环境学科研究生课程虚拟仿真教学体系建设与应用

摘 要：环境学科研究生的课程多数涵盖原理、设计与实践等教学内容，亟需在传统理论讲解和实验教学等基础上，进行系统充分的教学内容展示，提升教学效果。该文以研究生核心课程水的生物处理技术I为例，针对教学过程中存在的水处理工艺多、流程复杂且处理规模差异显著等特点，引入虚拟仿真与数值模拟技术，基于专业知识和应用场景，解决课堂教学的空间局限、学生参与感不高等问题，弥补当前课堂教学的不足。将数值模拟仿真技术与水处理实验教学进行深度融合，创新体验式的教学方法和多元考核及反馈机制，培养学生综合利用专业知识理解水生物处理相关技术与工艺的能力，激发学生主动学习热情、培养学生独立思考与解决问题的水平。

关键词：环境学科；研究生培养；课程建设；虚拟仿真；水处理技术

中图分类号：G643 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）24-0067-04

Abstract： The major content of courses for graduate students in environmental discipline mainly includes principles， design， and practice. In addition to traditional theoretical lectures and laboratory experiments， there is an urgent need to provide systematic and comprehensive content demonstration， to improve teaching effectiveness. Taking the core course "Biological Treatment of Water I" as an example， this study addresses the characteristics of the teaching process， such as the complexity and diversity of water treatment processes and the significant differences in treatment scales. To overcome the limitations of classroom teaching and limited student engagement， virtual simulation and numerical modelling technologies are introduced to integrate professional knowledge and practical scenarios， and to make up for the shortcomings of current classroom teaching. The virtual simulation and numerical modelling technologies are deeply integrated with water treatment laboratory teaching to create innovative experiential teaching methods and multi-dimensional assessment and feedback mechanisms， and to cultivate students' ability to comprehensively utilize professional knowledge to understand water treatment related technologies and processes， and stimulate students' enthusiasm for active learning， as well as develop their capability to independently think and problem-solve.

Keywords： environmental discipline; graduate education; course construction; virtual simulation; water treatment technology

环境学科研究生学制一般为2～3年，其中课程学习约1年，其余主要为科研及论文工作。研究生课程学习阶段旨在培养学生环境工程方面扎实的基础知识及解决实际环境问题的能力；同时要求培养较强的创新能力，为后续科研和论文工作打好坚实的基础。水的生物处理技术Ⅰ是环境专业硕士研究生的核心课程之一，通过学习该课程的理论知识，可以系统深入掌握污水生物处理的基本原理和处理系统的工艺设计及运行管理等知识，为从事水处理相关工作和科学研究打下专业基础。因此，如何更加高效地让学生全面地学习课程知识、提升其对工程实践的认知与实操能力是需要长期探索的重要课程建设目标。

在新工科建设的重要探索基础上，传统的教学模式和教育框架愈来愈凸显出难以满足未来科技发展对专业人才需求的问题：一方面，传统课堂的讲解式教学和单一课程设计使学生被动学习，难以持续激发学生的学习兴趣，提升了学习压力；另一方面，传统的人才培养模式长期侧重理论教学，形式缺乏创新，特别是工科专业的教学与实践环节衔接不紧密，学生只能抽象理解理论知识，不利于学生提升解决实际问题的能力。

近年来，针对环境学科研究生核心课程的教学方式进行了较多的改革探索，水处理类专业课程的教学探索主要围绕慕课、微课等线上教学及案例教学开展。姫燕培[1]将传统教学方式与慕课资源相结合，通过线上线下混合式教学，形成利用“翻转课堂”的水处理技术课程教学体系。张磊等[2]将水处理生物学的教学内容与“项目教学法”有机结合，拓宽了学生的知识领域。有的学者也对课程的实践环节进行了丰富和创新，如刘璐等以“校企合作”为培养模式，建立了以就业为导向的环境生态工程类人才的教学体系。但是，实践案例等现场教学仍存在“走马观花”的现象，学生很难参与操作，较难以参与人的角度理解和认识工艺技术的原理与运行过程。因此，突破空间和场地等条件限制，建立沉浸式体验的教学方法，使学生切身参与到水处理工艺技术的设计与运行等环节，是进一步提高环境专业教学水平的可行路径之一。

虚拟仿真教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是助推信息技术与实验教育教学深度融合有效方式[3-4]。其利用计算机等科技手段创造具有三维视角等多种感官体验和模拟真实世界的虚拟空间。教师可借助虚拟仿真教学的需求和实际教学效果反馈，灵活实时地协调、组织和修改教学内容与环节，充分调动学生的主观能动性。目前，虚拟仿真技术在环境学科的课程教学中已有了相应的研究与应用[5-6]。因此，虚拟仿真技术的应用有望提升水处理相关课程的教学效果，进一步革新教学方法。但目前，虚拟仿真技术手段的研究与应用仍处于初期探索阶段。本研究将虚拟仿真教学技术融入到水的生物处理技术I这一研究生核心课程中，并形成基于仿真教学技术的教学思路、教学内容和考核方式，研究结果可助推工科高校创新工科建设，完善工程科技创新和混合式教学改革的实施路径。

一 基于虚拟仿真技术的课程教学设计

（一） 课程存在的问题与发展需求分析

水的生物处理技术Ⅰ主要内容是以城市污水处理理论为基础，结合课程实验和设计与操作等实践环节为核心的课程，目前的教学存在以下问题：①实践教学与理论教学比例失衡，多数高校对水处理类课程教学工作仍以传统的理论讲解为主，存在“重原理、轻技术，重课堂、轻实践”等现象；②课程结构设计缺乏实效性与创新性，教学中采用的“灌输式”理论教育和“演练式”实验教学，学生难以参与到工艺的设计与实践中；③评价与反馈体系不完善，目前闭卷考试的形式缺少对学习过程的评价和考核，存在学生突击复习的情况。另外，多数教改课程中缺乏对教改效果的反馈调查。

（二） 课程设计

首先针对课程水的生物处理技术I，已通过数字化技术，将虚拟仿真技术和大数据等融入课程内容中，结合GPS-X、WEST等水质模拟软件，构建关键生物模型和基于BIM、VR技术及专业模型的仿真系统（图1）。

图1 水的生物处理技术Ⅰ课程应用虚拟仿真实验教学平台的框架设置

课程内容的设置主要以强化学生知识理解能力、提高实践动手能力、锻炼思考分析能力为教学目标，从课前、课中、课后三个阶段把控学生的学习节奏和学习效率，并采用多元化的评价考核方式，建立完善的教学理论、教学方案和课程反馈及评价体系，形成涵盖“教学设计思路→教学方式→考核方式”的完整课程建设内容体系（图2），具体包括以下几个方面。

1 课前阶段

教师方面，教师在课前阶段根据课时完成教学设计同时准备教学资料，将学生随机划分为单独的小组。学生方面，每个小组在此阶段可根据教师的要求自主设计预习内容，通常包含课程学习指南、延伸资料整理、课堂期待等内容，鼓励学生多用思维导图或框架图梳理知识点，预习成果以PPT或报告等多种形式展现。

2 课中阶段

此阶段按照主动练习原则，引导学生经历“学习→讲授→实践”的完整过程：一是理论教学通过“讲解、检验、讨论”三个步骤进行，教师以驱动式教学的方式首先对基础知识进行全面的讲解，重点强调关键内容；接着以提问或问答卷形式检验学生对知识的吸收效果；最后学生以小组的形式展开讨论。二是传统实验室教学遵守“定、减、增”原则，教师负责确定实验课的重难点，准备实验器材和场地，减少教师演示操作，强调学生动手操作的主体地位，监督和规范学生操作；同时根据学生的反馈，及时增加综合性和创新性实验项目。三是在传统实验教学的基础之上增加虚拟仿真实验环节，主要包括“演示、带领、训练”三个步骤，教师首先演示构建的步骤和原理，然后引导学生操作；学生也可自主构建仿真模块，并进行反复操作与训练，直至成功构建并优化的课程设置的水处理工艺系统。

3 课后阶段

教师设计报告模板，同步在线上与学生进行相关讨论与课后输出。学生完成报告的撰写，通过回顾课堂学习内容、模型构建和优化结果、不足与反思，以小组形式制作视频或电子展板进行课程内容的总结与分享。

4 考核

为了增加学生的参与感和主动性，避免“考完就忘”“硬式背诵”平时不努力，靠前突击等现象，课程采用多元化的考核方式，闭卷考试只占50%，强调个人和团队表现，此部分成绩占20%，重点考察提问次数与质量、回答次数与质量、预习报告成绩、实验报告成绩及小组汇报、展示成绩等。增加基础实验和虚拟仿真实验所占的成绩比例至25%，综合培养学生敢问、敢想、想动手等综合能力。

二 教学案例分析及效果评价

（一） 基于ASM2d模型的多级AO工艺的仿真与应用

多级AO工艺是在AAO工艺基础上发展的一种可同步脱氮除磷的污水处理工艺，具有功能区体积可调、进水配比可调等特点。基于实验教学过程的多级AO工艺体系的授课内容存在实验工作量大、耗时长、处理效果不稳定等问题。通过数学模型和工艺仿真后，可利用校正后的数学模型及时反映整体工艺的结构、单元功能与运行特征，并进一步指导工艺的优化调整及稳定运行。图3为该案例的教学步骤。通过小组开展的模型构建、灵敏度分析、结果验证等结果可知，模型所得到的预测值可以较为准确地模拟多级AO系统（误差均在10%以内），且可以通过改变进水温度、进水水量与水质等参数，来了解掌握多级AO工艺系统的影响因素，保障系统在不同冲击条件下稳定脱氮除磷效率。

（二） 教学效果

本研究在水的生物处理技术I课程中融合虚拟仿真教学技术手段，并对专业相关的企业工作人员、本专业研究生，以及在读的各级本科生，通过座谈和走访等形式开展广泛的意见征求。受访者均表示课程体系中增加虚拟仿真的教学内容可有效提升对水处理系统中复杂原理、工艺组成与运行、影响因素等教学重点内容的深入理解并让学生有机会将“纸上得来”的知识灵活运用起来。另一方面，学生也认为应该注重教学过程中不同环节授课时长的合理分配、增加教学内容之间的逻辑性。

进一步地，授课结束后设计了匿名的调查问卷，统计学习本次课程的44名学生对课程的满意度及改进建议，分别从课程设计是否加深了对水处理知识的掌握、课程设计是否增加了对水处理技术的运行能力、课程逻辑连贯性、对专业思维方式的促进作用、虚拟仿真相较于传统内容是否更有吸引力、虚拟仿真案例对事业发展规划的帮助程度6个方面进行调研，统计显示，分别有89.55%和88.64%的学生认为相较于传统课程，课程的改革设计大幅度增加了对水处理工艺知识的掌握能力和对工艺的运行能力，分别有88.64%和81.82%的学生认为增加虚拟仿真教学对专业思维方式和职业发展规划方面均有较大的促进作用。但近一半学生建议进一步提升课程课件的逻辑性。值得一提的是，增加虚拟仿真内容后，95.45%的学生认为课程变得更加有吸引力，课堂上也可以更加活跃，充分表明教学内容的改革是积极有效的，符合教学质量等相关要求。

图3 基于ASM2d模型的多级AO工艺虚拟仿真系统教学框架

三 结束语

本文以环境学科专业为依托，以培养符合科技发展需求的环境科学与工程多层次复合型人才为目标，通过融合虚拟仿真与数值模拟教学方法及平台，突破水的生物处理技术I课程传统教学的参与度低、学生体验感较差等困境。利用虚拟仿真技术将理论教学与实地场景演练有机的结合，克服空间限制，综合提升学生对教学内容的理解能力、分析能力和实践能力。基于此，建设了多元化评价方式和反馈机制，设计了“教学设计思路→教学方式→考核方式→反馈调查”的闭环课程改革研究，探索出一套具有创新意义的水的生物处理技术I教学模式，为解决环境专业人才培养模式与社会需求脱节、学生综合能力和实践能力得不到有效提高等问题提供了重要的教学参考。

未来在环境工程类课程改革中，作者认为应重点关注如何提升虚拟教学的智能化程度，将智能识别技术、大数据技术和数字孪生技术等进一步融合于虚拟仿真体系，课前应根据学生的学习情况和能力主动灵活调整教学内容，提供更加个性化的学习体验；课堂广泛收集和及时分析学生的学习态度与行为，自动评估和自动诊断，提供及时的教学反馈，切实提高研究生核心课程的教学质量。

参考文献：

[1] 姬燕培.金课背景下《水处理技术》课程线上线下混合式教学模式的探索[J].广东化工，2020，47（10）：216-217.

[2] 张磊，张颖.项目教学法在《水处理生物学》课程中的应用[J].滁州学院学报，2020，22（5）：127-131.

[3] 季波，张怡凡，吕薇，等.美国“以学生为中心”的新型人才培养模式的特征与启示——基于欧林、密涅瓦和斯坦福2025的分析[J].教育发展研究，2019，39（23）：71-77.

[4] 王永固，许家奇，丁继红.教育4.0全球框架：未来学校教育与模式转变——世界经济论坛《未来学校：为第四次工业革命定义新的教育模式》之报告解读[J].远程教育杂志，2020，38（3）：3-14.

[5] 范长征，晏铭，张薇，等.现代信息技术的水污染控制工程实验课程体系的构建[J].教育教学论坛，2016（6）：242-243.

[6] 刘育，孙连鹏，陈玉娟.环境工程虚拟仿真实验项目建设[J].高教学刊，2018（15）：63-65.

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.24.015

基金项目：2021年度哈尔滨工业大学研究生教改项目“基于数值模拟仿真教学的《水的生物处理I》研究生精品课程建设研究”（21MS056）；2021年度广东省教育科学规划课题“基于虚拟仿真技术的环境学科高等教育体系改革研究”（2021GXJK175）

第一作者简介：孙飞云（1982-），男，汉族，山西汾阳人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向为环境污染控制。

*通信作者：董紫君（1983-），女，汉族，江苏南京人，博士，副教授，高级工程师。研究方向为水污染控制。