环境噪声监测虚拟仿真实验教学建设与探究

李文文，杨 耿，夏传俊，孟 菁，甘为民

(安徽师范大学 生态与环境学院，安徽 芜湖 241003)

1 引言

虚拟仿真技术就是用一个计算机系统模仿另一个真实系统的技术[1]。虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互[2]。随着计算机技术的发展，计算机科学与各学科交叉逐步深化。从可持续发展的角度来看，全球资源、能源急速消耗促进了教育领域的深度改革创新[3]。我国教育部《教育信息化十年发展规划( 2011— 2020年)》中明确提出，虚拟仿真实验教学是高校教育信息化的重要建设内容，是计算机信息技术与各学科深度融合的必然产物[4～6]。各大高校努力推进虚拟仿真实验教学改革，可优化实验教学资源和促进实践教学发展[7]。在国家虚拟仿真实验教学共享平台中环境科学与工程领域项目共30项，关于环境噪声监测暂时是空白。环境噪声监测对于本科教学环节来说，是一个非常基础的现场监测实验课程。但由于时间、空间和学生安全因素各方面的限制无法切实实现。

在安徽省2018年虚拟仿真实验教学改革省级质量工程中，安徽师范大学获批的环境噪声监测虚拟仿真实验项目，针对许多高校该实验在传统开设过程中存在监测场景局限、课程时长限制、设备资源有限等因素[8]，提出了通过自主研发的虚拟现实手段生动化描述实验理论与设备简介、丰富多样化模拟各种噪声环境监测场景[9]以及噪声现场规范化记录，显著提高了教学质量和拓宽了学生的实践能力。

2 环境噪声监测的实践意义

环境噪声是环境公害之一，环境噪声虽不能造成生命损失，但是它确实能给人们带来听力减退甚至失聪以及心脑血管方面的疾病。良好的声环境质量在美好生活中是不可或缺的元素之一[10]。对城市区域噪声功能区进行划分，规范噪声设施设备的噪声限值，增加各种降噪措施的布局，减少噪声对人的休息、学习与工作的影响。值得一提的是，通过声环境影响评价标准体系，严格规定各噪声功能区昼夜限值、测量方法以及各种环境噪声排放标准。因此，环境噪声监测的意义在于，通过准确监测得到的测定值(通常为等效连续声级)与声排放标准相对比，以超过与不超过排放标准或者质量标准来评价该声环境是否影响人的正常生活、是否对人的身心健康有害。以人为本，环境噪声标准建立的合理性与环境噪声监测的准确性，决定了环境噪声监测的实践意义。

3 环境噪声监测实验教学模式

通过对国内一些高校开设的环境噪声监测实验进行调研发现，环境噪声监测实验课程设置与实践能力要求存在很大的差距：理论与实际联系不够紧密。调查研究发现见表1，第一，环境噪声监测实验的环境噪声对象单一，主要是市内交通噪声以及功能区固定监测点环境噪声类型，这与实践过程中我国城市噪声污染以工业企业厂界环境噪声为主[11]事实相悖；第二，根据GB3069-2008《声环境质量标准》规定，环境噪声监测仪器必须达到国家Ⅱ型及其以上的积分平均声级计或环境噪声自动检测仪器，而传统实验教学使用的声级计大多数是无积分平均的声级计，需要人为选取采集数据的数目，读取瞬时声级数据个数基本上以整50、100、200等有限的统计数量，因此，传统噪声实验的人为因素影响大、数据采集误差大，无法给出精确的监测结果。在有限的课程时长中，通过虚实结合的教学创新方法，可以突破空间场景的局限以及教学资源的短缺来达到更好的教学效果。

表1 各高校开设环境噪声监测实验的课程现状

4 递进式虚拟仿真实验教学

环境噪声监测虚拟仿真实验教学一共设计了15个知识点3个模块(图1)。第一模块，理论知识梳理形成对环境噪声的感性认识和长记忆；第二模块，不同场景下环境噪声监测的典型范例进行虚拟仿真实践操作；第三模块，规范化数据处理与记录培养学生严谨的实验态度。

图1 环境噪声监测虚拟仿真实验教学设计

5 环境噪声情景虚拟仿真设计重点

环境噪声监测实验的课程时长一般为3～4学时，通过环境噪声情景虚拟仿真使得学生能够沉浸式学习与总结各种类型噪声监测方法。针对目前城市最主要的环境噪声污染类型是工业企业环境噪声和建筑施工厂界环境噪声，其次为交通道路噪声和社会生活噪声。工业企业噪声环境噪声的情景设置重点在于：根据工业噪声环境影响环评的实践经验，工厂外环境噪声主要来源于工厂车间内设备、固定强噪声源[12]，行驶的货车车辆以及冷却塔等，本项目给学生提供网页平台自主进入学习，模拟实际噪声监测流程通过unity3D场景建模，首先，通过对话方式向工厂负责人了解工厂生产时段与特点，搜集工业噪声声源，再在工厂的厂界外围墙1 m距离设置准确的监测位点，采集相应数据。建筑施工厂界环境噪声设置重点在于：第一，建筑施工噪声源的主体为建设单位，所以建筑施工厂界的界定点在主体界限外；第二，建筑施工厂界噪声一般为间歇时间长，瞬时噪声显著，通常用8小时等效连续声级和最大声级Lmax来同时评价，普通的声级计和人为记数无法做到，必须借助具有积分平均功能的噪声分析仪。

6 实验教学改革的几点思考

6.1 教学实验预习的效率

预习实验的地位不可小觑，不思考地进行照本宣科是大多数本科生实验的常态，离开书本手足无措，实验教学不仅仅是一项技能操作的演练，而是实验课程逻辑的再现，对实验全局的掌控、建立长记忆，是专业学习素质培养的一个重要组成部分。利用计算机技术以及网络资源，无差别地提供给学生实验预习与训练平台。

6.2 新时代教学模式的新变化

实验课程的开设帮助学生直观认识和理解客观世界规律，不仅针对空间、场所局限难以重现的实验，可采取虚拟仿真实验，对于资源有限，可节约时间与经济成本的实验都可以建设虚拟仿真实验。根据2019年7月，教育部发布《教育部高等教育司关于开展2019年度国家虚拟仿真实验教学项目认定工作的通知(教高函[2019]33号)》，继续开设305个项目的认定，国家用搭积木的方式来建设虚拟仿真教学资源，开启新时代教学的可持续发展的新模式。尤其在2019年底直至2020年上半年，肆虐全球的COVID-2019新型冠状病毒疫情期间，线上教学成为主导模式，推进了线上课程建设的新模式转变的重要改革的步伐。安徽师范大学开设的环境噪声监测仿真虚拟实验课程在此期间，完成了在校207名学生的线上课程学习，网络浏览点击量达到1006次。

6.3 实验教学质量的保障

实验教师作为实验教学的主导者首先要从该实验的背景做深入的调查，了解实验开设的优势与不足，实验条件与实施过程尽力与最新的国家标准要求之间拉近差距。教师引导实验的规范化要求也是至关重要，在实施实验教学中要做到：实施实验预演练、课程中把握学习的重难点、实验操作标准化要求、实验报告的及时分析、实验错误及时指正、撰写高质量实验报告等。

7 结语

环境噪声监测的目的是了解与监督噪声的质量或者排放情况，保障人们在适宜的声环境质量下生活、学习与工作。鉴于目前国内大多数学校环境专业的噪声测定类型单一，仪器设备落后不足的现状，环境噪声虚拟仿真实验的建设让学生更接近噪声监测实践，它是一个持续的、不断改进完善的课程建设。虚拟仿真实验项目不仅是共享教学资源，节约社会成本，更是新时代教育信息化的体现，是教学模式转变的必然产物。