地方民族院校环境工程虚拟仿真实验教学课程的建设与实践

杨 志，刘天成，熊华斌，王靖杰，高云涛

(1.云南民族大学 化学与环境学院，云南 昆明 650500； 2.北京东方仿真软件技术有限公司，北京 朝阳 100029)

目前，信息化与网络化已成为推动教育教学改革和发展的重要途径，国家也早已出台了《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》及《国家中长期教育改革和发展规划纲要 (2010—2020年)》等相关文件和要求，提出要加快推进信息化技术和教学手段的进一步融合与发展，提升信息化教学水平，丰富教学方式方法[1].值得关注的是，随着信息化技术与虚拟仿真技术的迅速发展，将虚拟仿真与传统实验相结合已经成为目前高校实验教学改革与创新的一大热点.虚拟仿真实验教学作为专业理论知识体系与计算机技术、信息技术等深度融合的产物，是高校教育信息化建设的重要途径及实验教学的重要手段，是实验教学改革和创新的具体体现，而且具有利用率高、风险小、易维护等诸多优点，符合工程教育导向，符合国家“卓越工程师教育培养计划”的根本要求，有着广阔的应用前景[2-3].

近年来，国内许多高校根据自身的教学需求建立了一些虚拟仿真实验教学项目，但是，在环境工程领域中应用虚拟仿真实验教学的相关报导并不多[4]，在民族院校中更是罕见.环境工程是一门实践性很强的应用型学科，具有显著的工程特点，环境工程实验中的每个实验项目都相当于环境污染处理工程中的一个操作单元，学生通过实验能建立起一定的工程概念.环境工程实验是培养环境专业学生的创新能力及工程实践能力的主干课程体系，在环保人才培养中的地位至关重要，而且因其自身的专业课程特点，进行环境工程虚拟仿真实验教学课程的建设显得很关键[5].同时，笔者身为地方民族院校环境工程专业的任课教师，结合地方民族院校及其学生的特点来看，很有必要在地方民族院校中进行虚拟仿真实验教学课程的建设与实践.

1 地方民族院校环境工程虚拟仿真实验教学课程建设与实践的目的及意义

1.1 强力提升地方民族院校的工程教育水平及学生的实验实践能力

我国的民族院校肩负着培养少数民族地区高级专门人才的重要使命，长期致力于服务少数民族地区的经济建设与社会发展，可以说是我国众多高校中的一个特殊群体.近年来，虽然相关民族院校也积极进行工程教育实践教学改革，但一直以来，民族院校多是以民族政策理论研究为主，工程教育教学发展较为缓慢，因此在开展工程教育实践教学改革过程中常常步履维艰，地方民族院校更是如此[6].同时，地方民族院校的学生生源多来自少数民族地区，学生整体基础底子较为薄弱，实验实践能力较差.

开展工程教育的主要目的在于培养专业工程技术人才，一个高水平的工程实践教学平台，以及与之相配套的实验教学体系是提升工程教育水平，提高学生实验实践能力的必要条件.通过环境工程虚拟仿真实验教学课程的建设和实践，构建好虚拟仿真实验教学平台，建立与之相适宜的教学手段和管理模式，开展多角度、深层次的课程探索与教学实践，有助于提升少数民族学生的实验兴趣和积极性，培养少数民族学生的实践能力，拓宽学生的思维方式和工作方法，开发学生的创新思维能力，并且进一步促进地方民族院校学生与社会行业接轨，培养符合社会经济发展需要的工科实践型人才，使学生实现更好地就业，更有力地服务于民族地区的经济建设和社会发展.

1.2 着力解决环境工程实验实践教学的迫切需求

实验实践教学是激发学生探索欲望，培养学生实践能力和创新精神的必要途径，是工程教育开展的重要导向.环境类专业均是实践性很强的应用型学科，环境工程实验中的每个实验项目都相当于环境污染处理工程中的一个操作单元，具有显著的工程特点.但由于环境类专业自身的特点，在实验教学开展过程中常常存在一些困难，例如有的实验仪器设备价值较高，教学部门无力购买，常常导致设备台套数不够甚至缺乏，因而无法开展相关实验或难以保证每人都有机会实际操作；再如某些实验项目运行周期过长，而实验课时有限.这些问题都给开设相关实验带来了一定的困难，也在很大程度限制了学生对知识的掌握和能力的养成.同时，由于实验过程中环境污染物的毒副作用及工程机械仪表的特点，环境工程实验具有高污染、高风险的特点，开展实验对于安全性要求颇高，从而导致了环境类专业实践工程教育的困难[7].

环境工程虚拟仿真实验教学课程的建设和实践，能够很好地解决上述问题：开展绿色实验教学，降低了风险和成本；丰富了教学内容，拓展了实践领域；激发了学生的学习兴趣，达到有效提升教学质量的目的，有助于培养高素质的应用型环境工程专业技术人才[8-10].

2 环境工程虚拟仿真实验课程的教学内容

环境工程学科综合性及实践性强，专业教学内容涉及水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废物处理与处置等专业领域[11].按照最新的专业人才培养方案及《教育部办公厅关于 2017—2020 年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》等要求[12]，结合工程教育导向及国家“卓越工程师教育培养计划”的要求，项目团队成员以开展虚拟仿真实验教学、提升实验教学质量为出发点，致力于让卓越工程师人才培养回归工程教育实践，与北京东方仿真软件技术有限公司合作进行环境工程虚拟仿真实验教学课程的建设，开发了环境工程虚拟仿真实验教学平台，内容涉及水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废物处理与处置等3大类，涵盖了环境科学与工程领域主流的13个实验项目，见表1，覆盖范围广，同时使实验教学内容与社会生产实际更加契合.其中，图1为水处理仿真AAO工艺系统运行界面示例.

表1 环境工程虚拟仿真实验教学课程开设实验内容

借助环境工程虚拟仿真实验教学平台，本课程可展示上述所列实验的工艺流程(如图1所示)，并根据具体的实验需要设置参数进行动态操控，可展示仪器设备及工艺设施的内部结构.教学内容保持与课堂理论教学同步，通过实验验证理论知识，并进行必要的拓展，加深学生对理论知识的理解和认识，解决传统实验由于硬件设备的限制而不能充分发挥实验相应效果的问题，学生可通过虚拟仿真的方式完成相关实验，拓宽了眼界.综合来看，环境工程虚拟仿真实验教学课程体系能有效提升课堂教学效果和学生的实验实践能力，同时可为环保公司培训和环保公益宣传提供技术支撑.

3 环境工程虚拟仿真实验课程的教学方法

借助课程的教学平台，环境工程虚拟仿真实验教学采用学生自学、教师讲解、仿真实操、在线考试及教师解答等多种方式适度灵活结合进行.课程的教学平台登录界面如图2所示.

该教学平台将实验教学过程分成多个梯度，主要包括“理论学习”、“仿真学习”、“在线考试”等模块，逐步扩充知识点，同时加大学习深度和难度.

3.1 理论学习

“理论学习”部分，围绕课程内容，配套了相关的教学支撑文件.在《水污染控制工程》、《大气污染控制工程》及《固体废物处理与处置》等专业课骨干教师多年从教、不断总结优化的授课ppt的基础上，将课堂理论知识精简，结构重塑，提取知识点，对应能力素质培养点，扩充工程知识，使学生巩固理论知识的同时，掌握实验要点.学生应在课前进行必要的自学与预习.

教师在实验操作前，进一步地集中向学生讲解该实验所需的理论知识，提出实验过程中需要特别注意的关键点，如活性污泥实验中出现污泥膨胀的原因及其处理办法、有机废气催化净化的机理等，根据学生对理论知识的掌握程度的不同进行必要的补充，为下一步的仿真学习打好基础.

3.2 仿真学习

“仿真学习”是通过计算机虚拟仿真技术，以动画视频形式讲解实验内容与方法，要求学生在掌握必备理论知识的情况下进行.登录实验平台后，学生可以观看具有针对性的实验视频演示指导，通过观看视频，理解该次实验的实验原理和方法，熟悉实验步骤流程.这样可以让学生快速理解实验过程，同时，快速掌握实验软件的使用方法，从而避免由于操作上不熟悉引起的失误导致实验停滞或失败.图3为有机废气催化净化虚拟仿真实验教学视频演示界面示例.

3.3 在线考试

“在线考试”包括3个部分：考试管理、实验报告评判和统计分析.

1)考试管理.考试是由任课教师结合具体的实验教学内容给学生出模拟考卷，教师只需设置试卷的基本信息，试题全部由题库中随机调取.试卷一共有4种题型，每张模拟考卷可以使用一种或多种题型，各题型的题目数量及分数比例可由任课教师根据具体情况进行多样化设置.

2) 实验报告评判.完成实验后，学生需要进一步根据实验报告的要求，对实验过程中采集的数据信息进行必要的分析计算，然后以实验报告的形式在线提交给实验指导教师.实验指导教师收到实验报告后及时作出评判，告诉学生该次实验成功与否，实验需要改进与完善的地方等.

3) 统计分析.统计分析主要是针对学生的考试和实验报告情况进行的结果分析，判断学生的学习质量.结合学生的具体情况，反思总结仿真实验教学过程中存在的问题，不断优化提升教师的授课质量和学生的学习效果.

4 环境工程虚拟仿真实验教学课程的优势和特色

1) 教学理念.结合当代教育理念和信息化手段，拓展环境工程虚拟仿真实验教学，为民族院校环境专业的授课教师和学生提供多样化的、便捷的环境工程实验讲授及学习方式，借助虚拟仿真实验教学平台上丰富的教学资源，学生可以近距离、多角度地观察实验过程，可通过交互控制加快或减慢实验进程，彻底打破时间与空间的限制.

2) 教学内容.该课程目前已有的教学内容涉及水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废物处理与处置等3大类，涵盖环境科学与工程领域主流的13个实验项目，覆盖范围广.教学内容保持与课堂理论教学同步，通过实验验证理论知识，并进行必要的拓展，加深学生对理论知识的理解和认识.比起传统的环境工程实验教学，该平台上的实验教学内容与社会生产实际更加契合，可进一步促进地方民族院校学生与社会行业接轨，培养符合社会经济发展需要的工科实践型人才，使学生实现更好地就业.

3) 教学方式.该课程提供在线实验视频指导，能够快速帮助学生建立虚拟实验的概念，弄懂原理，熟悉过程，进一步巩固理论知识；也可通过系统留言与教师互动.实验结束后，教师可以组织在线考试，学生也可以通过系统提交实验报告给教师，教师批改实验报告后，反馈给学生；并可根据“统计分析”结果，不断优化提升教师的授课质量和学生的学习效果.形成了“课前学生预习，课上教师讲解与学生动手实操，课后组织在线考试以及教师评阅反馈”的完整教学体系.同时，可与相关院校及企业开展虚拟仿真实验会议交流，采用校校、校企联合的模式，开展虚拟仿真实验教学，为学生提供更多的实验项目.

4) 开放运行.借助环境工程虚拟仿真实验教学平台，学生可通过计算机、智能手机等多种形式的终端设备，不受时间、空间限制，在线开展“教-学-练-考”，满足了多学科、多专业、不同层次的实验教学需求.同时，可利用网络平台，资源共享，优势互补，拓展学生实验实践能力.

5 结语

随着信息化技术与虚拟仿真技术的迅速发展，将虚拟仿真与传统实验相结合已经成为目前高校实验教学改革与创新的一大热点.按照“低成本、低消耗、可重复、易管理”的思路，依据“虚实结合、相互补充”的原则，结合地方民族院校学生及专业特点，进行环境工程虚拟仿真实验教学课程的建设与实践，致力于让卓越工程师人才培养回归工程教育实践，使实验教学内容与社会生产实际更加契合，提高了地方民族院校工程教育教学效果及学生的工程实践能力，符合国家“卓越工程师教育培养计划”的根本要求.