大气污染控制工程信息化实验教学模式的构建

刘 涛, 李照海, 羌 宁, 徐 斌, 施鼎方, 徐竟成

(同济大学 环境科学与工程学院 环境科学与工程国家实验教学示范中心，上海 200092)

大气污染控制工程信息化实验教学模式的构建

刘 涛, 李照海, 羌 宁, 徐 斌, 施鼎方, 徐竟成

(同济大学 环境科学与工程学院 环境科学与工程国家实验教学示范中心，上海 200092)

针对在大气污染控制工程专业实验教学中课前预习不足、实验条件难于控制、课后开放程度不够等问题，采用计算机、多媒体、网络通信等技术构建以课前在校园网上预习3D虚拟仿真实验，课上数字化监控实验过程和课后网上在线实验的开放为核心的三位一体的大气污染控制工程信息化实验教学模式。实现了课前沉浸式预习、课上精确监控、课后远程开放，充分共享实验教学资源，提高了学生的学习积极性，培养了学生的实践能力和创新能力。

大气污染控制； 信息化； 3D虚拟仿真； 网络在线实验

0 引 言

根据教育部《教育信息化十年发展规划(2011-2020)》[1]，高等教育信息化的主要任务是：“进一步加强基础设施和信息资源建设。重点推进信息技术与高等教育的深度融合，促进教育内容，教学手段和方法现代化，促进高等教育质量全面提高[2-3]。”在大气污染控制工程信息化实验教学改革中，使大气污染控制工程理论知识与3D虚拟仿真技术、数字化技术和互联网技术结合，建立了多维度立体化的高效教学空间，使大气污染控制工程实验的课前预习、课上实验教学监控[4]和课后开放实践教学无缝对接。通过互联网共享大气污染控制实验教学资源，为师生提供开放型的实验教学环境，使得实验教学在内容、时间及空间等方面得到多维化延伸和融合[5-6]。

1 信息化实验教学的应用

构建以课前在校园网上预习3D虚拟仿真实验，课上数字化监控实验过程和课后网上在线实验的开放式三位一体的信息化大气污染控制工程实验教学模式。下面以有机污染气体活性炭吸附与脱附实验为例[7-8]，介绍该信息化实验教学模式的构建。

1.1 课前3D虚拟仿真实验

教师根据有机污染气体活性炭吸附与脱附实验制作颗粒活性炭吸附净化乙酸乙酯3D虚拟仿真实验软件并发布到实验教学中心网站上。学生课前通过校园网上进入3D虚拟实验室并在虚拟的场景下按照该实验步骤完成整个实验并网上递交实验报告。教师通过仿真实验室管理平台进入教师考评系统来查看每位学生操作记录和点评学生预习的情况，如图1所示。

1.2 课上数字化监控实验

在有机污染气体活性炭吸附与脱附实验中有8套实验装置，每次实验可以供24名学生分成8组每组3人进行实验。发现该实验在脱附环节时，因学生手动控制脱附温度，造成脱附温度波动比较大，导致实验结果不理想，无法绘制穿透曲线。故在计算机上编程温度精确软件控制实验装置的温控仪实现一台电脑可以控制8台实验装置的温度并记录相关数据，辅助学生了解实验过程中数据监测的重要性，便于大家对吸附与脱附过程有更深入的了解。实验过程如图2所示。

1.3 课后开放网络在线实验

等比例放缩了挥发性有机气体循环脱附分流回收吸附净化实际工程[9-10]，建设了有机污染气体活性炭吸附与脱附的在线实验系统，该系统包含网上远程控制模块、线上虚拟操作模块、实验室现场操作模块、在线监测与监控模块和线上教师帮助模块。学生根据在线工程化实验装置，自主设计、确定实验目标，自主选择实验内容，现场准备实验，通过网络远程控制实验过程，在线监测实验数据，验证自己的实验设想。同时在实验过程中，学生通过线上教师帮助系统与教师互动来解决实验中出现问题。实验系统的控制图和实物图如图3所示。

图3 挥发性有机气体循环脱附分流回收吸附净化在线实验系统

2 信息化实验教学改革的意义

通过利用先进的计算机技术、多媒体技术、网络通信技术等信息加工处理传播技术，将大气污染控制工程实验资源数字化，然后通过互联网和计算机构建了课前网络预习、实验课堂实时监控和课后在线开放创新的三位一体的一种新兴的实验教学模式。数字化实验教学具有多方面的非常突出的优势，利用信息化可以解决目前实验教学中存在的很多问题[11-12]。

2.1 实验教学资源开放与共享

信息化实验教学的最大优点之一就是可以真正实现实验资源共享。是因为信息化大气污染控制工程实验通过服务器发布在Internet，任何一个学生，在任何时候，任何一个有网络的环境，都可以通过计算机调用大气污染控制工程实验教学软件和其他资源，从而达到该实验教学不受课堂、课时和经费的任何限制，真正实现教学资源的开放与共享。如把挥发性有机气体吸附与脱附的3D虚拟仿真实验的软件共享到Internet，学生课前在校园网中提前学习理解和掌握该实验的目的和原理，演练实验步骤，带着问题在实际实验中验证，从而解决了仅3～4学时的实验无法达到充分训练动手、观察和思考等实验技能，提高实验教学的趣味和效果。

2.2 工程实验条件精准控制

信息化大气污染控制工程实验不仅在教学资源Internet网上开放和共享得到充分体现，也能利用计算机达到软硬件相结合精准控制实验条件，使工程实验课中得到的数据准确，加深学生通过实验现象来理解实验原理，利于培养学生的科学研究的能力。如活性炭吸附与脱附实验在信息化改造前，因每组学生手动控制脱附温度使各组间的脱附温度差别很大，所以各组间的实验数据差别很大，甚至有些组无法绘制脱附的穿透线，影响实验效果；现在利用计算机统一控制8组脱附温度，使脱附温度恒定在160 ℃，上下浮动温度在1 ℃的范围内，确保实验数据的准确性，提高实验效果。

2.3 紧密结合工程实践

大气污染控制工程实验每学年仅有10几学时,无法有效培养学生的工程实践能力。但信息化实验教学通过网络中可以把设计实验和工程实验结合在一起，避免工程设备难保养、高消耗、高耗能以及危险性等问题，促使实验原理与工程实践完美统一，解决现有理论学习与生产实践相脱节的现实问题。例如，挥发性有机气体活性炭吸附与脱附在线实验系统，把工程实际操作引入实验教学当中，学生利用自己的课余时间虚实结合的场景下完成实验，师生在线上互动，有助于学生实践创新能力的提高[13]。现已经完成的创新实验项目有“气态挥发性有机物污染控制实验研究”“活性碳流化床吸附挥发有机物”“合成革混合有机废气一步法吸附回收研究”“气体循环再生干式吸附净化工艺装备试验装置开发”等。其中“合成革混合有机废气一步法吸附回收研究”获国家级创新实验项目。

3 结 语

在一个全时空、开放式、可互动的大气污染控制工程信息化实验教学环境中学生不仅可以通过网络提前预习相关实验并发现问题，带着问题去实验并解决，也可以根据在线工程化实验装置，自主设计、确定实验目标，自主选择实验内容，在工程实践中验证自己的工程设想[14]。这样的环境为学生提供了个性化发展的条件和空间，激发了学生的学习兴趣，有利于培养学生的实践能力和创新能力，形成了教与学之间的良性互动[15]。

[1] 中华人民共和国教育部.教育部关于印发《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》的通知[EB/OL].[2012年3月13日].

[2] 陈天云，张剑平.智能教学系统的研究现状及其在中围的发展[J].中国电化教育，2007(2)：95-99.

[3] 邓 伟，肖国强.基于3G的移动学习[J].软件导刊，2007(7)：51-63.

[4] 李玉东，艾永乐，王晓卫，等.国家级实验教学示范中心网络信息化建设的探索[J].实验室研究与探索，2014，33(7)：143-147.

[5] 原渭兰，邱 杰，邱丽原. 现代教学条件下高等院校实验教学改革的探讨[J].实验室科学，2011，14(2)：21-23.

[6] 房成鑫.关于高等院校实验资源共享的探索[J].实验技术与管理，2014，31(8)：260-262.

[7] 章非娟，徐竟成.环境工程实验[M].北京：高等教育出版社，2006.

[8] 刘 涛，羌 宁，盛 力，等.建设精品实验项目，提升大气污染控制实验教学水平[J].实验室研究与探索，2014，33(3)：142-145.

[9] 季学李，羌 宁.空气污染控制工程[M].北京：化学工业出版社，2005.

[10] 徐胜男，羌 宁，裴 冰.活性炭处理甲苯气体吸附再生实验研究[J].环境污染与防治，2007，29(12)：57-63.

[11] 刘 立，张臣文，李文联，等.网络实验教学新模式的探索与实践[J].实验室研究与探索，2010，29(2)：53-56.

[12] 原渭兰，邱 杰.数字化实验教学改革的研究与思考[J].实验技术与管理，2011，28(7)：138-140.

[13] 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.

[14] 刘 佳，徐竟成，黄翔峰，等. 环境科技创新基地培养管理模式的改革与实践[J].实验室研究与探索，2012，31(1)：79-81.

[15] 王德利，汤海峰，孟 威，等.数字化实验教学平台的构建[J].实验技术与管理，2014，31(12)：152-154.

Construction of Informatization Experimental Teaching Mode in Air Pollution Control Engineering

LIU Tao, LI Zhaohai, QIANG Ning, XU Bin, SHI Dingfang, XU Jingcheng

(College of Environmental Science and Engineering, Experimental Teaching Demonstration Center of Environmental Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China)

The technologies of computer, multimedia, network communication and so on are used to solve the problems of the lack of preview before class, difficult control of experimental conditions, the diversity of activities after class in the experimental teaching of air pollution control. The combination of previewing 3D virtual simulation experiment on campus network before class, digital monitoring experiment process in the class and experimenting online after classis are used to build up as the core of three-in-one air pollution control engineering experiment informatization teaching mode. Thus, the immersion preview before class, accurate monitoring in the class and remote open after class are realized, experimental teaching resources are fully shared. The students' learning enthusiasm is improved, students’ practical ability and innovation ability are cultivated at the same time.

air pollution control； information technology； 3D virtual simulation； online experiment

2016-07-26

刘 涛(1976-)，男，山东枣庄人，硕士，高级工程师，主要从事大气污染控制实验教学及挥发性有机物减排工作。

Tel.：13918717147；E-mail：liutao@tongji.edu.cn

X 51；G 642.0

A

1006-7167(2017)08-0234-03