引进仿真实验 推进高职环境专业实训教学改革

引进仿真实验 推进高职环境专业实训教学改革

于淼

摘要：针对高职类院校环境专业传统实训存在的问题，分析了引进仿真实验实训的优势、仿真实训可能带来的问题与对策等，并列举混凝沉淀仿真实训实例,阐述了引进仿真实验推进高职环境专业实训教学改革的必要性与客观性。仿真实验可以显著提高环境类专业实训教学效果，但同时仿真实验并不能完全替代真实实验。仿真实验应该作为传统实训教学的必要补充和延伸，实训中应充分发挥仿真实验和传统实验的各自优势，正确把握仿真实验在实训教学中的地位。

关键词：高职；环境专业；实训教学；仿真实验

作者简介：于淼，男，苏州农业职业技术学院工程师，硕士，主要研究方向为水污染控制技术、环境类课程教学。

中图分类号：G712

高等职业教育的培养目标是为社会培养技术型、应用型人才，能够适合企业生产、服务的需要，即人才培养的目标定位于面向生产一线。因此，高等职业教育的特点是以职业能力培养为主。高职院校环境专业如环境工程技术、环境监测技术、环境规划等专业，培养的学生不但要有一定的环保类、工程类理论基础，更重要的是还需具备良好的实践能力、创新能力和知识的综合应用能力，毕业后能在环保类企业的设备生产、环保设施运营、环境工程施工、环境实地监测中担当起技术方面的工作，并有改进创新的思路，在工作岗位上有所担当。许多环境类的高职课程如水污染控制技术、大气污染控制技术、固废污染控制技术等都有相当数量的实训教学，这恰是实现这一培养目标不可替代的教学环节。但目前高职院校的环境类专业实训还存在着许多与高职教育发展不相适应的地方，如何改进环境类实训教学改革成为高职院校教改面临的一个重要课题。

一、传统环境专业实训教学的特点与存在问题

(一)环境专业实训教学特点

高职院校环境专业要求学生具有较强的实践动手能力，实训环节应占有较大的比重。根据操作的难易程度和实验本身的性质，环境专业课程实训通常包括3个层次。[1]

1.基础实训。该层次实训主要用于训练学生的通识基础实验、学科基础实验技能，是学生后续专业实践的基础，需要提供足够的实验设备，并保证充足的实验课时，为学生打牢基础。

2.专业实训。该层次实训伴随专业课开设，是对课堂所学专业知识的巩固和实践，是专业的核心技能，主要训练学生掌握环境污染治理的基本工艺流程、设备的运行方式和操作方法等。该层次实训涉及的实验设备通常比较昂贵、体积较大，而且实训中伴随着污染物处理过程，容易产生二次污染。

3.综合设计性实训。该层次实训是基础实训和专业实训的进一步延伸，用于训练学生综合运用所学专业知识，设计并实际运行环境污染处理工艺的能力，是培养学生创新能力的重要手段。

综上所述，环境专业实验具有四个特点：实验复杂，综合性强；分析实验仪器昂贵；专业实验内容更新快；实训过程存在一定的污染性与安全性。

(二)传统环境专业实训教学存在的问题

1.实验结果误差较大。传统的实训系统以实物为主，在实训过程中，用各种测试仪器及电子元器件、处理设备连接成实际运行设施来完成，实验误差较大。一方面，主要是电子仪器设备易磨损老化、设备故障率较高、外来干扰因素(温度、有毒物质影响微生物活性等)较多，使实验的固有误差增大；另一方面，学生操作不准确、不仔细等，导致人为的操作误差增大。

2.学生人数过多，无法人人参与。由于财力及实验室面积的局限，特别是一些专业实训和综合设计性实训的设备比较复杂并有一定的占地面积(如一套污水处理中试设施)，而当学生人数又较多时，不可能每个学生人手一台设备进行操作或调试，只能分组进行实训。结果可能一个组只有一个或几个学生在动手操作，大部分人只是旁观者，在主观或客观上根本不参与实训。

3.不利于培养学生的设计和创新能力。传统实训系统受到设备、时间等因素的限制，在实训过程中不允许学生自行设计或改变实验参数、反复调整后观察实验现象、分析实验结果,达不到预期的实验教学效果。因此，通过实训教学培养学生科学素质和创新能力的目标难以实现。

4.不利于实验考核。传统实验受到设备、时间、学生人数等方面的限制，一般教师仅仅根据实验结果判定实验成绩，较少考虑学生的自我思考能力和设计能力、研究能力和综合能力。

二、环境专业课程仿真实验及引进仿真实验进行实训的优势

针对环境专业课程实训教学的特点，传统的实训教学手段明显存在局限性。将仿真实验技术引入实训教学中，与传统实训有机结合，成为近年来的重要发展趋势。

(一)环境专业课程仿真实验

仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境，通过这些虚拟实验仪器或设备开展实验，达到与真实实验相一致的教学目的和要求。[2]目前，环境专业开设的仿真实验项目有自由沉淀实验、过滤实验、混凝实验、气浮实验、曝气充氧实验、活性污泥实验、碱液吸收SO2实验、旋风除尘器性能实验、污水处理实习仿真等，涉及的专业课程包括“环境工程原理”、“环境工程学”、“水污染控制工程”、“水处理设备设计与应用”、“大气污染控制工程”、“流体力学”。

(二)引进仿真实验进行实训的优势

针对传统的实训教学模式所存在的问题及仿真实验的特点，引进仿真实验进行实训的优势体现在以下七个方面。

1.使用便捷，可以灵活开展实验并节省实验成本。仿真实验只需要一台电脑和一套实验仿真系统软件即可，学生可以随时随地完成相关实验。可以抛开以仪器、化学药品等为测量工具的传统实验方法，仿真实训成本低、功能全，仿真实训时不消耗器材、药品，不损坏设备、安全可靠。相关课程所有实验在虚拟的实验平台上完成，大幅度的降低了实验设备的投资和实验室维护费用的投入。

2.操作简单，交互性好，实验效果好，成功率高。仿真实验具有良好的人机交互界面和帮助文档，能随时对学生给予提示和帮助，学生可以大幅度的降低实验操作误差和固有误差。另外，通过对虚拟实验平台的仿真实验，学生对环保设施运行等有了较深的了解，胸有成竹，在实际环保设施运行中也会上手较快，提高了工作能力。

3.可以重复开展实验，不存在损坏仪器问题，不受设备药品等因素限制，进一步提高了实验层次，激发了学生求知欲。虚拟实验平台不受测试仪器、设备的限制，很容易实现实验实施方案的设计改造，仿真实验是虚拟环境下的实验，即使操作不当，也不会损坏仪器，只要重启一下实验软件即可重复实验，可自行组织、自由操作和调试，不必担心因参数设置错误等问题致系统崩溃导致不可逆的后果。学生可以大胆操作反复尝试新的方法，激发了学生的创新意识，提高了学生的创新能力。同时，由于某些真实实验所需的实验仪器、实验材料、测试费用比较昂贵而常常无法开展，仿真实验则起到了较好的替代或补充，不但提升了实验档次，更主要的是使学生毕业后能尽快地适应社会需求。

4.采用人手一机的方案，这样可以强制性地帮助学生克服惰性和依赖性，督促每个同学都能更好地进行实验技能训练，拓展了学生参加实验的积极性、主动性，一定程度培养了学生勤于思考、勇于创新的精神，较好地锻炼了学生综合实践能力，实验技能有了较大的提高。

5.实验教学改革能促进实验指导教师不断提升自身理论水平，提高了教学效率和教师的教学科研能力，促进了教师业务知识的更新，使实验教学手段和教学内容丰富多样。[3]

6.便于开放性实验室的具体实施。仿真实验系统受到时间、场地等因数的影响小，易于实现开放实验室，使学生可以在课余时间能够充分利用实验室开放，从事一些小设计、小制作，甚至参与一些科技项目研究。

7.可以开展在实际情况下无法实现的某些特殊故障查找与运行，提高学生的实践能力。

三、实验仿真系统的实施——以混凝沉淀实训为例

(一)传统实训步骤与存在问题分析

混凝沉淀实训是水污染控制技术课程的一个专业实训，通过向平行原水水样中投药以确定已知混凝剂最佳投药量和最佳pH值。所用设备为六联搅拌器，测量设备为光电浊度计、酸度计、主要耗材有硫酸铝、盐酸、氢氧化钠，确定最佳投药量的步骤为：6个烧杯中的原水与不同量的混凝剂混合后，用6台搅拌器同时对6个烧杯中混合物同时进行搅拌，静止沉淀后测浊度确定最佳投药量。在传统的实际实训中，从开始到结束包括药品称量配制、混合液投加、搅拌沉淀、数据处理等步骤大约需要2-3个小时，耗时较长，6台搅拌器实际转速不会完全一致，实验有一定误差，且设备使用时间越长，因磨损、器件老化、盐酸与氢氧化钠对搅拌器叶轮的腐蚀性等原因会使误差持续增大。如若混凝剂投加有误，则需将烧杯中混合物全部倒空重新配制，对实验药品造成浪费。实训过程中学生人数较多的话不会人手一台搅拌器，按人数进行分组就会出现旁观者较多的现象。

(二)混凝沉淀实训仿真实验的优势

1.混凝沉淀实训若采用仿真实验，在计算机有一个可视化的实验操作环境，通过这些虚拟实验仪器或设备开展实验(图1)，在机房就可完成，学生可人手一机，每个人都可以按完整的步骤进行实训，不存在旁观者的现象。

图1　混凝沉淀仿真实训界面

2.实训中的药品配制、仪器测量、原水与混凝剂投加、pH调节等步骤都可以在交互式界面中完成(图2)，比较形象直观，能让学生清楚地操作每一个步骤。如果操作错误可以重来，不存在药品消耗等问题。

图2　混凝沉淀仿真实训交互式界面

3.进行搅拌和沉淀可以在仿真模拟的搅拌器控制面板中进行参数的设置(图3)，与实际的操作并无区别，可以让学生熟悉一些电气、机械设备使用的基本常识。

图3　混凝沉淀仿真实训搅拌器控制面板

4.最后实验数据的处理与数据曲线的生成可直接由仿真实验系统完成，没有误差的问题，缩短了实验时间(图4、图5)。

图4　混凝沉淀仿真实训数据处理

图5　混凝沉淀仿真实训数据曲线

5.对学生的考核。每个实验步骤及结果都会比较清楚地由仿真系统模拟并记录，教师可以根据仿真系统记录的结果，对每个学生的完成实验情况进行比较客观的考核打分。

四、引进仿真实验后实训教学可能存在的问题与应对措施

(一)引进仿真实验后实训教学可能存在的问题

1.过于依赖仿真实验。基于仿真实验的经济性、快捷性、安全性等优点，引进仿真实验后，其在实验教学中的比重可能更为突出。然而过于依赖仿真实验，会削弱学生对实验仪器、药品的认知程度，减弱学生对实验仪器操作的熟练程度，降低学生解决实际问题的能力。[4]

2.仿真实验与真实实验相互独立。从环境专业开设的实验项目来看，仿真实验与真实实验几乎都是独立进行的，即如果同一种实训有仿真实验就不开展真实实验，可能很少将仿真实验与真实实验联合起来作为一个实验项目进行开设，从而无法发挥仿真实验“预演”的优势。

3.学生重视程度不够。仿真实验几乎都是计算机设定程序下的验证性实验，通过简单的鼠标点击或键盘输入即可完成，学生无论操作好坏对实验结果影响不大。其结果是很多学生对仿真实验不重视，认为实验过程简单，随便操作一下便可得到实验结果，对实验原理、数据分析也是一知半解，并未主动分析思考问题，最终导致实验教学效果较差。

(二)仿真实训教学中应采取的改进措施

1.加强仿真实验与真实实验的结合。虽然仿真实验具有诸多优点，但是与真实实验还存在一定的差距，若过于依赖仿真实验，则不利于学生动手能力和创新思维的培养。[5]因此，仿真实验不能完全替代真实实验，其不应成为专业实验教学的主体，而应作为真实实验的有效补充和延伸。

2.仿真实验可为真实实验做准备。利用仿真实验为真实实验、生产实习等实践课作好“预演”，可以使学生深入理解实验原理、熟悉实验过程、掌握实验操作步骤，从而提前发现真实实验过程中可能遇到的问题，减少实验错误，提高实验效率，节约实验成本。同时，通过仿真实验预演和真实实验验证，还可以进一步强化学生实验技能，提高实验教学效果。加强仿真实验与真实实验的结合，不仅有利于强化学生的工程意识，改进学生的思维模式，还有利于学生树立全局观念，预先对真实实验形成整体认识。[6]

3.改进仿真实验软件。为了提高学生对仿真实验的兴趣和重视程度，应进一步改进现有仿真实验软件，增加一些设计性操作或考查试题。可在实验原理、实验内容、数据处理、实验结果等之后设置若干考查试题，要求学生正确回答后才能进行下一步操作，从而促使学生深入理解、认真对待仿真实验。

4.建立仿真实验网络开放式实验室。通过仿真实验网络开放式实验室，学生可以用指定账号密码登陆到学校仿真实验系统，自行在线完成指定的仿真实验项目，也可根据自己的兴趣开展其他仿真实验。这不仅有效解决了实验课时偏少的问题，而且激发了学生的学习兴趣，使实验教学内容在时间和空间上得到延伸。[7]

高职院校环境专业课程普遍具有实践性强、对学生动手操作能力要求高的特点，加强实训教学具有至关重要的作用。对于高职类院校来说，仿真实验的出现有效缓解了硬件资源的不足，显著提高了环境专业实训教学效果。但同时，应清楚地认识到，仿真实验并不能完全替代真实实验，传统实验教学还具有采用真实的设备仪器、仪表能给学生很深的感性认识等优点,所以仿真实验应该作为传统实验教学的必要补充和延伸。因此，在实训教学中，只有充分发挥仿真实验和传统实验的各自优势，正确把握仿真实验在实训教学中的地位，才能既加强学生基本技能的训练，又提高学生的动手能力，为其将来走上工作岗位打下坚实的基础。

参考文献：

[1]李元高，严滨，曾孟祥，等.环境工程应用型实践教学体系的构建与实践[J].实验科学与技术，2011(3)：44-46.

[2]朱华跃，蒋茹，江锦花.基于Flash技术的环境工程仿真实验设计开发与教学实践[J].中国校外教育，2011(21)：77-79.

[3]单美贤，马万全.应用仿真(虚拟)实验开展实验教学[J].职教通讯，2001(3)：33-35.

[4]陈卫兵，刘杰.《电力分析》课程的仿真实验设计研究[J].武汉职业技术学院学报，2008(6)：88-90.

[5]袁光辉.化工原理仿真实验教学的实践与思考[J].广东化工，2011(11)：38-40.

[6]许宁，朱延美，何志勇.仿真技术在环境工程水处理综合性实验教学中的应用[J].中国现代教育装备，2005(4)：66-67.

[7]黄英群，王秀娥，俱海浪，等.计算机仿真实验在物理实验教学中的作用[J].大学物理实验，2011(2)：24-26.

[责任编辑陈国平]