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虚拟仿真实验在环境工程教学的应用

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【摘要】环境工程作为典型的交叉学科,其专业实验门类众多,学科跨度大,专业性和实践性较强,是横跨化学、化工、环境等多学科的综合性实验。由于传统实验教学模式难以满足高校环境工程专业各类专业实验的教学要求,可将虚拟仿真实验可以作为专业实验教学的辅助手段。但在教学过程中,应将传统实操性专业实验为主要教学手段,以虚拟仿真实验作为辅助,将两种实验教学模式有机结合更好的促进环境工程专业实验教学。

【关键词】环境工程;虚拟仿真;实验教学;仿真技术

1引言

环境工程是一门综合性、跨学科的工程学科,该学科以研究环境污染治理技术为核心,它具有专业知识点高度综合,学科门类复杂多样、实践性和综合性强等特点[1,2]。由于环境工程专业诞生于20世纪50年代以后,该学科的发展及其教学体系尚不完善。环境工程作为探索解决环境问题的主要学科,其实验环节的教学是该学科的重要内容之一,但迄今为止,国内尚未形成一套相对完整的专业实验课程教学体系[3,4]。近年来,随着虚拟仿真实验技术的不断发展,虚拟仿真教学手段在专业实验教学方面显示了良好的应用前景。国内众多高校开始探索利用虚拟仿真实验来开展环境工程专业的实验教学工作,不少高校纷纷搭建了国家级和省级的虚拟仿真实验教学平台,为深化和拓展环境工程专业实验教学方式开辟了新的途径[5-6]。相对于传统的实操性实验教学方式,虚拟仿真实验在应用于环境专业的实验教学过程中具有独特的优势,但也面临不少问题有待探讨解决。为此,本文首先总结虚拟仿真实验教学方式的优势和特点,然后进一步分析这一新的实验手段在环境专业实验教学中存在的主要问题。在此基础上,探讨将虚拟仿真手段应用于环境工程专业实验教学的合理方式,为合理优化环境工程专业实验的教学方式提供新的思路。

2虚拟仿真实验的特点和优点

2.1虚拟仿真实验教学方式及特点

虚拟仿真实验教学手段,主要通过利用虚拟仿真实验教学软件,模拟真实的实验室环境,摆放常见的专业实验设备仪器和试剂,构建一个沉浸式的实验室环境场景[7]。让学生游走在虚拟的实验室场景中,通过动手点击仪器设备或试剂进行交互实验,模拟真实的实验操作。当学生操作虚拟实验的过程中,试剂和仪器设备也会实时动态变化,出现相应的实验结果和现象。具体来说,环境工程专业虚拟仿真实验教学主要借助于专业的虚拟仿真实验教学平台,该平台具有完善的环境专业知识系统,该系统可以通过视频动画和图文形式展示环境工程的实验和工艺设备、实验原理和操作事项等等。在虚拟仿真实验教学平台上,还可以根据教学需要将实验分为演示和操作两种模式,这两种模式既可以单独进行,也可以同时进行,一方面指导教师可以通过仿真平台开展专业实验的讲授;另一方面,学生可以在虚拟仿真教学系统中对知识点进行预习,学习,复习和考核测试。总体说来,虚拟仿真实验教学可以融合实验教学的各个教学环节。

2.2虚拟仿真实验在环境工程专业教学中的应用优势

环境工程作为一个新兴的交叉学科,其专业领域涉及大气污染控制工程、水污染控制工程、固体废物处理与处置、物理性污染控制工程等若干专业领域。特别是废气治理实验,污水处理实验等综合性的环境工程专业实验,具有占地面积广,实验运行维护成本高等特点。对任务一所高校来说,全方位的开设环境工程专业实验都面临不小的困难。即便某些重点院校拥有的专业仪器种类较为齐全,但受实验场地的限制,设备的数量也相当有限。在教学过程中,教学人数多而专业设备数量少的矛盾不可避免。总体上说,对于多数高等院校的环境专业实验课程而言,相当数量的学生无法直接参与专业实验的具体操作,教学效果不甚理想的现象较为普遍。与传统的实操性实验教学方式相比,虚拟仿真实验可以弥补环境工程专业实验教学上存在的不足。采用虚拟仿真实验教学手段,教师可以在虚拟仿真教学平台上安装仿真实验软件,包括基础实验模块、专业实验模块及生产实训仿真模块,学生能够在虚拟现实的环境下,对环境污染治理的相关仪器设备原理及操作方法、单元操作过程、工艺流程、仪表控制、污染控制与治理的等各个环节进行充分的了解和模拟学习,有助于提高学习效率。此外,学生还能够在电脑上对大型专业实验设备进行反复操作和学习,实验过程中既不用消耗大量化学试剂,又能减少环境污染和浪费,使环境工程的专业实验教学显得更有意义。随着虚拟仿真教学平台的不断发展和完善,虚拟仿真实验教学平台还能够实现多个模块的辅助教学,如功能和项目两大模块。通过功能模块,学生可以通过网上选课功能,根据自身专业特点选择合适的虚拟仿真实验项目,并在系统上与老师和其他同学进行相互交流。在项目模块中,学生可以利用在线预习功能,学习环境专业实验原理、专业设备构造和实验流程。不仅如此,虚拟仿真实验平台还可以模拟实验操作和数据收集分析,在线完成并出具实验报告,并可根据预定评分标准完成成绩评定。仿真平台提供的仪器设备还可以供学生自由搭建合理的典型实验项目,配置、连接、调节,进而根据自身需要使用虚拟实验仪器开展环境专业实验。上述可见,虚拟仿真实验教学手段在环境工程专业实验教学中具有突出的优势。

3虚拟仿真验教学存在的问题

诚如前述,虚拟仿真实验教学手段可以较好的解决现有环境专业实验中存在的不少难题,但它并不能替代传统实操性的实验教学方式,更不能取而代之。因为虚拟仿真教学手段也有其自身的不足和缺点。首先,虚拟仿真实验覆盖的专业实验类型比较全面,可以充分展示环境工程不同方向专业实验的全过程。尽管如此,由于所有实验过程和实验环节均是学生通过电脑操作在虚拟的实验环境下完成的,学生对具体的实验过程和细节不可能有太深刻的认识和理解。特别像环境工程微生物实验,环境工程综合设计实验等,不仅需要学生了解实验原理和现象,更需要掌握实验操作技巧和要领,并通过反复练习来达到熟练掌握的程度。很显然,这样的教学目标是虚拟仿真实验教学方式所不具备的。另一方面,仿真教学实验中所包含的专业实验模块大多是比较理想的,实验的工艺路线也是固定不变的,难以根据实际的教学需求进行设计和更改。仅仅通过虚拟仿真实验来开展环境专业实验的教学,容易导致学生对专业知识的认知停留在观察层面,因此,虚拟仿真教学手段的局限性也比较突出。

4虚拟仿真实验在环境工程专业实验教学中的应用方式

诚如前述,虚拟仿真实验在开展环境专业教学中既有优势也有不足。因此,在教学过程中,既要充分利用好虚拟仿真实验教学手段,又不能过度依赖,必须合理把握好利用的程度。在教学信息化不断发展的环境下,环境专业实验室必须将虚拟仿真实验与传统实验教学相互结合起来。对于环境工程专业的典型实验工艺,如脱氮除磷污水处理工艺,机械除尘、电除尘,烟气脱硫工艺,垃圾电选和磁力分选等实验,主要采用传统的实验教学方式,让学生通过具体的实验操作环节,促进自身工程实验技能的培养。另一方面,对于不具备开设条件的专业实验,如一些工艺路线较复杂的专业实验,或涉及多个学科,技术路线较复杂的专业综合设计实验,可以通过开设相关虚拟仿真实验作为一个必要的补充。总之,在环境工程专业实验教学中,建议以传统实操性实验教学方式为主,以虚拟仿真实验教学为辅,两者互为补充更加合理。

5结论

环境工程作为学科跨度较大的新兴工程专业,其专业实验课程横跨化学、化工、环境、生态学和土壤学等多个学科,具有学科种类繁多,专业性和实践性强等特点。受专业实验教学资源的限制,现有各大高校完全依靠传统专业实验教学方式,较难满足环境工程各类专业实验教学的要求,虚拟仿真实验可以作为环境专业实验教学的必要补充。但在教学过程中,不能将虚拟仿真实验替代传统实验教学,应以实操性的专业实验为主要教学方式,辅之以虚拟仿真教学手段,两者有机结合促进环境专业实验的教学效果。

参考文献

[1]刘菲.环境工程专业实验教学的问题与对策[J].现代情报,2003,4(12):187-190.

[2]黄方,李晓恩,周恒国.环境工程专业实验教学与创新人才培养[J].实验技术与管理,2014,31(8):174-176.

[3]黄锦勇,彭祥捷,刘爱华,等.环境工程专业实验教学改革[J].实验室研究与探索,2012,31(8):332-334.

[4]崔芳.环境工程专业创新实验教学体系改革[J].实验技术与管理,2011,28(2):139-144.

[5]胡今鸿,李鸿飞,黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索,2015,34(2):140-144.

[6]张敬南,张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理,2013,30(12):101-104.

[7]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索,2013,32(12):5-8.

[8]李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013,32(11):5-8.

作者:柏松 单位:西南民族大学化学与环境保护工程学院

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