高危环境事件中大气污染探测虚拟仿真系统设计与实现

安俊琳，项 磊，吕晶晶，朱 彬

高危环境事件中大气污染探测虚拟仿真系统设计与实现

安俊琳，项 磊，吕晶晶，朱 彬

（南京信息工程大学 大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学中心，江苏 南京 210044）

根据学科特点，定位实验教学目标，综合设计了高危环境事件中大气污染探测虚拟仿真实验课程结构，通过互动式、自主式和探究式学习方式，形成了覆盖预习、设计、实施、考核全过程的虚拟实验教学体系。该系统包括18个知识点，分为实验原理及技术规范、环境污染事件发生特征、环境探测方法选择要点、大气环境探测操作和环境事件中获得污染物、气象数据计算分析及预测预警响应服务等5个模块。

大气污染探测；大气科学；虚拟仿真；实验教学

高校实验室是高校教学、科研的重要基地[1-4]。虚拟仿真实验教学是我国高等教育实验教学的重要发展方向，该教学方式为学生开展探究式自主实验、合作式学习和创新性实践提供了先进的手段和开放的平台[5-6]。虚拟仿真实验综合运用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库、网络通信等多种技术，通过逼真的可视化实验环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中进行高效、安全、经济的实验活动，使没有真实验条件的实验得以进行，并得到较好的教学效果[7-10]。

为了推动虚拟仿真实验教学的开展，教育部于2017年启动国家级示范性虚拟仿真实验教学项目的认定工作。南京信息工程大学大气科学与气象信息虚拟仿真实验教学中心2013年获批国家级虚拟仿真实验教学中心，是江苏省唯一的国家级大气科学类虚拟仿真实验教学中心。该中心的建设和发展对于大气科学和环境气象创新型专业人才培养具有重要意义[11]。

高危环境事件中的大气污染监测实习课程教学具有高污染、高危险的特征，受实验设备台套数的限制，常常无法满足每个学生都动手操作的需求；而虚拟仿真实验可以有效弥补这些不足[12-13]，较好地帮助学生完成学习训练，提高实验教学质量。

1 虚拟仿真教学目标

高危环境事件是指由于污染物排放、自然灾害或生产安全事故等原因，导致污染物（包括放射性污染物）等进入大气、水体、土壤等环境介质，造成环境质量下降、危及公众身体健康和财产安全，需要采取紧急措施予以应对的事件[14-15]。大气环境探测是控制环境污染的重要工作之一，是制定应对措施（污染研判、人员疏散等）和灾情评估的重要依据。社会对于大气环境探测类人才具有迫切、持续的需求。

大气环境探测是一门实践性很强的课程，实践能力和创新创造精神是环境类专业学生必备的基本素质。环境科学类专业本科生教育的定位是培养高素质环境科学技术人才，环境监测、环保技术研发和应用单位对环境类专业毕业生的动手实践能力和创新精神也有较高要求。与多数环境类专业课程相比，大气环境类专业课程比较特殊，该专业的实践教学平台往往需要外场大型大气环境探测和实验材料消耗，建设和运行成本非常高，而且具有一定危险性，若操作失误可能危及人身安全和空域航空安全。开发环境事件中大气污染和气象条件探测虚拟仿真实验项目，可在很大程度上解决大气环境类实验实践教学中高危环境事件难以重复、探测器飞行空域管制等难题，并且避免了使用易燃易爆气体，保证实验教学的安全。

本虚拟仿真实验课程内容是大气环境监测及实验课程的重要组成，课程建设的目标是：

（1）以5种典型大气环境观测方法为例，了解并初步掌握大气环境观测仪器的结构和操作方法，理解环境事件中污染物浓度分布特征与大气扩散能力的关系；

（2）通过对大气污染物和气象条件观测流程的在线学习与操作，掌握大气环境探测的操作流程，增加学生对大气环境实验操作流程的感性认识；

（3）通过大气环境和气象要素观测仪器的操作及资料分析，掌握环境事件下如何综合利用观测资料进行大气污染程度和持续时间的计算；

（4）通过设置不同天气背景类型和大气扩散系数中污染物传输过程的对比分析，提升学生对环境事件中大气污染监测和趋势研判协同工作的能力。

2 虚拟仿真教学设计思路

高危环境事件中大气污染探测虚拟仿真实验的内容包括排放源强度对环境事件中污染物浓度分布的影响、天气条件对环境事件中浓度扩散的作用、边界层结构对环境事件中污染物传输的作用、不同环境事件中选取大气环境监测方法的原则、几种典型大气环境和气象条件观测方法、环境事件中污染物扩散浓度和持续时间计算、预测预警决策服务制定等内容。如图1所示，实验项目包含18个知识点，按照功能分为5个模块。

（1）实验原理及技术规范介绍模块：预习并掌握环境事件基本知识、本实验仪器操作规范和资料计算方法等3个实验内容。

图1 虚拟仿真实验项目知识点

（2）环境污染事件特征研判模块：掌握污染物排放源类型和气象稳定度条件对污染物扩散的影响特征，掌握环境事件时空特征、环境事件污染排放特征、天气形势对环境事件的影响和稳定度对环境事件的影响。

（3）环境探测装备和方法模块：掌握大气环境和气象条件探测常用系留汽艇操作、无人机探空操作、双经纬仪测风、照相法测烟云和小球探空操作等5种规范化实验操作流程。

（4）大气环境探测操作模块：掌握不同观测手段所获取资料的差异，不同方法的优势互补、协同观测的实验设计思路，包括观测点位选取和外场仪器操作。

（5）实验结果分析与讨论考核模块：掌握大气环境探测中5种基本探测方法和大气稳定度特征对污染物浓度和浓度超标持续时间的关系，掌握大气环境和气象探空资料的分析方法。

通过知识预习、探测方式设计、大气环境探测实施、实验报告及问答题，实现在线学习、设计实施和考核过程。

3 虚拟仿真教学特色

本虚拟仿真实验教学系统采用案例互动式、学生自主式和探究式学习，建立了覆盖实验预习、设计、实施、考核全过程的虚拟实验教学流程，既可强化学生在开展实体实验前对操作流程和仪器使用的感性认识，也可很好地解决环境污染事件重复难、实体观测实验成本高、危险系数大、示教效果差的问题，实现完整、低成本、安全的实验过程全覆盖。在实验的实施中注重文字、图片、动画、视频等各种媒介的教学准备，开通网站讨论区和网络讨论群，开展线上讨论、线下交流，使实验教学效果得到提升。

以实验系统教学过程中所涉及的环境事件设计、探测仪器设计和获取数据计算分析为考点，按照各模块在本实验中的比例，形成虚实结合的考核评价指标体系，实现对实验学习、练习、数据计算的全覆盖。通过学生在虚拟仿真实验操作过程中反映出自主性、探究性以及合作精神，综合考量学生对实验课程内容掌握程度、对实验仪器结构和性能的熟悉程度、对仪器组合搭配的协调能力、实验报告的完整性。

学生通过网络和终端设备，在线预习、操作、进行数据计算、答题，在线完成大气环境探测实习中涉及的教学内容，既解决了以往学生在进入实体实验室前对实验规范化操作流程认识不足的缺点，还为环境事件重复设计、比较各参数的变化提供了条件，大大提高了学生对大气环境探测的深入理解。虚拟仿真实验教学相比于传统实体实验教学，具有学生主动参与度高、学习时间和空间灵活等优势，减少了实体实验的局限性。实验内容深度和广度得以加强，减少了实体实验教学中的高成本、高周期、具有危险性的弊端。此外，线上讨论区和线下讨论群的交流形式，极大地延伸了学生实验学习的空间、时间和交流途径。

本虚拟仿真教学系统具有案例互动、学生进行自主和探究式学习的特色。

（1）案例互动式教学。通过准备大量实际样本资料作为虚拟仿真系统环境事件个例，学生可以在虚拟实验教学系统中进行案例虚拟仿真练习，借助线上讨论区和线下讨论群进行交流互动，在交流中加深对虚拟实验环节的理解。例如在环境事件设计中提供不同类型的环境事件，提供学生开展大气环境探测和预警预测服务，在指导教师的组织引导下，就爆炸点高度、污染物释放强度和天气条件等因素进行讨论交流。

（2）学生自主式教学。通过设置大气污染物、仪器选型、环境气象条件等丰富多样的参数设置选择，培养学生进行虚拟仿真实验的兴趣，引导学生进行自主式学习，养成主动获取知识的习惯，重点培养学生的自主学习、自主实验和自主创新能力。实验教学内容和考核方式体现学生的自主地位，开展多层次、多元化教学。例如在实验项目预习阶段，通过系统网站文字、图片和视频材料介绍本项目所用到的基本实验原理、仪器操作方法和操作过程等，使学生时间灵活、空间方便地进行自主式学习，拓展了传统教学的深度和广度。

（3）探究式学习。在虚拟仿真系统教学的实施中，让学生通过阅读、观察、实验、思考、讨论等途径，主动探究、自行发现并掌握相应的原理和得到实验结论。以学生为主体，让学生自觉、主动地探索，在探索中找出规律、形成概念，建立认知模型和学习方法架构。例如：在环境事件设计中，针对不同的排放源高度进行单一参数敏感性实验，检验排放源高度对污染物扩散的影响；在进行天气类型和边界层参数设置时，在指导教师的引导下，开展熏烟型、扇型、环链型、锥型和屋脊型5种典型结构的讨论，增强学生对这方面的认识。

4 结语

将虚拟仿真技术及信息化教学引入高等教育教学，使教学方法多样化，解决了教学中的瓶颈问题，在更大范围内实现了教学资源的共享和教学质量的提高。南京信息工程大学建设的高危环境事件中大气污染探测虚拟仿真系统是对信息化教学的初步尝试与探索，在教学过程中还要逐步完善，以建成全方位、立体式的虚拟仿真系统为目标，推动实习教学模式的创新与改革，促进创新型人才培养。

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Design and realization of virtual simulation system for air pollution detection in high-risk environmental events

AN Junlin, XIANG Lei, LÜ Jingjing, ZHU Bin

(Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Atmospheric Science and Meteorological Information, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

According to the characteristics of the discipline and the orientation of the experimental teaching objectives, the course structure of the virtual simulation experiment for air pollution detection in high-risk environmental events is designed comprehensively. Through the attempt of interactive, autonomous and inquiry learning methods, a virtual experimental teaching system covering the whole process of the preview, design, implementation and assessment is formed. The system consists of 18 knowledge points which are divided into five modules such as the experimental principles and technical specifications, the characteristics of environmental pollution incidents, the selection of environmental detection methods, the operation of atmospheric environmental detection and pollutant acquisition from environmental incidents, the calculation and analysis of meteorological data, prediction, early warning and response services, etc.

air pollution detection; atmospheric sciences; virtual simulation; experimental teaching

G482

A

1002-4956(2019)10-0123-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.029

2019-03-29

国家自然基金项目（91544229）；国家级虚拟仿真实验中心建设项目（教高厅函[2014]6号）；南京信息工程大学实验室开放项目（2017kf017）；江苏省高校“青蓝工程”项目

安俊琳（1978—），男，新疆塔城，博士，副教授，主要从事大气科学实验教学工作。E-mail: junlinan@nuist.edu.cn

朱彬（1969—），男，江苏南京，博士，教授，国家级实验教学示范中心主任，主要研究方向为大气环境。E-mail: binzhu@nuist.edu.cn