地方高校环境工程专业虚拟仿真实验教学模式改革与实践

俞果 游少鸿 蒋萍萍

摘  要：生态文明建设是我国的千年大计，社会迫切需要高校培养出满足新时代下生态环保产业发展所需的德才兼备的复合型环境工程专业技术人才。文章针对现阶段环境工程专业实践教学过程中“做不了、做不好、做不起”的实践教学问题，从教学体系、教学平台、教学方法、教学资源等方面，对环境工程专业虚拟仿真实验教学模式改革途径进行了探索，以期为其他高校的虚拟仿真教学实践提供参考，提升广西环境类专业建设水平和人才培养质量，推动广西边疆民族地区高等教育的高质量发展。

关键词：环境工程;虚拟仿真;生态文明

中图分类号：G640     文献标识码：A     文章编号：1673-7164（2022）02-0097-04

生态文明建设是我国的重要任务，是关系到民族未来的大事[1]。环境类专业在贯彻生态文明建设理念方面具有很大的优势[2]。党和国家对生态文明建设的高度重视和新经济下大量新技术、新业态的发展，对环境类工程技术人才提出了新的更高要求。环境工程专业是一门覆盖了水污染控制、大气污染控制、土壤修复等多个研究方向的综合性学科，多学科交叉融合所要求的知识储量较大，具有很强的挑战性[3]。环境工程学科培养人才的主要目标是能解决挑战性较高的实际工程问题，对毕业生的工程实操能力提出了高要求，因而对学生的动手实践能力的培养成为本学科非常关键的教学内容。目前国家环保产业的发展速度很快，用人单位需要大量环境工程专业的优秀人才，但目前的应届毕业生大多都存在创新能力不足、工程实践能力差、难以快速适应岗位工作等诸多不足。建立符合时代要求的虚拟仿真实践教学体系，增加实践训练的比重，掌握工程实践和应用技能，提高解决复杂工程问题和主动创新的能力是当下高校环境工程专业人才培养的重点需求。

桂林理工大学拥有广西唯一的环境科学与工程博士学位授权点和博士后科研流动站，是中央与地方共建的高校，建设有水污染控制国家级实验教学示范中心和环境污染防治与生态保护虚拟仿真国家级实验教学中心。在此基础上，桂林理工大学坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，以加强学生创新意识和综合素质培养为核心，建立了“一核心、三层次、五结合、七库源”的实验教学体系。紧密结合广西地方经济发展的需求，依托完成的科研课题和工程項目，将部分研究成果转化为特色实验教学项目，采用先进的开发技术，建设一批独具特色、共享的仿真教学资源，降低实验成本、风险和环境污染，基本覆盖了环境类专业的主要专业基础课和专业课。通过将桂林理工大学环境工程专业课程目标与“金课”标准相结合，将虚拟仿真技术融入专业教学过程中，对为当地市场培养符合实际需求的环境工程专业毕业生，加速广西环保事业的发展，进一步促进广西地方经济可持续发展具有重要作用。

一、我国虚拟仿真实验教学研究现状

我国虚拟仿真技术研究的应用相比于西方发达国家相对滞后，20世纪90年代才刚刚起步，各方面差距都比较明显。近年来，为深入贯彻《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》等文件的重要精神，全国各地各高校相继开展了虚拟仿真实验教学平台和资源的建设[4]。历经数年的发展，在中央和地方财政的大力支持下，我国近年来先后在浙江大学、复旦大学等数百所高校组建了国家级虚拟仿真实验教学基地。公开数据表明，这些国家级虚拟仿真实验室所支持的专业绝大多数都是材料科学、化学、机械制造等理工科专业。教育部于2019年下半年正式发布了《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》，指出一流本科课程建设就是要建立一种全新的课程理念，改革课程评价体系，消灭“水课”，形成多类型、多样化的教学内容与课程体系[5]。通过三年的大力投入和建设，目前已有超过10000门的国家级和省部级一流本科课程，其中有1000门以上为国家虚拟仿真实验教学一流课程。虚拟仿真“金课”的目标是解决实际运行困难，如某些涉及极端或者危险环境，成本高、消耗多、操作不可逆等问题。2020年11月，教育部高等教育司公布首批国家级一流本科课程公示名单，327门虚拟仿真实验教学一流课程（“金课”）在列。

广西壮族自治区政府大力支持虚拟仿真实验教学中心建设，已经在包括桂林理工大学、广西大学在内的多所区内高校建立了虚拟仿真实验教学中心，目前，桂林理工大学已建立包括环境污染防治与生态保护、化学工程与工艺在内的两个国家级虚拟仿真实验教学中心以及五个省部级虚拟仿真实验教学中心。不同类型的虚拟仿真实验教学中心在建设理念、教学实践等方面各具特色，建设过程中的指导思想都是习近平新时代中国特色社会主义思想，且最终目的都是培养能解决复杂工程问题的复合型创新人才，满足国家经济社会发展需要。

二、地方高校环境工程专业实践教学的问题

（一）综合性实践项目较少

环境工程专业的实验教学内容一般主要包括对于环境污染物的检测和分析以及后续的处理。然而由于场地和实验设备的限制，很多环境类专业实践教学项目实验内容较为单一，验证性及综合性实验较少，无法培养学生在实际污染治理场地处理多因素融合复杂问题的能力，且在实验过程中，学生动手操作和主动思考的机会很少，难以满足社会对应用型综合人才的迫切需求。

（二）部分实验项目存在健康风险

环境类实验存在与化学实验类似的试剂污染、爆、毒、腐、火、水和电等安全隐患。如在除尘器除尘效率测定实验中，如果实验室的通风效果不佳或仪器存在故障，将对参与实验学生的身体健康带来很大的威胁;在活性污泥的相关实验项目中，曝气不足时可能产生硫化氢等恶臭气体，造成安全隐患。再如桂林理工大学填料吸收塔吸收效率测定项目，原本要用二氧化硫作为试验气体进行吸收试验，但由于二氧化硫的恶臭和对人体的危害，只能用二氧化碳代替，导致教学效果大打折扣。

（三）现场设备操作不易实现

环保设备的操作和维护也是环境工程专业学生的培养需求之一，理论教学中对于相关设备的介绍也是学习重点之一。大型仪器设备的使用授课大多存在预热耗时长、上机训练耗材费用高、仪器设备自损较大以及授课设备分析精度恢复难度大等问题。由于购置设备的费用非常高，高校的实验教学项目通常只购置模型给学生观察学习，由于设备不具备实际功能，学生的操作能力无法得到培养，对所涉及的专业知识的理解程度也十分有限。如在指导本科生学习电感耦合等离子体质谱的原理和操作时，由于设备昂贵且容易被损害，只能由教师代替学生上机操作，将实操实验教学改为演示实验。

（四）实习工作较少深入一线

一般来说，当学生进入环保企业进行实习时，生产企业很难提供设备运行、维护等真实的教学条件，学生现场参观多流于“走马观花式”的实习。由于存在安全隐患，生产单位基本只会提供现场参观的机会，而不会安排实习的学生到生产一线去参加培训和实践操作。缺乏亲身体验的生产实习让学生无法产生深刻印象，学到的知识仅浮于表面，无法真正将理论知识与工程实践相结合，不能实现实习的真正目标。如经常组织学生到当地的大型污水处理厂开展实习，虽然能极大地开拓学生的视野和见识，但出于学生人数与安全方面的考虑，无法让每个学生都体验一线生产的操作流程。

三、基于“金课理念”的环境工程专业虚拟仿真实验教学模式改革策略

（一）构建环境工程专业多维度的虚拟仿真实验教学体系

针对“金课”建设的目标和要求，建立适合环境类专业教学特点的层次丰富的虚拟仿真实验教学体系，构建覆盖基础实验、综合实验、创新实验的全方位虚拟仿真实验教学体系，完成多维度的人才培养。建立的虚拟仿真实验教学体系从多个角度回应“金课”建设的目标和要求，即高阶性、创新性和挑战度。高阶性指的是培养学生解决复杂环境工程问题的能力，创新性是指对于课程内容、教学形式、考核方式及学习效果展示等方面多维度的课程创新，挑战度指在虚拟仿真实践教学过程中设置梯度学习目标，培养学生的综合创新能力和实践实操能力。

（二）搭建环境类专业多平台的虚拟仿真实验教学模式

分别构建基础实验虚拟仿真实验教学平台、综合实验虚拟仿真实验教学平台、创新实验虚拟仿真实验教学平台，其中，基础性实验虚拟仿真平台包含原理类实验模块、认知类实验模块和设计类实验模块，工程型实验仿真平台包含制造类实验模块、专业实习模块和工程训练模块，创新性实验虚拟仿真平台包括综合创新类实验模块和竞赛创新类实验模块，实现多媒体技术和虚拟仿真技术的深度融合，推进虚拟仿真教学平台的校内共享、校际共享和社会化共享。

（三）创新环境工程专业“多维度+项目驱动”的虚拟仿真实验教学方法

采用探究式、反思式、交互式、问题式、沉浸式的实践教学手段，主要目标是培养学生主动学习和思考的能力，培养学生勇于质疑权威、勇于挑战的能力。依托国家级虚拟仿真实验教学项目的开发，让学生在完成虚拟仿真教学项目的过程中提升学习能力和认知能力，让课堂的中心由教师向学生转移，真正让学生自己掌握课堂的主动权。虚拟仿真实验教学平台解决了部分实验操作困难、展示度低、实践能力培养不足等问题，把学生的基础知识和应用技能整合起来，把填鸭式的知识灌输方式改为对学生求知欲的主动引导，鼓励学生独立解决实验过程中遇到的各类问题。虚拟仿真教学过程中通过实验项目的推进分别考查学生在面对工程问题时的细节观察能力、问题判断能力、方案设计能力和实操处置能力。

（四）完善环境工程专业面向社会开放的虚拟仿真实验教学资源库

依托环境类专业课程教学，整合现代化信息技术和传播技术，建设数字化时代的虚拟仿真教学资源库。主要包括环境安全事件应急管理及虚拟仿真教学资源库、单体实验教学项目模拟动画库、大型仪器模拟操作软件库、野外实习模拟资源库、大型工程实体模拟教学资源库、微生物仿真教学资源库和单体实验教学项目教学视频库等七大类型虚拟实验教学资源库。虚拟仿真实验教学资源库的多个资源互相配置、连接、调节，将基本覆盖环境类专业的主要专业基础课和专业课（见图1）。

四、结语

桂林理工大学依托国家级虚拟仿真实验教学示范中心，面向“金课”建设的目标和要求，立足学校环境类专业学科优势，以构建“两性一度”视域下环境类专业虚拟仿真实验教学模式为总体目标，秉承“以学生为本的人文环境，坚持把知识传授、能力培养和素质提高贯穿于实验教学始终”的虚拟实验教学理念，以加强学生创新意识和综合素质培养为核心，构建“多层次+阶梯式”的虚拟仿真实验教学体系，搭建“三平台+八模塊”的虚拟仿真实验教学矩阵，创新“多维度+项目驱动”的虚拟仿真实验教学方法，完善“整合式+可共享”的虚拟仿真实验教学资源库，建立“三边+双控”的虚拟仿真实验教学评价体系，探索以“教、学、研、做”合一为核心的“课内外一体、开放互动”的虚拟仿真实验教学新模式，并在相关专业进行推广，不仅能够丰富学科专业教学的内容，也能让学科专业内容更有深度，为培养适应新时代需要的环保人才添砖加瓦。

参考文献：

[1] 冯丽. 大学思政教育中环保与生态文明理念的融入与创新研究[J]. 环境科学与管理，2018，43（05）：137-140.

[2] 李杰. 高校思政课实现生态文明观“三进”的思考——以《毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论》教学为例[J]. 高教论坛，2014（09）：80-82.

[3] 曾鸿鹄，张学洪，朱义年. 构建复合型教学团队，助力学生成才——以桂林理工大学环境工程学科为例[J]. 大学（研究版），2012（04）：51-55.

[4] 朱宗强，宋晓红，曾鸿鹄，等. 现代教育信息技术促进地方高校环境类专业实践教学改革[J]. 高教学刊，2020（08）：74-76.

[5] 郑超，胡蔓，陈良，等. 科教融合建设优质虚拟仿真实验教学项目探索[J]. 实验室科学，2021，24（04）：23-27.

（责任编辑：汪旦旦）