虚拟仿真技术在应用型人才培养中的应用*

王 艳，邹海明，范行军，朱 琳

(安徽科技学院环境科学与工程系，安徽 滁州 233100)

应用型高校是在我国高等教育逐渐向大众化转型发展下所出现的，它不同于普通本科也有别于高职高专院校，其主要是以全面发展的应用型专业人才培养为根本目标的全新类型高校。应用型高校为了培养出适应地方发展和社会需要的具有较强实践能力的创新性应用型人才，不断丰富教学资源、优化实践教学体系，以及加大教学设备投入。

在过去的几十年里，我国的社会经济、精神文明和民众生活质量都得到了飞速发展。同时，也付出了一定的代价，我国生态环境污染问题逐渐突出，国家对我国的环境生态质量的重视逐年加强，我国居民对所生活的环境质量及环境保护的意识日益增强，对环境工程专业人才的需求也逐渐提高，特别是对应用型环保类人才需求的缺口还是很大。对于应用型高校，培养出符合地方企业需求的高素质创新性应用型环保类人才，具有非凡的意义。

实践教学是环境工程专业人才培养的重要环节，它将工程知识和环境污染问题有机地结合在一起，它不仅有利于培养工科学生的操作能力、创新思维和对理论知识的理解和掌握，而且有助于学生体验将理论知识应用实际过程。在环境工程领域，所涉及到的废气、废水、废渣等处理设备、处理装置规格庞大，难以直观全貌和充分理解其工艺流程，给实践教学带来了不少问题。随着我国计算机和人工智能的飞速发展，现代信息技术与线下实践教学相结合，采用虚拟仿真技术模拟线下实践教学体系，不但有效解决线下实验教学过程中存在问题，而且通过虚实结合开发了新的教学模式，也能提高实践教学质量。

1 传统的实践教学中存在的问题

1.1 实践学时短，限制了部分实验的开展

虽然应用型高校增加了实践教学的学时比例，但是环境工程专业的一些实践课程仍然无法在短时间内顺利开展[1-2]。任课教师详细讲解实验原理与实验过程后，学生需要按照实验要求完成安装实验装置、配制试剂、实施实验等一系列操作过程，再加上化学反应时间较长，使得很多实验项目无法在规定时间内完成，更别说实验过程中出现差错，重新来过了。故此类需要较长时间的实验项目往往不被列入计划之中，使得学生缺乏应有的锻炼。

1.2 实验项目及开展形式单一

由于实验过程涉及到实验药品及实验反应的安全性，所选择的多数实验项目均为验证性或是演示性实验，这一类实验项目大多数操作简单，条件成熟。学生只需按照教师早已拟定的实验步骤及关键步骤的注意点，详细的示范动作，基本都能很好地完成实验内容。但是在整个实验过程中，缺乏挑战性，也很难提升学生分析问题，解决问题的能力，也无法启发学生的创新思维能力。

1.3 实验设备短缺，无法得到充分的锻炼

环境工程专业实践操作所需的常规仪器设备均比较昂贵，操作成本也高，仪器设备体积也较大[3-4]。因此，这一类实验项目无法得到普及，或是分组的组员人数较多，无法使得每一位学生得到独立的训练，甚至对这些仪器设备的结构原理也缺乏充分的理解。

1.4 仪器设备滞后，与实际应用脱节

近年，科技迅猛发展，新时代也对高校培养出来的人才有了更高的要求。可是各大高校受经费制约，许多仪器设备滞后于行业发展[5]。同时，受到当前特殊时期的环境影响，学生也缺少到对口工厂实习的机会，也没有机会全面了解环保企业的工艺流程和各单元操作化学反应的变化规律，从而导致高校培养出来的学生无法满足实际环保部门及企业的需求。

2 虚拟仿真实验在实践教学中的初探

2.1 虚拟仿真平台搭建

环境工程专业实践工艺流程长，涉及到的设备、构筑物庞大，微生物反应时间长，化学试剂危险、产生的危废液体多等问题严重限制环境工程专业实践教学的开展和学生对知识的理解。虚拟仿真平台可以参考实际设备、构筑物和工艺流程设计实验项目和实验场景；依据物理化学反应动力学和环境类专业知识理论基础设计反应模型；在互联网的支撑下，搭建环境工程类专业虚拟仿真平台。虚拟仿真实验教学平台一般包括实验引导、实验说明和实验模拟三大部分如图1所示。其中实验引导采用视频的形式整体介绍虚拟仿真平台的设计背景、意义以及整个平台的实验项目；实验说明部分中详细地介绍每一个实验项目的实验目的、实验原理、实验步骤和注意事项；实验模拟部分为学生根据每个实验项目的要求，选择实验模块、实验设备和实验构筑物，再组建工艺流程，调试工艺运行参数，最后通过模拟考试，提交实验报告。

图1 环境工程类专业虚拟仿真平台

2.2 改革教学形式，线上线下结合

虚拟仿真实验教学通常包括预习实验、演示实验、实验操作和实验考核等模块。学生可以在课外，通过线上实验，积累零星的时间自主熟悉实验过程，提前预习实验目的、实验原理、实验步骤及注意事项等相关内容。甚至可以在虚拟条件下多次模拟实施实验过程，并分析实验结果，并对实验结果进行讨论。

虚拟仿真实验操作过程从首页开始，登录虚拟仿真实验教学平台，选择实验项目，学习经过身份验证后的用户点击虚拟仿真实验室，可以链接到虚拟仿真实验室(如图1所示)。通过选择实验项目后，进入理论学习、模拟练习、依据技术要求搭建工艺流程、开始操作运行、调试实验参数，得到符合要求的工艺参数后，提交实验报告，完成模拟考试后结束实验并退出系统。

由于虚拟仿真实验采用互联网共享平台机制，它可以实现同时多人在不同地方进行实验操作及考试，在资源共享的情况下可以多校同时实施使用。在虚拟仿真实验过程中，系统可以实时对学生的操作进行规范性评估，并针对操作过程给出评分，及时纠正错误和提供相应的帮助，直至操作流程正确。这一实施办法可以强化学生在现实实验操作过程中规范性，提高操作的准确度。同时，对实验掌握的程度不同的学生进行有针对性的锻炼，也降低了现实实验操作的危险性。

针对实验过程中会涉及到剧毒、腐蚀性的化学药品或是反应剧烈、反应时间长、反应条件苛刻等情况下，虚拟仿真技术能完全规避，甚至缩短反应时间，便于学生操作。如果学生能通过考核，再结合线下实际操作，培养动手能力。

2.3 采用虚拟仿真设备，克服缺乏贵重仪器的缺陷

环境监测及环境催化等实验过程均需要运用到比较昂贵的仪器设备，仪器设备的套台数和教学学时将严重限制实验项目的开展。而且这类贵重仪器的智能化程度较高，内部结构复杂而精密，学生很难接触到，更别说在有限的时间内掌握工作原理，熟悉操作流程了。虚拟仿真实验环境能保证多人同时多次的操作，学生也能反复通过虚拟的实验环境掌握各种仪器设备的操作流程、样品前处理、操作参数对实验结果的影响等。

2.4 设计大型虚拟工厂，弥补顶岗实习局限性

实验室的实践操作和实验课程，只能针对个别实验指标的进行监测，无法体现污水处理厂、垃圾填埋场、火力发电厂的脱硫脱硝工艺等专业性极强的单元流程。即使学校联系多个产学研基地和场所，也无法满足同学们进行长久的顶岗实习的需求。而且此类工艺流程和设备及其庞大，学生很难观得其全貌，只能见识局部，不能熟知工艺设备的工作原理，更没有机会尝试操作参数对工艺结果的影响。

设计的虚拟工厂，不仅仅能统观全貌，熟知工艺流程，仪器设备操作方法，还能通过改变其中的工艺参数，了解处理结果的变化。让学生能有身临其境的感觉，并在短时间熟悉工厂的操作流程、安全生产的规程。

3 虚拟仿真实验获得的教学效果

根据环境工程专业认证标准的要求，需要评估环境工程专业学生的动手能力和实际应变能力，并将对学生的培养效果进行有效反馈。采用反馈结果对该专业的各项主干课程进行持续改进，并形成教学质量评价和教学管理可行性分析及闭环系统。本虚拟仿真实验平台所承载的实验项目作为我校环境类课程的必修内容，主要应用于化学与材料、农业资源与利用、环境工程等专业的实践教学。

为了更好地了解参与虚拟仿真教学的教师和学生对虚拟仿真实验内容的掌握情况和对实践课堂模式的满意程度，设计了实验和实习的教学模式。首先将2018级76名学生和2名教师设为传统现实实践教学组、2019级75名学生和3名教师设为纯虚拟仿真实验教学组、2020级80名学生和4名教师设为虚实结合实验教学组，然后三个组的学生均在教师详细的指导下完成实验教学后，再进入实习阶段。再实习阶段中，教师只分配任务和保障学生安全的情况下，学生领取任务后独立完成的实习工作，并对三组同学对理论知识的掌握和线下操作成绩对进行了调查分析。从图2可知，相对于2018级和2019级，2020级环境工程学生的线下操作更为熟练，更自信，打翻仪器设备和玻璃器皿的几率小很多，而且理论知识掌握更为牢固，对所学知识也更能融汇贯通。

图2 虚拟仿真实践教学前后学生成绩

问卷调查结果显示，学生对虚拟仿真实验普遍比较满意，他们觉得虚拟仿真实验内容充实、实验步骤详尽、实验形式新颖，像游戏一般有趣，具有吸引力。与传统的实验预习相比，通过虚拟仿真实验项目可以反复多次独立完成，也可以根据每一位同学的接受程度不同，在课前和课后反复练习，也可以强化学生对实验原理和实验背景的理解。同时，虚拟仿真实验也更容易激发学生对同一任务的不同设想和探索未知世界的兴趣。在线下实验室操作之前，通过多次反复地强化对理论知识的理解和掌握，熟悉实验过程，在开展实际实验时，就能比较容易避开易犯错的环节。参加问卷调查的教师们也反应，虚拟仿真实验项目突破了受时间和空间限制的影响，使学生能有更多机会熟悉和掌握环境水污染治理工艺流程的原理和设计，以及每一种操作单元的优点及局限性，使他们有机会尝试多种工艺组合。锻炼学生在实践过程中遇到特殊问题，如仪器设备故障等，能有条不紊地通过逐步排查，找到故障原因并及时处理。通过各种应急事故的演练，使学生能在实际操作和生产过程中更加警惕安全隐患的存在，具备较强的安全意识和责任心，也能锻炼学生处理应急事故的能力，有效克服了因实习场地的不足，实验过程中可能产生环境污染物的毒副作用而无法满足学生进入现场实习的需求。

更重要的是，通过虚拟仿真实验的开展与完成，不仅可以督促学生自发地了解和熟悉各个实验项目在不同实验环节的要求、注意事项和技术规范，还能促使学生主动通过不同途径涉猎新的相关知识，开阔眼界和知识面，也能强化学生查阅和收集文献的能力，并分析文献，从中获得新的灵感。

4 结 语

相对现代高速发展的科技信息时代来说，传统的实践教学模式和内容已经远远不能满足行业企业对专业应用型人才的需求要求。虚拟仿真实践教学体系在国内外应用于多个学科行业新人的培训，得到广大社会的认可。虚拟仿真实践教学模式由于其内容趣味性强，仿真度极高，如身临其境，不受时间限制，可以反复多次尝试而受到学生的喜爱。同时，虚拟仿真实践教学结合线下实际操作，在很大程度上改善了单一传统教学的缺陷和局限性，也能督促学生在课前预习，并评估其预习结果和对知识的掌握程度，高校教师也积极探究引导虚拟仿真技术的开发和线下实验操作的相互结合，培养了学生对知识的掌握和学生的动手能力，为满足新时代行业企业对专业应用型人才的需求奠定了基础。