环境工程“新工科智慧教学”模式设计与探索

吕慧 赵姗姗 孙连鹏 金枝 王诗忠 陈承

摘  要：在新工科和双一流建设背景下，在以互联网为核心的智能时代，探索现代信息技术与环境工程新工科教育的深度融合，是深化高等工程教育改革的关键。文章以培养复合型环境工程人才为目标，以解决复杂环境污染问题、全面推进生态文明建设为导向，从调动学生自主学习兴趣出发，设计并探讨了环境工程“新工科智慧教学”的新模式。将虚拟仿真、虚拟现实、增强现实、大数据等新兴技术融入到环境工程专业课堂、实验与实践教学中，结合多元化的教学手段与方法，建设智慧课堂。同时，设计“课堂-实验-实习-工厂-仿真”一体化云端智慧教学新模式，打造“教学、科研、培训、开发”一体化智能教育平台，从而激发学生的学习兴趣，全面提升学生的学习能力和解决实际问题的能力，实现实验、实践教学资源的共享。

关键词：环境工程;新工科;智慧教学;虚拟仿真;虚拟现实;增强现实

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）33-0006-05

Abstract： Under the background of construction of "Emerging Engineering" and "Double first-class" university and in the age of intelligence， integration of modern information technology and emerging engineering education is the key to the reform of higher engineering education. In this study， a new mode of "emerging engineering intelligent education" for Environmental Engineering was designed and discussed in order to train compound environmental engineering students， solve complex environmental pollution problems and promote ecological civilization construction in an all-round way. In the intelligent education， emerging technologies such as virtual simulation， virtual reality， augmented reality and big data were integrated into the classroom， experiment and practice teaching. Meanwhile， the "classroom， experiment， practice， factory and simulation" integration cloud education mode and the "teaching， research， training and development" integrated intelligent education platform were also designed. The new intelligent education mode based on modern information technology will stimulate the students' interest in learning， improve the students' learning ability and their ability to solve practical problems. The intelligent education platform also can realize the sharing of the experimental and practical teaching resources.

Keywords： Environmental Engineering; emerging engineering; intelligent education; virtual simulation; virtual reality;augmented reality

環境工程是一个实践性和应用性非常强的多学科交叉的新兴学科，是战略新兴产业涉及的重要学科之一。近年来，随着我国经济的快速发展和环境治理的相对滞后性，各种复杂的环境污染问题日益突出，亟需先进的污染治理技术以及卓越的环境工程专业人才来解决复杂的生态环境问题，从而推进生态文明建设。环境工程专业主要培养能够运用工程学、物理学、化学、生物学等基础学科的理论和方法，从事水、土、气、固废、噪声和其他污染的控制和治理，以及环境监测和管理等方面的高层次复合型人才。由于环境工程专业多学科交叉融合的特点及其较强的实践性和创新性要求，培养的人才除了具备扎实的理论基础外，还应具备较强的实践能力和创新能力，而传统的环境工程教育教学模式和方法，难以满足创新性、高层次、复合型新工科人才培养的要求[1]。随着互联网时代和智能时代的到来，人工智能、云计算、物联网、虚拟现实/增强现实、数据挖掘等新兴技术为工科教育教学模式和方法的更新，带来了新的契机和活力[2]。在新形势下，面对日益复杂的环境问题，如何将这些新兴技术与环境工程专业的教育教学深度融合应用与创新，为响应国家“全面推进生态文明建设”重大战略需求，培养具有“德才兼备、领袖气质、家国情怀”、具备创新创业实践能力、工程领导力、数字化能力等多方面综合素质的复合型环境工程人才，是环境工程学科在新工科建设中亟待解决的问题[3]。此外，当突发重大公共安全卫生事件（例如新冠肺炎疫情）、环境污染事件时，现场理论和实践教学难以实现，而基于互联网的信息化教学模式将为人才培养搭建更为广阔的平台。因此，本文以培养复合型环境工程创新人才为目标，以解决复杂环境污染问题、全面推进生态文明建设为导向，设计和探讨智能时代下环境工程专业课堂、实验与实践教学模式和方法的改革与创新，以期深度融合大数据、云计算、虚拟仿真、虚拟现实和增强现实等新兴技术到未来环境工程专业的教育教学中。

一、传统教学模式存在的问题

（一）教学内容更新较慢

面对日益复杂的环境污染问题，各种污染治理新技术和新理论层出不穷，但是，专业基础课程教材内容的更新往往滞后，难以满足复合型人才培养的需求[4]。同时，由于青年教师实践经验的有限，往往在理论课授课时，无法及时与学生分享教材中未涉及的最新工程案例，导致课堂教学仅仅局限于教材内容的讲授，缺乏实践教学内容。教材和教学内容更新的滞后性，使得学生理论学习与实际应用有一定的分隔。

（二）理论课教学模式的单一

目前，理论课的教学模式多采用“ppt+板书”的形式。环境工程是应用性非常强的学科，而课本上关于各种处理构筑物和设备的介绍以及环境污染治理理论只能通过文字和图片的方式呈现，直观性差，枯燥乏味，难以被学生理解和掌握。这种“填鸭式”的单一输入教学模式，学生缺乏学习兴趣，学习主动性差，这与新工科建设理念不相符。因此，亟需开展多样化和立体化的教学新模式，借助“互联网+”，将智慧教学新模式和新理论引入到传统课堂教学中，激发学生的学习兴趣，提高学生自主学习的能力。

（三）实验实践课教学资源有限

传统环境工程实验教学都是一些基础实验，由学生多人分组进行，由于设备数量和规模有限，难以保障实验教学效果。而且，对于一些高危险、高成本、高消耗和高污染的实验，基本无法开展。再者，对于生产实践活动，由于工厂企业的很多大型、精密或具有危险性的设施和设备无法提供给学生进行实际操作，导致学生只能“走马观花”式的对工艺流程和处理设备进行一个肤浅的外观认识，无法深入了解设备装置特点和操作要点，对于设备内部结构和工艺运行参数认识不清，掌握不深刻，学生参与度低，实习实践效果非常差。学生工作后，需要重新经历一个实践学习的过程，难以满足环保产业发展的趋势与区域建设战略的需求。因此，亟需对当前的实验实践教学模式进行改革，以期真正实现专业知识与实验实践相融合，全面提升学生的实践能力和解决问题的能力。

身处互联网为核心的智能时代，环境工程新工科的发展需要探索现代信息技术与环境工程教育的全面深度融合，以信息化引领教育理念和教育模式的创新。

二、智能时代环境工程“新工科智慧教学”的设计与探索

（一）基于“互联网/虚拟现实（VR）/增强现实（AR）+教育”课堂教学新模式设计

1. 基于“互联网/VR/AR”的智慧课堂建设，增强课堂教学的生动性和互动性

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是指采用计算机模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户包括听觉、视觉和触觉等感官在内的模拟，使其感觉仿佛身临其境[5]。由于VR具有沉浸性、交互性和想象性的特点及优势，近年来发展迅速，在教育、军事、科研、医学和娱乐等诸多领域具有广泛的应用[6-7]。增强现实（Augmented Reality，AR）技术是在VR基础上发展起来的一项新兴技术，它将计算机虚拟场景融合到真实世界中，对真实世界的内容进行补充，从而使用户对真实世界的感官和认识加强[8-9]。将虚拟仿真、VR、AR等技术引入到新工科的教学中，建设包括常规课堂教学的教师区、学生区、多屏互动教学区、沉浸式体验教学区和混合现实互动教学区等的“智慧教室”（如图1所示），并融合多元化的教学方法，开展“智慧课堂”的全新教学模式。

基于“智慧课堂”的全新教学模式，我们设计了“课前预习-课堂案例分析-课后扩展阅读”三位一体的教学方案（如图2所示）。建构主义理论指出，真正的学习发生在学生主动参与学习的过程中，知识是学生通过一定情境下的自主学习和自我建构获得的。理论课前，教师可以将学习内容通过微信公众平台推送给学生，学生通过自己阅读相关资料以及学习在线课程（慕课），对基本知识点进行主动学习;课堂上，授课教师针对教学内容的重点和难点进行深入解析，并借助虚拟仿真模型、VR/AR技术进行技术原理的可视化讲解，并进行工程设计案例或者实践案例分析，激发学生的学习兴趣、提升学生学习的主动性，以直观的可视化方式或沉浸式体验方式使学生对基本知识点掌握的同时，提升综合运用的能力，以期做到对知识点的融会贯通，理论和实践相结合。例如，北京科技大学开发了基于AR技术的“POU绘——立体课堂”，通过手机摄像头扫描平面图形，利用图像识别与立体呈现技术，可以直接将平面图转化为三维物体，從而增强学习过程的互动性，实现从2D讲解到3D讲解的转换[10]。对于环境工程基础课程给排水管网工程，通过AR的三维转换，管网布置的3D图可以跃然纸上，立体展示可以帮助学生进行分析和理解。例如，在讲授水污染控制工程课程中的气浮法原理时，可以采用沉浸式VR的漫游教学，在沉浸式体验教学区，学生仿佛置身于气浮池中，可以直观观察到气泡与颗粒物之间的黏附过程以及“颗粒-气泡”的上升过程，体验颗粒物被上浮去除的全过程。在讲授水污染控制工程中各个污水处理构筑物的工作原理与设计时，可以借助虚拟仿真软件，对构筑物进行拆解与组装，使学生形象地掌握重要的设计标准与规范（如图3、图4所示）。

2. 多元化现代信息技术教学资源开发，助力“智慧课堂”的开展

（1）基于微信公众平台，将学科前沿引入到理论教学中，提升学生的科研兴趣

在教学中，建设课程的微信公众号，将最新研究进展推送给学生学习。同时教师可以引导学生分组以某一学科前沿作为主题进行最新文献检索，学生通过自学、讨论、协作、互动等方式，自主学习学科前沿进展，并做成微信推文，分享到课程公众号，与其他同学和教师进行互动。例如，环境工程进展课程建设了“SYSU环境工程进展”微信公众号，在讲授膜分离前沿技术时，围绕着“超薄分离膜用于污水处理与海水淡化”这一主题，学生分组查阅最新文献，撰写新闻稿，进行微信推送（如图5所示）。课堂上，教师和学生针对推文内容进行前沿技术的讲解。这种“以学生为中心、以探究性学习为基础”的翻转教学，充分激发了学生科研的兴趣，提高了学生学习的主动性，锻炼了学生文献阅读、翻译以及表达的能力，同时培养了团队协作的能力。

（2）基于大数据模拟环境污染修复全流程，培养学生的家国情怀

由于环境污染修复是一个相对漫长的过程，例如土壤修复、黑臭水体修复、湖泊富营养化治理等，课堂授课教师通常只介绍相关修复技术与治理方案，很少有可视化案例分享，学生对此类修复技术仅仅停留在书本的文字介绍上。可以利用大数据对流域或者土壤污染修复全过程进行动态模拟，快速动态呈现污染修复的全过程，让学生实实在在地感受到环境被污染的可怕、修复的不易、以及绿水青山重现时的喜悦，培养学生的环保精神和家国情怀，增強学生的专业自豪感和责任感，使学生牢固树立和践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念。

（二）基于“虚拟仿真/虚拟现实（VR）/增强现实（AR）”的实验实践课智慧教学新模式设计

1. 基于“虚拟仿真、VR、AR技术”的智慧实验教学，全面提升学生实验动手能力

传统环境工程实验教学受诸多因素限制，例如实验仪器或模型构筑物占地面积大、维护费用高;实验分组人数过多、难以实现一人一设备;并且实验课程具有一定的危险性，存在“三废”处理问题，使学生无法真正得到有效地培养与训练。借助于虚拟仿真、VR和AR手段，使不可及、不可视、高风险和高污染等操作过程变得直观、形象，具有可操作性，有效地解决了学生实验动手难的问题。学生可以先在虚拟仿真实验平台熟悉仪器装置、认识流程及控制方案，在线虚拟操作，再到实验室进行真实操作，大大降低了设备的损坏风险，节约维护成本。同时，借助基于AR技术，学生在上实验课时，通过手机APP扫描仪器的相应位置，可以直观、立体地学习仪器原理和操作步骤。例如，学生在学习如何使用气相色谱时，用手机摄像头扫描色谱柱，色谱柱的三维模型结构就会显示，教师可以结合三维模型，讲解色谱柱的工作原理。

2. 基于虚拟仿真实习工厂，提升学生实习实践能力

生产实习是将理论学习与实践认知相结合的阶段，通过生产实习，学生对理论知识应该有更深入的理解。然而，传统的生产实习，学生大多停留在走马观花式的参观构筑物外观阶段，很难将所学的基本理论运用到实践中，更难进行实践操作。虚拟仿真和VR技术可以为生产实习的开展，提供有力的补充。基于虚拟仿真工厂，学生可以十分逼真地模拟现场操作。通过改变运行参数，学生可以了解设备整个运行和维护的全流程，并且通过虚拟仿真，学生可以试错，从而有效避免实际生产中各种事故的发生。此外，通过VR漫游系统，学生可以在虚拟工程项目中反复观察，沉浸式体验，不受安全性等因素的限制。这种基于虚拟仿真和VR技术的智慧实习，可以提高学生学习的兴趣和主动性，培养学生创新思维和工程意识。我们通过构建“教室-实验室-工厂”三位一体的工程教育资源，可以实现“将工厂搬进学校”的理念。这种“拓展综合、随需而变、虚实结合、启迪创意”的全新工程训练体系，可以显著提高学生实践动手能力和解决实际问题的能力，为将来进入企业打下坚实的基础，实现毕业生的“零距离”就业。

3. 基于5G建设“课堂-实验-实习-工厂-仿真”的一体化云端智慧教学新模式，实现教学实验实践资源共享

随着5G时代的到来，我们可以把所有教学内容和教育资源进行整合，开展具有扩展性、兼容性和前瞻性的“课堂-实验-实习-工厂-仿真”一体化云端教学。学生可以通过手机客户端，登录仿真教学软件，随时随地针对环境工程理论进行学习，进行虚拟实验操作，并实现工厂中的角色扮演，进行设备调试、运行，以及运行中事故的模拟与分析，强化实践技能。同时，通过云端智慧教学模式，不仅可以实现教育资源高校内共享，同时也可以实现企业员工的培训，打造“教学、科研、培训、开发”一体化的国内外智能教育一流平台。

三、展望

环境工程是一门交叉性和应用性非常强的学科。面对日益复杂的环境问题和日新月异的先进技术，身处互联网为核心的智能时代，将“虚拟仿真、虚拟现实、增强现实、大数据、物联网”等现代信息技术与环境工程教育进行深度融合，以信息化引领教育理念和教育模式的革新，对于复合型环境工程人才培养是十分必要的。未来环境工程“新工科智慧教学”应该是基于“线上、线下、线上线下混合以及实验实践教学”四位一体的新模式（如图6所示）：（1）通过线上慕课（MOOC）学习、客户端虚拟仿真操作以及云端课的学习，可以提高学生的自主学习能力，激发学生的学习和科研兴趣;（2）通过线下智慧教室的VR沉浸式体验，以及虚拟仿真实验室的仿真学习，可以加强学生对理论知识的理解和掌握，夯实工科基础;（3）基于翻转课堂教学模式，开展线上线下混合式教学，实现从“以教师讲授为主”向“以学生学习为主”的模式转变;（4）基于VR/AR技术的实验原理学习与操作，基于虚拟仿真工厂的实习实践以及参与虚拟仿真设计大赛和“VR/AR+环境工程”创意设计大赛，全面提升学生的实验实践能力。未来智慧教学的开展，尚需要开发和制作虚拟仿真、VR、AR等系列软件，以及用于云端课的手机APP和门户网站，这需要高校教师、IT技术人员以及企事业单位多方面的协同。未来通过建设“课堂-实验-实习-工厂-仿真”一体化云端教学平台，打造“教学、科研、培训、开发”一体化的智能教育平台，可以全面提升环境工程专业教育教学及人才培养的质量。

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