应用型高校新建环境类专业虚拟仿真平台的建设与思考

赵青松，刘瑞祥，杜梦帆，李莉

（长治学院 生命科学系，山西 长治）

一 引言

实践教学是环境生态工程专业教学体系中的重要组成部分，环境生态工程专业的实践环节要求学生必须注重工程理论和生态实践的有机结合，注重培养学生解决工程实际问题的能力，实践教学是环境生态工程专业与传统相关专业的主要区别之一[1]。但从目前应用型本科高校建设本专业来看，因资金、设备，实践场地等方面的不足，限制了本专业实践教学的开展，再加上本专业实践教学环节注重培养学生综合处理能力、动手实践性强的主要特点，而传统实践场地受实验时间、对象、季节、设备数量的制约，特别是本专业某些实践场地涉及高危险或极端操作环境、许多操作具有不可逆性，而依靠传统的实物设备开展实践教学难以满足专业人才培养的需要[2]。因此，为满足我校环境生态工程专业实践平台的需求，整合已有校内生态学课程相关实践资源，依托多种平台，组建了我校环境生态工程专业虚拟仿真实践教学平台。

二 环境生态工程专业虚拟仿真平台的建设思路

我校新建环境生态工程专业实践虚拟仿真教学平台的建设紧紧围绕学校的办学定位和建设成为具有区域代表性的高水平应用型本科院校的目标，根据应用型人才的知识结构和教育实践教学要求，按照应用型本科高校人才培养规范和培养体系要求，以环境生态工程专业虚拟仿真实践教学平台建设为抓手，重点开展实践教学资源、培训平台、 教师队伍、管理制度等方面的建设，具体打造具有我校环境生态工程专业突出生态学特点的虚拟仿真综合实践平台，形成具有持续服务的实践教学平台和具有实践教学资源共享开放的教学实践整体，培养适应“国家生态战略”及区域经济社会发展需求，具有可持续发展理念，具有生态规划设计、生态修复与建设等方面工作的复合型人才。

环境生态工程专业虚拟仿真综合实践平台的建设以面向应用、突出能力、提高素质为目标，以全面增强环境专业学生动手实践和科研创新能力、提高在校生教学质量、增强服务社会能力为宗旨，注重融合实物试验和虚拟仿真平台、教科研互动、校内与校外相衔接，按照“虚实平台结合、虚实研究结合、虚实方法结合”的建设思路[3-4]，对环境生态工程专业相关课程教学中新建专业不具备或难以完成的实践环节，依托虚拟仿真、多媒体、人机交互、数据库和现代通信技术，形成虚拟仿真实验与实践教学相融合教学体系[5-6]。

三 环境生态工程专业虚拟仿真实践教学资源建设

我校在虚拟仿真实践教学体系建设中，秉持 “立足实际、教研相融、面向工程、互联共享”的建设理念，通过虚拟场景与现实实验相结合，在实践教学中融入教师已有的相关科研成果，以教师完成的环境生态修复项目作为实践教学的指导内容，促进学生创新实践能力的稳步提升[7-8]。

特别是适应国家和省对我校应用型转型发展的要求，我校积极筹建了环境生态工程专业虚拟仿真实践平台。平台建设围绕我校应用转型发展目标，依托我校环境生态工程专业在师资队伍、教学科研能力等方面的特点，经过多年的教改实践，建立了与培养工科学生解决实际问题能力相对应的程式化的实验实践课程体系。建设了“污水处理厂虚拟仿真实践教学系统”“垃圾填埋场仿真实践系统”“静电除尘器虚拟仿真实践系统”“生态学野外实习仿真实践系统”等涵盖“污水处理”“大气治理”“固体废弃物处置”“生态学调研”四大虚拟实验教学平台，满足我校环境生态工程应用型人才培养的需要。

图1 环境生态工程专业虚拟仿真实验教学平台

（一） 污水处理仿真实践平台

平台软件基于动态过程仿真系统，按照实际工程的工艺技术、过程原理、设备工作原理、质量平衡、能量平衡等进行系统开发，利用虚拟现实技术，针对环境相关专业教学需求，参照真实的典型生活污水处理工厂的生产环境、生产工艺、质量管理等规范，以3D 形式模拟预处理工艺、AAO 艺、深度处理工艺等，构建“3D 虚拟场景+物料参数在线显示+污染指标实时监控+人物控制系统”相结合的模式。软件通过交互、视频、动画、图片及知识点等，详细讲解水处理工艺的相关构筑物和设备结构及运行原理。通过对厂区区实景1:1 全角度建模，以3D 形式直观展示污水厂构筑物单元运行状态，在对系统运行过程进行学习的同时，进一步提高学生对污水处理实践过程中的工艺流程、处理设备结构、生产控制技术的理解，巩固平时所学理论知识，增进学生工程设计及实践操作能力。

图2 城市污水处理厂3D 虚拟仿真实验教学平台

（二） 大气处理虚拟仿真实践平台

大气处理虚拟仿真平台主要包含静电除尘虚拟仿真系统，本实验以动态仿真和虚拟现实技术模拟板式静电除尘的基本流程、设备构造和工作原理，探究现实除尘器的设备性能和具体影响除尘效率影响因素。仿真软件以直观形象的呈现形式完成静电除尘器进口风量的测定、空载U-I 特性曲线的测定、学生通过调节不同电压对除尘效率的影响、板极不同间距对除尘效率的影响和入口不同风速对除尘效率的影响实验，提高学生的自主探索能力和工程设计能力，如图3 所示。

图3 大气处理3D 虚拟仿真实验教学平台

（三） 固废处理虚拟仿真实践平台

实际固废处理处置工艺过程中，具有高危险、高污染、高消耗等特点，致使学生进厂实习危险性高，同时为了保障生产的安全进行，环境类专业的学生实习主要以参观为主，无法进行实际操作与深入了解，学习效果非常有限；传统教学中的“多看、多问、多想”等教学方法严重制约了学生主动学习的积极性，不能很好地反映学习成果。而传统的实验教学中大部分以固定实验设备仪器为对象，学生只能按照标准的试验方法开展，学生多采用单一重复性操作，实验过程多是单元过程，达不到系统训练。实验实训中经常面临“进不去、看不到、动不了”等问题，而大型试验装置面临“不能碰”、内部结构现象“搞不清”、突发情形“遇不到”等问题。本平台学习可以通过虚拟现实等沉浸式教学方式，学习垃圾填埋厂的建造及填埋封场等流程，通过该平台让学生对固废处理处置工艺有直观的了解和认识，为将来学生的工程设计与实践提供理论指导和借鉴，见图4。

图4 垃圾处理填埋厂虚拟仿真实验教学平台

（四） 生态学野外实习虚拟仿真实践平台

生态学野外实习虚拟仿真实践平台包含太行山植物学观察采集，植物标本压制、植物标本鉴定、植物标本馆四个模块，形成一个植物学实习闭环。项目以真实实验结果作为支撑，根据实验室的安全要求和使用要求，模拟真实的场景和操作过程，并记录过程现象。该软件可用于老师的课堂讲解、学生提前自学实验和课后复习实验，为真实实验做好充分准备，见图5。

图5 生态学野外实习虚拟仿真实践平台

太行山生长着丰富的植物类别，是天然的植物自然标本馆。虚拟仿真项目的开展，解决实际教学过程中周期长，实习受天气影响，学生安全得不到保障的的问题；植物标本馆的植物大部分来自学生太行山采集，增强学生的民族自豪感；将植物采集、压制、鉴定、存入标本馆四个阶段性操作整合为一个项目，让学生形成整体意识，为学生毕业后科研或者工作奠定基础。

四 环境生态工程专业虚拟仿真实践教学平台建设的体会

（一） 做到虚拟仿真实践平台与现场实践互补运用

为最大限度地发挥虚拟仿真实验平台的应用能力，虚拟仿真平台使用应紧密结合生产实习加以使用，在环境生态专业去污水处理厂、固废处理厂和化工厂专业实习前，要求学生现行在虚拟仿真平台上对实习对象进行一个全面的感性认识和总体了解，随后在现场实践环节中带着问题学，带着大局看，满足学生应用实践多环节要求，打破实践教学时空限制，达到理论结合实践，事半功倍的效果。

（二） 积极与企业建立合作关系

近年来在虚拟仿真领域涌现了许多有研发实力的企业，新建应用新型本科院校在建设虚拟仿真实验平台时，在建设初期因和这些企业建立接触，通过产品试用、合作研发、采购等方式积极引进这些企业虚拟仿真项目，拓展新建专业虚拟仿真实践平台的资源总量，让学生多参与、重体验，在平台运用中逐步的认识工程实践的重要作用，为应用型人才的培养奠定基础。

（三） 开放共享，形成学校特色

新建环境生态专业应大力推进校内资源的整合与共享，拓展虚拟仿真实践教学资源的使用范围，实现仿真平台、实验室教学与教师教科研项目三位一体的全方位共享模式。通过虚拟仿真中心实现专业虚拟仿真资源的共享和开放。使学生能够通过校内网自主进行选择和预约学习。通过校内信息管理系统实现对学生全天候开放，并形成自主管理。同时充分发挥学校重点学科的建设优势，与其他具有相似专业的院校开展广泛的交流与合作。通过参加国家相关技能大赛，例如“互联网+大学生创新创业大赛”“全国大学生生命科学竞赛”“北控水务杯大学生职业技能大赛”等比赛提高学生的学习和实践能力。

五 结语

由于环境生态工程专业注重实践教学的特点，在实践教学中加大虚拟仿真平台运用，使虚拟仿真实验平台教学和传统教学有机结合，不仅可解决地方应用型本科高校新建工程专业缺乏综合性试验场所、实践教学经费缺乏、实践教学场地限制、学生学习效果差等现实问题，同时还可通过虚拟仿真教学提高学生对仿真教学的认识水平，提高学生对实践教学的学习兴趣，强化学生的动手和思考能力，提高应用型人才的培养效果。通过虚拟仿真实践平台建设进行实践教学，是一条提高教育信息化的重要途径。虚拟仿真实践教学平台作为传统实践教学的有益补充，已成为新建环境类工科专业加强教学、提高教学质量的重要手段。