也無(wú)法啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺，無(wú)法得到充分的鍛煉

環(huán)境工程專業(yè)實(shí)踐操作所需的常規(guī)儀器設(shè)備均比較昂貴，操作成本也高，儀器設(shè)備體積也較大[3-4]。因此，這一類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)法得到普及，或是分組的組員人數(shù)較多，無(wú)法使得每一位學(xué)生得到獨(dú)立的訓(xùn)練，甚至對(duì)這些儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理也缺乏充分的理解。

1.4 儀器設(shè)備滯后，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

近年，科技迅猛發(fā)展，新時(shí)代也對(duì)高校培養(yǎng)出來(lái)的人才有了更高的要求?？墒歉鞔蟾咝Ｊ芙?jīng)費(fèi)制約，許多儀器設(shè)備滯后于行業(yè)發(fā)展[5]。同時(shí)，受到當(dāng)前特殊時(shí)期的環(huán)境影響，學(xué)生也缺少到對(duì)口工廠實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)，也沒(méi)有機(jī)會(huì)全面了解環(huán)保企業(yè)的工藝流程和各單元操作化學(xué)反應(yīng)的變化規(guī)律，從而導(dǎo)致高校培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生無(wú)法滿足實(shí)際環(huán)保部門及企業(yè)的需求。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐教學(xué)中的初探

2.1 虛擬仿真平臺(tái)搭建

環(huán)境工程專業(yè)實(shí)踐工藝流程長(zhǎng)，涉及到的設(shè)備、構(gòu)筑物龐大，微生物反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，化學(xué)試劑危險(xiǎn)、產(chǎn)生的危廢液體多等問(wèn)題嚴(yán)重限制環(huán)境工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的開(kāi)展和學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。虛擬仿真平臺(tái)可以參考實(shí)際設(shè)備、構(gòu)筑物和工藝流程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景；依據(jù)物理化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和環(huán)境類專業(yè)知識(shí)理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)反應(yīng)模型；在互聯(lián)網(wǎng)的支撐下，搭建環(huán)境工程類專業(yè)虛擬仿真平臺(tái)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)一般包括實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明和實(shí)驗(yàn)?zāi)M三大部分如圖1所示。其中實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)采用視頻的形式整體介紹虛擬仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)背景、意義以及整個(gè)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；實(shí)驗(yàn)說(shuō)明部分中詳細(xì)地介紹每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和注意事項(xiàng)；實(shí)驗(yàn)?zāi)M部分為學(xué)生根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求，選擇實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)構(gòu)筑物，再組建工藝流程，調(diào)試工藝運(yùn)行參數(shù)，最后通過(guò)模擬考試，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

圖1 環(huán)境工程類專業(yè)虛擬仿真平臺(tái)

2.2 改革教學(xué)形式，線上線下結(jié)合

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常包括預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)考核等模塊。學(xué)生可以在課外，通過(guò)線上實(shí)驗(yàn)，積累零星的時(shí)間自主熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)等相關(guān)內(nèi)容。甚至可以在虛擬條件下多次模擬實(shí)施實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程從首頁(yè)開(kāi)始，登錄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)習(xí)經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證后的用戶點(diǎn)擊虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，可以鏈接到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室(如圖1所示)。通過(guò)選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，進(jìn)入理論學(xué)習(xí)、模擬練習(xí)、依據(jù)技術(shù)要求搭建工藝流程、開(kāi)始操作運(yùn)行、調(diào)試實(shí)驗(yàn)參數(shù)，得到符合要求的工藝參數(shù)后，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成模擬考試后結(jié)束實(shí)驗(yàn)并退出系統(tǒng)。

由于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用互聯(lián)網(wǎng)共享平臺(tái)機(jī)制，它可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)多人在不同地方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作及考試，在資源共享的情況下可以多校同時(shí)實(shí)施使用。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對(duì)學(xué)生的操作進(jìn)行規(guī)范性評(píng)估，并針對(duì)操作過(guò)程給出評(píng)分，及時(shí)糾正錯(cuò)誤和提供相應(yīng)的幫助，直至操作流程正確。這一實(shí)施辦法可以強(qiáng)化學(xué)生在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中規(guī)范性，提高操作的準(zhǔn)確度。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)掌握的程度不同的學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的鍛煉，也降低了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作的危險(xiǎn)性。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)涉及到劇毒、腐蝕性的化學(xué)藥品或是反應(yīng)劇烈、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)條件苛刻等情況下，虛擬仿真技術(shù)能完全規(guī)避，甚至縮短反應(yīng)時(shí)間，便于學(xué)生操作。如果學(xué)生能通過(guò)考核，再結(jié)合線下實(shí)際操作，培養(yǎng)動(dòng)手能力。

2.3 采用虛擬仿真設(shè)備，克服缺乏貴重儀器的缺陷

環(huán)境監(jiān)測(cè)及環(huán)境催化等實(shí)驗(yàn)過(guò)程均需要運(yùn)用到比較昂貴的儀器設(shè)備，儀器設(shè)備的套臺(tái)數(shù)和教學(xué)學(xué)時(shí)將嚴(yán)重限制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)展。而且這類貴重儀器的智能化程度較高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精密，學(xué)生很難接觸到，更別說(shuō)在有限的時(shí)間內(nèi)掌握工作原理，熟悉操作流程了。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境能保證多人同時(shí)多次的操作，學(xué)生也能反復(fù)通過(guò)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境掌握各種儀器設(shè)備的操作流程、樣品前處理、操作參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響等。

2.4 設(shè)計(jì)大型虛擬工廠，彌補(bǔ)頂崗實(shí)習(xí)局限性

實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐操作和實(shí)驗(yàn)課程，只能針對(duì)個(gè)別實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，無(wú)法體現(xiàn)污水處理廠、垃圾填埋場(chǎng)、火力發(fā)電廠的脫硫脫硝工藝等專業(yè)性極強(qiáng)的單元流程。即使學(xué)校聯(lián)系多個(gè)產(chǎn)學(xué)研基地和場(chǎng)所，也無(wú)法滿足同學(xué)們進(jìn)行長(zhǎng)久的頂崗實(shí)習(xí)的需求。而且此類工藝流程和設(shè)備及其龐大，學(xué)生很難觀得其全貌，只能見(jiàn)識(shí)局部，不能熟知工藝設(shè)備的工作原理，更沒(méi)有機(jī)會(huì)嘗試操作參數(shù)對(duì)工藝結(jié)果的影響。

設(shè)計(jì)的虛擬工廠，不僅僅能統(tǒng)觀全貌，熟知工藝流程，儀器設(shè)備操作方法，還能通過(guò)改變其中的工藝參數(shù)，了解處理結(jié)果的變化。讓學(xué)生能有身臨其境的感覺(jué)，并在短時(shí)間熟悉工廠的操作流程、安全生產(chǎn)的規(guī)程。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)獲得的教學(xué)效果

根據(jù)環(huán)境工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要評(píng)估環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)際應(yīng)變能力，并將對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)效果進(jìn)行有效反饋。采用反饋結(jié)果對(duì)該專業(yè)的各項(xiàng)主干課程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，并形成教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)和教學(xué)管理可行性分析及閉環(huán)系統(tǒng)。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所承載的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為我校環(huán)境類課程的必修內(nèi)容，主要應(yīng)用于化學(xué)與材料、農(nóng)業(yè)資源與利用、環(huán)境工程等專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)。

為了更好地了解參與虛擬仿真教學(xué)的教師和學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握情況和對(duì)實(shí)踐課堂模式的滿意程度，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)的教學(xué)模式。首先將2018級(jí)76名學(xué)生和2名教師設(shè)為傳統(tǒng)現(xiàn)實(shí)實(shí)踐教學(xué)組、2019級(jí)75名學(xué)生和3名教師設(shè)為純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)組、2020級(jí)80名學(xué)生和4名教師設(shè)為虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)組，然后三個(gè)組的學(xué)生均在教師詳細(xì)的指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，再進(jìn)入實(shí)習(xí)階段。再實(shí)習(xí)階段中，教師只分配任務(wù)和保障學(xué)生安全的情況下，學(xué)生領(lǐng)取任務(wù)后獨(dú)立完成的實(shí)習(xí)工作，并對(duì)三組同學(xué)對(duì)理論知識(shí)的掌握和線下操作成績(jī)對(duì)進(jìn)行了調(diào)查分析。從圖2可知，相對(duì)于2018級(jí)和2019級(jí)，2020級(jí)環(huán)境工程學(xué)生的線下操作更為熟練，更自信，打翻儀器設(shè)備和玻璃器皿的幾率小很多，而且理論知識(shí)掌握更為牢固，對(duì)所學(xué)知識(shí)也更能融匯貫通。

圖2 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)前后學(xué)生成績(jī)

問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)普遍比較滿意，他們覺(jué)得虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充實(shí)、實(shí)驗(yàn)步驟詳盡、實(shí)驗(yàn)形式新穎，像游戲一般有趣，具有吸引力。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)相比，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以反復(fù)多次獨(dú)立完成，也可以根據(jù)每一位同學(xué)的接受程度不同，在課前和課后反復(fù)練習(xí)，也可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)背景的理解。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也更容易激發(fā)學(xué)生對(duì)同一任務(wù)的不同設(shè)想和探索未知世界的興趣。在線下實(shí)驗(yàn)室操作之前，通過(guò)多次反復(fù)地強(qiáng)化對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，熟悉實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在開(kāi)展實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，就能比較容易避開(kāi)易犯錯(cuò)的環(huán)節(jié)。參加問(wèn)卷調(diào)查的教師們也反應(yīng)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目突破了受時(shí)間和空間限制的影響，使學(xué)生能有更多機(jī)會(huì)熟悉和掌握環(huán)境水污染治理工藝流程的原理和設(shè)計(jì)，以及每一種操作單元的優(yōu)點(diǎn)及局限性，使他們有機(jī)會(huì)嘗試多種工藝組合。鍛煉學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中遇到特殊問(wèn)題，如儀器設(shè)備故障等，能有條不紊地通過(guò)逐步排查，找到故障原因并及時(shí)處理。通過(guò)各種應(yīng)急事故的演練，使學(xué)生能在實(shí)際操作和生產(chǎn)過(guò)程中更加警惕安全隱患的存在，具備較強(qiáng)的安全意識(shí)和責(zé)任心，也能鍛煉學(xué)生處理應(yīng)急事故的能力，有效克服了因?qū)嵙?xí)場(chǎng)地的不足，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能產(chǎn)生環(huán)境污染物的毒副作用而無(wú)法滿足學(xué)生進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)的需求。

更重要的是，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展與完成，不僅可以督促學(xué)生自發(fā)地了解和熟悉各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在不同實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的要求、注意事項(xiàng)和技術(shù)規(guī)范，還能促使學(xué)生主動(dòng)通過(guò)不同途徑涉獵新的相關(guān)知識(shí)，開(kāi)闊眼界和知識(shí)面，也能強(qiáng)化學(xué)生查閱和收集文獻(xiàn)的能力，并分析文獻(xiàn)，從中獲得新的靈感。

4 結(jié) 語(yǔ)

相對(duì)現(xiàn)代高速發(fā)展的科技信息時(shí)代來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式和內(nèi)容已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足行業(yè)企業(yè)對(duì)專業(yè)應(yīng)用型人才的需求要求。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科行業(yè)新人的培訓(xùn)，得到廣大社會(huì)的認(rèn)可。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式由于其內(nèi)容趣味性強(qiáng)，仿真度極高，如身臨其境，不受時(shí)間限制，可以反復(fù)多次嘗試而受到學(xué)生的喜愛(ài)。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)結(jié)合線下實(shí)際操作，在很大程度上改善了單一傳統(tǒng)教學(xué)的缺陷和局限性，也能督促學(xué)生在課前預(yù)習(xí)，并評(píng)估其預(yù)習(xí)結(jié)果和對(duì)知識(shí)的掌握程度，高校教師也積極探究引導(dǎo)虛擬仿真技術(shù)的開(kāi)發(fā)和線下實(shí)驗(yàn)操作的相互結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和學(xué)生的動(dòng)手能力，為滿足新時(shí)代行業(yè)企業(yè)對(duì)專業(yè)應(yīng)用型人才的需求奠定了基礎(chǔ)。