虚拟仿真技术在环境类专业实践教学中的应用

谷 风，吴春英，白 鹭

(吉林化工学院 资源与环境工程学院，吉林 吉林 132022)

虚拟仿真技术在教育方面的应用是现在面临的新机遇和新挑战，其本质上是将信息技术诸如人工智能、大数据处理分析及互联网络应用于实践教学，它适应了信息时代开放教育和资源共享改革的要求，既能够拓宽实践项目涉及的领域，也能够弥补学时的局限性，更能大大降低工程类实践教学的风险性，最后达到提高环境类工程实践教学能力的目的。这是提高学生创新、自主、设计和解决复杂工程问题能力的新途径，是培养创新应用型综合人才的有效教学手段[1-2]。

一、国内外虚拟仿真实践教学研究现状

(一) 国外研究现状

国外大学将虚拟仿真实验教学通过多媒体、虚拟现实、增强现实、3D打印、遥现、移动应用等技术，借助虚拟实验室平台，利用视频、电子教材、课件、软件、仿真系统等资源来实现交互式虚拟实验、沉浸式实验、3D虚拟实验、综合设计性实验、远程协同实验、移动式虚拟实验等实验教学目的。

例如：英国部分大学开展了应用互联网进行虚拟的实验教学，能够进行交互式多媒体实验与研究；美国大学有的是由某个企业构建并提供结构化的虚拟实验室为学生开设交互式虚拟系统仿真实验；STARCAVE是加州大学圣地亚哥分校开发的一种虚拟现实系统，它模拟了公元前10世纪约旦的一座城堡，可以用手持控制器从上方鸟瞰来了解这座巨大堡垒的结构和功能；维多利亚大学通过3D实验室里最先进的3D扫描仪和打印机、运动传感器和激光切割机,帮助学生操作和研究诸如化石、文物之类的易碎品(如经3D扫描、打印的古埃及花瓶)，其目的是培育和激励学生的创新能力和探索精神、鼓励创客们积极开展协作[3]。

上述国外高校都从不同角度将虚拟与现实有机结合起来，借助信息化技术推动实践验教学改革，充分利用各种教学资源，以期培养学生学习的自主性、创新性和实践性。

(二) 国内研究现状

随着互联网+信息技术的快速发展，将之应用于实践教学也逐渐受到了国内高等院校的重视，纷纷加入虚拟仿真实验平台及虚拟仿真实验教学中心等教育资源建设队伍中，目前已经建设了一大批基于虚拟仿真的实训实验教学中心。国家和教育部及地方积极组织开展专项科学研究，目前研究内容主要涉及：(1)理论研究方面主要探讨虚拟仿真技术在实验教学方面的应用分析，主要将通信技术、互联网技术以及计算机技术等相关技术引入到教学中；例如在环境工程专业《大气污染控制工程》实验教学中采用信息化教学模式，提高实验效果[4]；(2)建立各种规模的虚拟仿真实践教学中心，将教学媒体课程资源和学习资源进行整合，提高教学资源利用率；例如生态与环境虚拟仿真实验教学中心构建与管理[5]；(3)基于虚拟仿真技术的各类教学平台设计开发，例如设计大气污染探测虚拟仿真系统[6-7]。

国内外的现有主流研究，从研究内容上看大多集中于虚拟实验室平台的建设、将信息技术应用于实验教学的方式研究，相对缺少对如何将虚拟仿真技术应用于整体实践教学体系及其内容、具体方法、管理和考核等进行深入的研究；从研究方法上看，主要采用传统的理论、应用形式研究，研究中没有把信息化技术具体应用于实践教学的理论、技术与管理方法进行结合。虽然个别学者已有过创新化的研究思路并取得一定成果，鲜有建立完整的教育信息化2.0视域下将虚拟仿真技术应用于环境工程专业实践教学改革的新范式[8]。

二、虚拟仿真实践教学的必要性

环境类专业原有的“理-实”教学模式是利用现有的实践教学环境结合理论内容来进行教学，在实践教学过程中，受到实验实训环境不完善、实验设备有限、实验耗材昂贵、实验产生的废弃物排放污染环境、涉及高温高压操作、存在有毒有害及易燃易爆危险品安全隐患、实习企业条件内容单一等诸多因素制约，影响了实践教学效果，不能达到工程教育对实践教学的要求，以虚拟仿真技术为辅的实践训练在很大程度上可以解决上述问题。

以《大气污染控制工程》实习课程教学为例：《大气污染控制工程》是环境类专业实践性很强的主干课程之一，内容涉及大气污染物种类、形成原因、扩散过程以及控制原理和手段等，其所含涵盖的学科包括：流体力学、物理化学、气候气象学、水文地理学及化工原理等；大气污染源复杂难分析，所涉及行业较广，因此与大多数环境专业课程相比，大气污染控制工程实践性课程较多、实践材料消耗量大、设备台套数有限并运行成本高，具有一定的危险性，这使得很多大气实践课程难以在现有条件下实现，借助虚拟仿真信息技术，可在很大程度上解决这些瓶颈问题，并且避免了使用有毒有害、易燃易爆等气体，保证实践教学安全。

三、虚拟仿真实践教学体系初步构建

以环境工程专业实践教学为研究对象，按照“重组基础、反映特色、相互补充、科技融合”的原则，在现有实践课程设置方式基础上，实行层次化实践教学，构建智慧学习支持环境，形成“线上线下集成、软件硬件结合”的多层次、渐进式虚拟仿真实践教学体系[9-10]。

(一) 虚拟仿真实践教学内容

我校课程团队根据地方本科高校应用型专业特点，依托环境工程专业的虚拟仿真教室和虚拟仿真实验教学中心平台，通过“虚实结合”“虚创结合”，构建智慧学习支持环境，形成“线上线下集成、软件硬件结合”的多层次、渐进式虚拟仿真实践教学体系。

按照环工专业培养方案的授课计划要求，将虚拟仿真技术分为三个层次引入实践教学当中。以《大气污染控制工程》实验课为例：第 1 层次为基础实验，包括在线实验教学大纲要求的必修和选修实践内容；第 2 层次增加综合拓展性实验，开发与理论教学和实践教学内容相关、学生参与设计开发的综合实验；第 3 层次开发与教学和科研相关的创新实验，加强学生的创新能力培养，引导学生由被动接受转为主动思考探索，将验证性结果转变为设计性创新，进而提高创新能力和工程素质，同时还可以有效避免使用有毒有害、易燃易爆等气体，保证学生实验安全。

另外，根据应用情况反馈不断完善，广泛听取学生和任课教师的意见和建议，形成整改方案之后进行了虚拟仿真实验项目系统定期优化，例如将课程思政有机地融合进虚拟仿真实践教学之中，由此以来，既适应了信息时代开放教育和资源共享改革的要求，又拓宽了实验项目涉及的领域、弥补学时的局限性，使教师有更多的时间与空间循序渐进、由浅入深的进行实践教学，在培养学生专业视域的同时，还可以使之树立科学思维、坚定理想信念以塑造正确的价值观。

(二) 虚拟仿真实践教学方法

完善、整合相关素材资源，如视频、动画、flash及本校制作的操作视频、微课、操作流程、操作课件等，融合环境工程虚拟仿真实验教学中心平台，通过教师演示、学生集中学习进而进行仿真操作，通过广而深的虚拟仿真实验教学内容，加强学生对必要知识的掌握和理解，以达到实践教学要求。

在虚拟仿真实践教学过程中，学生先由各自的账号进入虚拟仿真实验系统，由教师讲解实验原理及软件操作流程，之后学生在虚拟系统中可以进行设备辨识并熟悉其结构，进而完成整体实验过程。同时，也可以将虚拟仿真技术应用于认识实习及生产实习当中，通过虚拟仿真结合实际生产的阶梯实践教学模式来满足实践教学要求。

(三) 虚拟仿真实践教学运行机制的建设

虚拟仿真技术应用于地方高校的实践教学，主要是以虚拟仿真实践实训平台为载体完成的。与普通实验教学相比，虚拟仿真实验教学运行与管理有着一些特殊性，因此，应根据虚拟仿真实践教学的自身特点，加强组织保障和制度建设。进一步制定和优化人工智能+教师队伍建设政策，鼓励教师积极投身智慧教学，促进虚拟仿真等信息化技术结合实践教学与理论教学的融会贯通，提高智慧教学水；将传统实验管理模式转为开放式管理，增强其灵活性；加强平台网络管理与权限管理等，保证虚拟仿真辅助实践教学的高效性和稳定性[11-12]。

(四) 虚拟仿真实践教学考核方式

虚拟仿真实践教学考核内容主要包括实验方案设计、虚拟仿真实验过程操作、虚拟仿真实验数据分析及撰写实验报告，还可以通过汇报、答辩等方式来考核取得优秀成绩的学生。

1.实验方案设计:学生通过充分查阅文献，自主设计实验目标、过程以及想要达到的实验效果，由指导教师综合考评实验方案是否可行以及是否达到实验教学目标；

2.虚拟仿真实验数据分析:学生依据实验方案，运用虚拟仿真软件在相应实验原理和步骤参考指导下进行虚拟仿真实验，通过分析实验数据结果来总结本方案的实验效果并论证，以指导其后的实验操作；

3.实验报告编写阶段:结合之前的数据分析，探讨本实验方案的可行性及有效性，研究实验过程中出现的各种问题并究其规律及原因，总结不足以期改进；

4.答辩:对实验方案及实验过程中表现优秀的学生，鼓励其介绍心得体会并制作PPT进行汇报交流，培养学生的综合能力。

通过实验教学模式的改革创新，针对虚拟仿真实践教学的教学考核方式向多元化、多角度方向转变。基础型考核是课程评价的根基，包括实验报告书写规范性、实验步骤详尽性、试剂配备方法准确性、数据处理客观性以及结果讨论的全面性等内容的考核；过程型考核覆盖基础验证性、综合设计性、创新探究性三部分实验课程体系，包括以客观题的形式考核学生对实验所涉及的理论内容、实验原理等的掌握程度，促使学生理论与实际相结合，以主观题的形式考核学生对实验过程中所遇问题的解决能力和对实验数据及结果的综合分析能力；提升型考核是基于综合设计和创新探究型思维培养的高阶性考核，包括设计虚拟仿真实验方案并探讨本实验方案的可行性及有效性，以及以正式发表论文的形式撰写实验报告，对摘要、关键词、前言、正文及结论均有评分标准。

(五) 虚拟仿真实践教学管理制度建设

学院制定总体系列实践管理规章制度，构建适当的智能开放式虚拟仿真实践教学管理系统，教师和学生均可以网上查询实践课表和虚拟教室使用情况，并且能够根据系统信息预约实验，避免实验场地使用时间上的冲突。实验中心统一领导、环境工程系分级管理，确保实践教学规范并有序进行[13-14]。

四、结 语

利用互联网+智慧教学理念，将虚拟仿真技术应用于环境类专业实践教学，根据地方本科高校应用型专业特点，进行针对性、有特色的实践课程体系建设研究与实践，使其多样化，同时解决相应的问题。尤其是后疫情这种特殊时期，将线下实践教学搬到线上进行，既可保证正常的教学任务和秩序，还可以扩大实践教学资源共享范围，进一步提高教学质量。同时，将体现师生互动与个性化教学模式引入到信息化教学资源的组织与建设中，提出新的实践教学体系建设的框架，为现代信息技术教育提供合理、高效、有序的教学资源运行、实践和管理体系。