虛擬仿真實驗在環境工程教學的應用范文

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【摘要】環境工程作為典型的交叉學科，其專業實驗門類眾多，學科跨度大，專業性和實踐性較強，是橫跨化學、化工、環境等多學科的綜合性實驗。由于傳統實驗教學模式難以滿足高校環境工程專業各類專業實驗的教學要求，可將虛擬仿真實驗可以作為專業實驗教學的輔助手段。但在教學過程中，應將傳統實操性專業實驗為主要教學手段，以虛擬仿真實驗作為輔助，將兩種實驗教學模式有機結合更好的促進環境工程專業實驗教學。

【關鍵詞】環境工程；虛擬仿真；實驗教學；仿真技術

1引言

環境工程是一門綜合性、跨學科的工程學科，該學科以研究環境污染治理技術為核心，它具有專業知識點高度綜合，學科門類復雜多樣、實踐性和綜合性強等特點[1,2]。由于環境工程專業誕生于20世紀50年代以后，該學科的發展及其教學體系尚不完善。環境工程作為探索解決環境問題的主要學科，其實驗環節的教學是該學科的重要內容之一，但迄今為止，國內尚未形成一套相對完整的專業實驗課程教學體系[3,4]。近年來，隨著虛擬仿真實驗技術的不斷發展，虛擬仿真教學手段在專業實驗教學方面顯示了良好的應用前景。國內眾多高校開始探索利用虛擬仿真實驗來開展環境工程專業的實驗教學工作，不少高校紛紛搭建了國家級和省級的虛擬仿真實驗教學平臺，為深化和拓展環境工程專業實驗教學方式開辟了新的途徑[5-6]。相對于傳統的實操性實驗教學方式，虛擬仿真實驗在應用于環境專業的實驗教學過程中具有獨特的優勢，但也面臨不少問題有待探討解決。為此，本文首先總結虛擬仿真實驗教學方式的優勢和特點，然后進一步分析這一新的實驗手段在環境專業實驗教學中存在的主要問題。在此基礎上，探討將虛擬仿真手段應用于環境工程專業實驗教學的合理方式，為合理優化環境工程專業實驗的教學方式提供新的思路。

2虛擬仿真實驗的特點和優點

2.1虛擬仿真實驗教學方式及特點

虛擬仿真實驗教學手段，主要通過利用虛擬仿真實驗教學軟件，模擬真實的實驗室環境，擺放常見的專業實驗設備儀器和試劑，構建一個沉浸式的實驗室環境場景[7]。讓學生游走在虛擬的實驗室場景中，通過動手點擊儀器設備或試劑進行交互實驗，模擬真實的實驗操作。當學生操作虛擬實驗的過程中，試劑和儀器設備也會實時動態變化，出現相應的實驗結果和現象。具體來說，環境工程專業虛擬仿真實驗教學主要借助于專業的虛擬仿真實驗教學平臺，該平臺具有完善的環境專業知識系統，該系統可以通過視頻動畫和圖文形式展示環境工程的實驗和工藝設備、實驗原理和操作事項等等。在虛擬仿真實驗教學平臺上，還可以根據教學需要將實驗分為演示和操作兩種模式，這兩種模式既可以單獨進行，也可以同時進行，一方面指導教師可以通過仿真平臺開展專業實驗的講授；另一方面，學生可以在虛擬仿真教學系統中對知識點進行預習，學習，復習和考核測試。總體說來，虛擬仿真實驗教學可以融合實驗教學的各個教學環節。

2.2虛擬仿真實驗在環境工程專業教學中的應用優勢

環境工程作為一個新興的交叉學科，其專業領域涉及大氣污染控制工程、水污染控制工程、固體廢物處理與處置、物理性污染控制工程等若干專業領域。特別是廢氣治理實驗，污水處理實驗等綜合性的環境工程專業實驗，具有占地面積廣，實驗運行維護成本高等特點。對任務一所高校來說，全方位的開設環境工程專業實驗都面臨不小的困難。即便某些重點院校擁有的專業儀器種類較為齊全，但受實驗場地的限制，設備的數量也相當有限。在教學過程中，教學人數多而專業設備數量少的矛盾不可避免。總體上說，對于多數高等院校的環境專業實驗課程而言，相當數量的學生無法直接參與專業實驗的具體操作，教學效果不甚理想的現象較為普遍。與傳統的實操性實驗教學方式相比，虛擬仿真實驗可以彌補環境工程專業實驗教學上存在的不足。采用虛擬仿真實驗教學手段，教師可以在虛擬仿真教學平臺上安裝仿真實驗軟件，包括基礎實驗模塊、專業實驗模塊及生產實訓仿真模塊，學生能夠在虛擬現實的環境下，對環境污染治理的相關儀器設備原理及操作方法、單元操作過程、工藝流程、儀表控制、污染控制與治理的等各個環節進行充分的了解和模擬學習，有助于提高學習效率。此外，學生還能夠在電腦上對大型專業實驗設備進行反復操作和學習，實驗過程中既不用消耗大量化學試劑，又能減少環境污染和浪費，使環境工程的專業實驗教學顯得更有意義。隨著虛擬仿真教學平臺的不斷發展和完善，虛擬仿真實驗教學平臺還能夠實現多個模塊的輔助教學，如功能和項目兩大模塊。通過功能模塊，學生可以通過網上選課功能，根據自身專業特點選擇合適的虛擬仿真實驗項目，并在系統上與老師和其他同學進行相互交流。在項目模塊中，學生可以利用在線預習功能，學習環境專業實驗原理、專業設備構造和實驗流程。不僅如此，虛擬仿真實驗平臺還可以模擬實驗操作和數據收集分析，在線完成并出具實驗報告，并可根據預定評分標準完成成績評定。仿真平臺提供的儀器設備還可以供學生自由搭建合理的典型實驗項目，配置、連接、調節，進而根據自身需要使用虛擬實驗儀器開展環境專業實驗。上述可見，虛擬仿真實驗教學手段在環境工程專業實驗教學中具有突出的優勢。

3虛擬仿真實驗教學存在的問題

誠如前述，虛擬仿真實驗教學手段可以較好的解決現有環境專業實驗中存在的不少難題，但它并不能替代傳統實操性的實驗教學方式，更不能取而代之。因為虛擬仿真教學手段也有其自身的不足和缺點。首先，虛擬仿真實驗覆蓋的專業實驗類型比較全面，可以充分展示環境工程不同方向專業實驗的全過程。盡管如此，由于所有實驗過程和實驗環節均是學生通過電腦操作在虛擬的實驗環境下完成的，學生對具體的實驗過程和細節不可能有太深刻的認識和理解。特別像環境工程微生物實驗，環境工程綜合設計實驗等，不僅需要學生了解實驗原理和現象，更需要掌握實驗操作技巧和要領，并通過反復練習來達到熟練掌握的程度。很顯然，這樣的教學目標是虛擬仿真實驗教學方式所不具備的。另一方面，仿真教學實驗中所包含的專業實驗模塊大多是比較理想的，實驗的工藝路線也是固定不變的，難以根據實際的教學需求進行設計和更改。僅僅通過虛擬仿真實驗來開展環境專業實驗的教學，容易導致學生對專業知識的認知停留在觀察層面，因此，虛擬仿真教學手段的局限性也比較突出。

4虛擬仿真實驗在環境工程專業實驗教學中的應用方式

誠如前述，虛擬仿真實驗在開展環境專業教學中既有優勢也有不足。因此，在教學過程中，既要充分利用好虛擬仿真實驗教學手段，又不能過度依賴，必須合理把握好利用的程度。在教學信息化不斷發展的環境下，環境專業實驗室必須將虛擬仿真實驗與傳統實驗教學相互結合起來。對于環境工程專業的典型實驗工藝，如脫氮除磷污水處理工藝，機械除塵、電除塵，煙氣脫硫工藝，垃圾電選和磁力分選等實驗，主要采用傳統的實驗教學方式，讓學生通過具體的實驗操作環節，促進自身工程實驗技能的培養。另一方面，對于不具備開設條件的專業實驗，如一些工藝路線較復雜的專業實驗，或涉及多個學科，技術路線較復雜的專業綜合設計實驗，可以通過開設相關虛擬仿真實驗作為一個必要的補充。總之，在環境工程專業實驗教學中，建議以傳統實操性實驗教學方式為主，以虛擬仿真實驗教學為輔，兩者互為補充更加合理。

5結論

環境工程作為學科跨度較大的新興工程專業，其專業實驗課程橫跨化學、化工、環境、生態學和土壤學等多個學科，具有學科種類繁多，專業性和實踐性強等特點。受專業實驗教學資源的限制，現有各大高校完全依靠傳統專業實驗教學方式，較難滿足環境工程各類專業實驗教學的要求，虛擬仿真實驗可以作為環境專業實驗教學的必要補充。但在教學過程中，不能將虛擬仿真實驗替代傳統實驗教學，應以實操性的專業實驗為主要教學方式，輔之以虛擬仿真教學手段，兩者有機結合促進環境專業實驗的教學效果。

參考文獻

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作者：柏松 單位：西南民族大學化學與環境保護工程學院