基于OBE模式的环境工程虚拟仿真实验中心建设探索

张 珂, 郑宾国, 崔节虎, 牛俊玲

(郑州航空工业管理学院 土木建筑工程学院, 河南 郑州 450046)

实践教学是环境工程专业本科教学环节的重要组成部分。环境工程专业具有特殊的学科特点,它涵盖的知识面宽,知识跨度大、交叉性强。然而,环境工程专业在实践教学过程中面临着一些工程类专业的共性问题,以及由其专业本身特性所带来的技术难题[1-2]:包括：(1)实践教学仅机械地完成理论配套实验,与社会需求脱节,难以建立有效的“理论—实践—应用”反馈机制；(2)实践教学体系培养模式过于单一,缺少设计性、综合性和创新型实验；(3)环境学科发展迅猛,新仪器、新方法不断涌现,传统实验手段难以同步适应；(4)课程综合实验仪器体积大、成本高,实验周期长,场地、学时和经费条件限制了学生对实验的参与度；(5)化学类实验项目涉及剧毒化学品,危险性高、管理难度大。

成果导向教育(outcome-based education，OBE)是指教育教学过程中一切教学活动都围绕学生实现预期学习成果进行开展的教学过程[3-5]。OBE 强调学生的主体作用,将工程教育认证标准作为指导性纲领,以社会需求为导向,注重培养学生把学术知识转化为解决实际问题的能力。该理念下的各个环节都是紧紧围绕学生进行设计并实施的,在创新应用型人才培养方面具有十分重要的意义[6-7]。

虚拟仿真实验是以计算机为基础的虚拟现实技术,利用动态教学模型实时模拟实体实验的场景、仪器设备、操作流程,产生和实体实验一致的实验现象和结果[8]。虚拟仿真实验能够克服实体实验周期长、危险性大、参与度低、灵活性小等诸多缺点,实现低成本、全天候的实验教学和即时的实验反馈[9-11]。引入虚拟仿真实验,有助于开展基于OBE模式的实践教学,二者的有机结合,能够较好地解决环境工程专业实践教学环节中的共性及个性问题,全面培养学生的自主学习能力、创新意识和工程实践能力。

1 建设理念与思路

围绕OBE模式,根据应用型人才创新实践能力培养的需要,将虚拟仿真实验引入环境工程专业实验教学,开发和丰富环境工程虚拟仿真实验教学资源,实现与理论教学、实体实验教学的有机结合,贯彻“能实不虚、虚实结合、互为补充”的建设原则,进一步强化学生的实践能力,培养和锻炼创新思维,构建综合性强、开放度高、互动丰富的实践教学体系[12-14]。

(1) 以学生为主体,以社会对环境工程人才的需求为导向,重点培养学生工程执业能力,突出培养创新应用意识。以激发学生主观能动性为前提,以培养学生将理论知识转化为实践应用的能力为目的,以提高学生环境工程专业素养为目标,构建高度仿真、虚实结合、开放共享的虚拟仿真实验系统,探索理论知识学习与实践能力培养的最优结合方式,创新实践教学体系。

(2) 以实验项目驱动为主导,倡导“做中学”方式,重视科研成果向实验项目有效转化,实现教学与科研的有机结合和有效反馈,强化创新、研究意识,促进学生科学研究能力培养。

(3) 大力推动校企合作实践教学基地建设,实行校企合作、协同创新,开发面向环境工程实际的“多层次、立体化、模块化”的虚实结合虚拟仿真教学资源体系。

(4) 注重实验管理与教学师资队伍建设,不断优化师资队伍结构，提升水平；健全虚拟仿真实验教学资源管理,建立共享机制与兼容平台,重视平台维护,保障虚拟仿真实验教学的安全高效运行。

2 实践教学体系设计

以OBE模式为建设理念,以“能实不虚、虚实结合、互为补充”为建设原则,以“理论教学与实践教学相辅相成、实验教学与科研创新有机转化、实体实验与虚拟仿真虚实结合、实验中心与对口企业紧密联合”为建设目标,设计构建环境工程虚拟仿真实践教学体系，见图1。

图1 环境工程虚拟仿真实践教学体系

2.1 改革培养方案,创新实验课程设置

打破实验课依附理论课的教学辅助模式,对实验课单独设课,单计学分。借助虚拟仿真实验技术,实现实践教学主体迁移,即引导实践教学由教师演示、灌输,向学生思考、探索转变；由模仿操作向设计创新转变；由验证理论到运用理论转变。发挥虚拟仿真实践教学优势,增加综合型和创新型实验项目比重。

2.2 丰富实验项目,进行层次化实践教学

根据工程认证标准和社会人才需求,将实践教学分为基础型、综合型和创新型。基础型实验以课程实验为主,增强学生对所学理论的理解,帮助学生掌握科学的实验方法和基本的实验技能。综合型实验以专业实验和综合性实验为主,培养和提高学生应用所学理论解决问题的能力。创新型实验以课外开放实验、课程设计和毕业设计为主,鼓励学生组建兴趣组,参与教师科研课题、竞赛项目和校企联合项目,培养学生科研创新精神和实践应用能力,培育高素质复合型专业人才。

2.3 整合实验平台,虚拟仿真与实践教学有机结合

在层次化教学的前提下,依托虚拟仿真实验平台,实现与教学的有机结合。将基础型、综合型虚拟仿真实验与专业基础理论课程、专业核心理论课程、专业综合训练课程配套,对理论课程和虚拟仿真实验课程作统筹安排,使学生在掌握理论知识后通过虚拟仿真实验进一步掌握其应用的领域和方法,实现“虚、理结合”。将虚拟仿真实验平台引入本科生课外创新实验项目,开展综合型、设计型虚拟仿真实验,进行探索性、创新性的实验研究工作,实现“虚、创结合”。在借助虚拟仿真平台辅助理论学习和能力培养的基础上,依托实验中心实体实验平台和校企合作实践基地,进行科学研究和应用孵化,并将研究及应用成果反馈于教学过程中,实现 “虚、实结合”。

3 虚拟仿真实验资源建设

环境工程虚拟仿真实验资源建设应遵循由基础理论知识运用到专业应用能力培养，进而实现综合创新能力锻炼的“进阶式”发展思路,围绕“水、气、固、声”四大要素,构筑环境工程专业课程群。注意认知感受、操作技能、设计管理等不同实验方式的体现,借助虚拟仿真平台优势,对复杂性高、专业性强、危险性高的实体实验项目进行重点补充与有效辅助,全面培养学生专业实践技能,为培养环境工程专业高素质、复合型应用人才提供重要支撑。

3.1 基础型虚拟仿真实验资源

建设化学化工类虚拟仿真实验平台，对于危险性高、污染大、操作条件苛刻、成本高和理论复杂的化学化工类实验项目设置虚拟仿真模块，通过人机交互完成教学实验过程的各个环节,实现经济、安全、高效的实践教学目标。

(1) 有机化学实验仿真模块。选择具有操作难度大(无水无氧操作)、易燃易爆(格氏反应)及大型仪器台件数少(微波合成、光化学反应)等特点的项目进行虚拟仿真。通过反复演练实验过程,排除学生对高危实验的恐惧,激发学习兴趣,提升教学效果。

(2) 物理化学实验仿真模块。选择操作要求较高的实验科目,如 “液体饱和蒸汽压测定”“乙酸乙酯皂化反应速率常数测定”“镍在不同电解质中的阳极极化曲线测定”等实验,学生可以预先通过虚拟实验学习,了解仪器结构及使用技巧、进行仪器设备的安装、拆卸练习,并可反复模拟演练实验的全过程,掌握分析和处理数据的方法,然后进行实体实验,达到更好的教学效果。

(3) 仪器分析实验仿真模块。摆脱仪器成本、场地条件等限制,利用虚拟仿真平台构建大型精密仪器多维实验教学环境,实现样品前处理、仪器参数的设置、仪器测试操作、数据处理等全过程实验模拟。大幅增加实验分组,将演示型实验拓展为验证型、综合型实验,使学生通过身临其境的模拟操作,掌握大型仪器的工作原理及操作规范。

(4) 环境工程原理实验仿真模块。开设单元仿真操作与项目仿真实验,使学生通过单元操作建立一定的工程概念,分析工艺过程与数学模型之间的关系,掌握理论知识的运用能力、实验操作能力、仪器仪表的使用能力、实验数据的处理和分析能力。

3.2 专业型虚拟仿真实验资源

专业型虚拟仿真实验教学平台主要面向高年级本科生的专业课程和实践课程学习,提升学生从事大型工程的应用能力和对大型工程技术问题的综合解决能力。围绕环境工程核心课程群,开发虚拟仿真实验实训软件。

(1) 水处理仿真实训软件。针对气浮工艺、氧化沟工艺、SBR工艺、UASB工艺、生物接触氧化工艺等常用水处理工艺,建立虚拟仿真实验模块,模拟工艺中泵房、沉砂池、初沉池、曝气池、二沉池、污泥浓缩池等水处理构筑物的正常运行操作,模拟污水处理厂常见设备故障操作,模拟污水处理厂常见工艺事故处理操作,并可通过参数调整产生相应的正常或故障响应。

(2) 大气污染控制仿真实训软件。利用三维虚拟现实技术,提供脱硫和脱硝场景各个系统的连接关系,以典型工业过程(300 MW火电机组烟气脱硫系统)为仿真对象,准确建立脱硫系统数学模型,包括烟气参数模型、脱硫塔模型、脱硝反应模型等，并且提供后台数据支撑,支持阀门、泵等设备操作和压力、温度等参数的实时计算和显示。脱硫塔设备的内部结构可以清晰呈现,内部工质的状态配有3D特效。通过半剖设备模型、动漫演示等手段形象展示设备工作原理。

(3) 噪声污染控制仿真实训软件。全频段噪声分析软件,用于对结构及设备振动响应、全频段噪声响应、结构声振耦合分析和瞬态冲击响应进行预估,并指导减振降噪、结构布局及材料等方面的优化设计和仿真模拟。

(4) 固体废弃物处理与处置仿真实训软件。针对堆肥技术和垃圾焚烧发电工艺建立虚拟仿真模块,模拟堆肥前处理、发酵、后处理、脱臭等多个环节,模拟垃圾焚烧处理厂废气处理工艺中急冷塔、反应塔、布袋除尘器等单元设备结构与操作现象,帮助学生熟悉设备流程,学习设备阀门、设备和仪表的正确操作步骤,也可用于对典型工艺过程的认知实习。

3.3 综合型虚拟仿真实验资源

综合型虚拟仿真实验主要引导高年级本科生将各种虚拟仿真、数值模拟实验技术与创新型、探索型实体实验有机结合,延伸实体实验范畴,为拓展学生视野、培养创新意识和工程实践创新应用能力提供新途径。综合型虚拟仿真实验立足学生创新项目与学科竞赛项目,建立以项目和课题为核心的学习模式,倡导以学生为主体的创新性实验改革。

4 改革实验中心管理模式

OBE模式强调对实践教学的要求,虚拟仿真实验平台则增强了实践教学的即时性、灵活性。在模式改革、资源到位的情况下,若要最大程度地贯彻OBE教育模式,最充分地利用虚拟仿真实验资源,就需要大幅增加实验室管理的开放性与自主性[15]。

(1) 实行校、院两级管理,并构建完善的考核制度。学院对接实验中心实践教学队伍、教学任务及实验教学项目的开设与管理；学校对接实验中心平台建设、教学及科研资源建设、安全及日常维护管理。学校、学院应制定对实验中心及中心工作人员的健全完善的考核机制。

(2) 实行主任负责制,按岗聘任实验教师。实验中心主任作为第一责任人,在实验课程设置、教学改革、人员聘用、实验室管理和经费管理等方面应具有较大的自主权,以保证教学资源的充分合理利用。实验教师各司其职,在实验室日常管理、实验仪器设备的维护与保养、承担实验教学任务和运行虚拟仿真实验教学等方面进行详细分工。

(3) 仪器设备、实验用房均由中心统一管理。实验室根据功能和学科特点进行重组和建设,减少重复投资；对实验室仪器设备和虚拟仿真实验教学资源进行实时动态管理；实现资源共享,提高实验仪器设备和软件平台的使用效率。

(4) 提高实践教学队伍信息化水平,延伸虚拟仿真实验教学范围。虚拟仿真实验教学网络覆盖校内外网络及移动终端,将实验教学拓展到无限的网络实验空间,实现虚拟仿真教学和校外实习教学的互补,逐步形成“理论教学、实体实验教学和虚拟仿真实验教学相结合”的立体化实验教学模式。

5 结语

面对专业认证与高校审核性评估的要求,基于OBE教育模式,引入虚拟仿真实践教学手段,对实践教学内容与体系进行改革,设计以学生为主体,层次化、多元化的实践教学体系,构建高度仿真、虚实结合、开放共享的虚拟仿真实验平台,建设相对独立、自主性强、灵活度高的信息化实验管理队伍。积极开展、合理融入虚拟仿真实验教学,在理论教学、实体实验教学与虚拟仿真实验模拟三位一体、有机结合的基础上,以成果为导向,结合社会需求,激发学生学习兴趣,强化学生专业实践能力,锻炼学生综合素质与科研创新素养,培养高素质复合型应用人才。