新工科背景下“虚实结合”环境工程原理实验教学探索与实践

伍昌年 薛莉娉 冯少茹 刘常瑜 谢发之

［摘           要］  实验教学是环境工程原理相关课程教学环节中的重要组成部分，注重培养学生的工程实践能力。传统实验教学易受到时间、空间、设备等限制，实体实验的开设具有一定的局限性。为了提高学生的综合创新实践能力，将虚拟仿真实验与实体实验相结合，从实验方案构建、教学方式、评价方式等方面构建虚实结合的环境工程原理实验教学体系。实践表明，该教学体系丰富了实验教学资源，加深了学生对知识点的理解，增强了学生的主动学习兴趣，解决了实验受时空限制的问题。

［关    键   词］  新工科；虚实结合；环境工程原理；实验教学

［中图分类号］  G642                   ［文献标志码］  A                   ［文章编号］  2096-0603（2024）09-0０49-04

2016年，自教育部正式提出“新工科”建设以来，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”[1]。推动新工科建设，必须全面推进建设新模式、新结构、新理念的工程教育，以新工科的整体面貌迎接多重战略机遇与挑战交织并存的新形势、 新任务， 加强对工科专业学生培养质量的把控，培养工程实践能力强、具有创新和实干精神的工科人才。党的二十大报告指出：“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。”对于工程技术人才来说，新工科人才培养模式的建设与发展具有十分重要的意义。

2024年1月11日，《中共中央  国务院关于全面推进美丽中国建设的意见》发布，建设美丽中国全面推进。目前我国经济快速发展，但与之相应环境治理呈现明显滞后，随着新污染物出现，各种复杂的环境污染问题日益突出，亟须先进的污染治理技术和环境工程高水平专业人才解决日前面临的环境问题，进而全面推进生态文明建设。环境工程是一个实践性和应用性非常强的多学科交叉学科，安徽建筑大学环境工程专业分别于2021年通过教育部工程教育认证和国家“双万计划”一流本科专业建设点。

环境工程原理是环境工程专业九门核心课程之一，实验教学是环境工程原理课程理论指导实践的重要环节，相较于理论教学更具有直观性、综合性和创新性，有利于提高学生的综合素质、工程实践能力和科技创新能力[2]。在新工科人才培养的要求下，工科实验课应以学生发展为中心，通过教学评价促进持续改进，推进信息技术与教育教学的深度融合[3]。传统实验教学受实际实验教学条件的限制，很多综合性实验无法在实际授课过程中充分展现。因此，在环境工程原理实验课程教学中要不断地丰富教学手段，提高教学水平，满足专业人才培养的具体要求。环境工程原理实验目前开设了“伯努利方程”“恒压过滤常数测定”“传热综合实验”“填料塔吸收实验”“微滤超滤实验”“光催化降解污水实验”“微生物培养及降解污染物实验”和“污泥消化实验”8个实验，通过实验课程学习，使学生掌握传热基本方式和原理、分离和反应工程原理，熟练调控实验参数和数据分析，解决复杂问题能力的培养和锻炼，培养创新性思维、家国情怀和工程伦理观。本文在总结传统环境工程原理实验教学模式存在的问题和“虚实结合”实验教学方式优势的基础上，分析了环境工程原理“虚实结合”实验教学体系的构建与实践，探讨了“虚实结合”教学方式的应用对提升实验教学效果的现实意义。

一、传统实验教学模式存在的不足

传统环境工程原理实验教学采用“课前预习+课堂讲解+学生实体操作+实验报告”模式[4]（如图1所示），学生与教师仅仅在线下做实验时交流，多集中理论理解和实验装置的操作，特别是实验结束后完成实验报告时数据分析无法及时与教师交流，学生很难形成完整、全面的知识体系。传统环境工程原理实验教学不足总结有如下六点。

（一）教材和教学内容更新滞后

新污染物出现及日益復杂的环境污染问题和污染物治理理论和新技术，教材内容的更新跟不上，又由于教师实践经验有限，不能及时分享最新工程案例，难以建立“理论—实践—应用”机制，导致学生获取的信息量减少，不利于对知识点理解和掌握。

（二）课前备课工作量大，学生课前预习效果差

实验教师需根据实验项目准备相应试剂及仪器、装置等，如果准备不充分，将影响实验进程，导致实验教师课前准备工作量大。另外，学生课前预习只是通过实验教材或指导书中图片了解实验仪器，没有接触实验仪器的机会，造成学生课前预习效果差。由于预习效果差，进行实验操作时很难进行思考并提出问题，被动接受课堂信息，最终导致学习效果不好。

（三）课堂教学模式单一，学生体验感差

目前，实验课程教学多借助已购置实验装置对实验项目原理和设备操作进行逐一介绍，学生自主操作机会少，导致部分学生有敷衍了事的心态，学习兴趣不高，一定程度上抑制了学生的好奇心，造成学生主动学习能力弱，学习效果差，体验感差。

（四）实验课教学资源有限，学生参与度低

工程教育认证要求工科实验项目每组人数为4～6人，受教学场地和经费限制，难以购买大量实验设备，部分长学时实验项目分组满足工程教育认证要求，很多学生存在整个实验中都没有参与，这部分学生课后的实验报告完成质量大打折扣，导致实验教学效果难以保障。对于高危和高污染的实验项目，实验需要课前将试剂配制好，实验过程产生的废液或废渣若不规范处置，将会造成严重的环境污染问题，受制于实验危化品安全管理及场地，无法满足所有学生参与实验，更有部分实验项目无法开展，学生没有实际操作的机会，这些都不利于学生实践能力的培养和提升[5]。

（五）实验教学体系中实验类型比例不尽合理

由于实体实验装置及数量的限制，课程中有关设计性、综合性和创新型实验所占比例较少，验证和演示性实验较多，学生按照教师讲的步骤进行操作，整个实验过程学生处于被动地位，学生只有进行自主设计或参与综合性和创新型实验，才能进行独立思考和提出相应的问题，不断进行“实验设计思考—提出问题—解决问题”反馈，学生的综合实践能力才能得到提高。而一旦缺少进行自主设计实验的机会，将不利于学生主动思考和探索能力培养。

（六）课后复习难度高、操作遗忘率高

学生完成实验课程学习后进入污染物检测和治理相关岗位，会接触污染指标测定和相关设备的操作，而这些需要他们利用学校学习的知识和实验操作完成。传统的实验教学方式多存在做一遍就结束的现象，很难在有限时间内对实验框架和实验操作有完整和全面的理解和掌握，难以复盘复习，进而造成学生操作遗忘率高，不符合新工科对培养创新型人才的要求。

二、“虚实结合”教学模式的优势

虚拟仿真技术是基于计算机用一个智能化的系统模仿现实世界中的实验操作过程，实现可视化实验操作环境的技术。虚拟仿真实验教学是依托虚拟仿真云平台，学生一方面可以在云平台进行操作，另一方面可以自行设计和完成与实验项目相关的实验。学生可以从视觉、听觉等层面的感知上带给使用者身临其境的感觉，体验感很好。与传统实验教学相比，虚拟仿真实验具备低成本、高效率、智能化等特点。“虚实结合”教学模式是在保留实体教学优势的前提下，由虚拟仿真实验教学弥补其实践教学的不足，有利于实现学生工程能力更为全面、系统的培养和锻炼。

（一）与时俱进，更新教学内容

虚拟仿真云平台能持续更新污染物治理检测新技术和新方法，弥补教材内容更新滞后的不足，以便学生及时获取、掌握新知识，提高学生主动学习的积极性，提升教学效果。

（二）打破时空限制，丰富教学形式

如“污泥消化”实验持续时间长，线下实验教学学时有限，无法将整个实验过程充分呈现出来。学生在虚拟仿真云平台观看和操作，对污泥消化反应有全面、直观的理解，然后在实验装置再进行实操，利用“虚实结合”的教学方式能够较好地解决这类设计性和综合性的实验项目开设问题[6]。将虚拟仿真技术应用于实验教学中，能够将传热、分离过程中出现的问题在虚拟仿真软件中完全呈现，增强实验项目教学的可视性和可操作性，提升实验教学水平和学生的创新实践能力。

（三）降低教学成本，安全操作性增强

虚拟仿真实验教学中危险化学品实验均为电脑操作，避免了有毒有害物质的接触。利用“虚实结合”的实验教学方式可以减少传统实验教学实验设备投入和危化品使用量，学生能清楚地观察不同工作状态下反应装置的内部状态，有助于理解整个污染物控制技术。

（四）实验类型比例合理，学生自主选择性强

虚拟仿真云平台实验类型和比例更合理，验证、设计、综合及创新型实验都有一定比例，学生在完成必修内容后，还可以根据自己的兴趣自由选择其他实验项目，无需受限于教材内容。学生自由选择综合性强的实验项目后可以自己设计，改变实验参数，获取自己期望的实验结果，有利于学生统筹逻辑思维能力的培养和锻炼。

（五）评价方式多样化，考核更全面

虚拟仿真实验考核多样化，学生互动性更强，能增强学习效果。“虚实结合”教学方式评价可采用线上（虚拟仿真实验）和线下（传统实验教学）相结合，评价体系更完整。

（六）课后复习便捷，能增强学习效果

虚拟实验项目开展，学生没有时空限制，利用网络或手机终端，随时随地开展实验学习和操作。学生可以根据自己对知识掌握的程度自行调整进度，能够实现有计划学习，同时能实现随时随地复习，进而增强学习效果。

三、“虚实结合”实验教学体系构建

“虚实结合”實验教学体系将传统实验教学与虚拟仿真实验相结合，构建的虚实结合环境工程原理实验教学体系如图2所示[7]。“虚实结合”实验教学方案分为课前预习、实体实验和虚拟仿真实验三个部分，课前预习包括虚拟仿真云平台图片和文献资料介绍，熟悉实验项目原理和影响因素；实体实验是在实验装置进行实操；虚拟仿真实验针对设计性、综合性和创新型实验，如污泥消化实验等。“虚实结合”实验教学方式分为“虚实结合”教学方式、问题启发式教学方法、案例式教学方法和研讨互动式教学方法四个部分，其中问题启发式和案例式教学中，教师提前将实验相关环境热点问题或案例录入云平台，学生提前熟悉和了解，实验课程讲解时，学生能带着问题与教师互动讨论，能激发学生的学习兴趣和提升教学效果。实验教学评价方式分为两种：虚拟仿真评价（线上）和实体实验评价（线下），根据学生线上对资料浏览学习、讨论等参与情况进行线上评价，线下开展的实验，根据学生参与度和实际操作能力给予评价，两种评价方式相结合，能更全面地考核和评价学生对环境工程原理实验课程内容的掌握情况及实践能力。

四、“虚实结合”实验教学实践

基于实验室现有实验装置和虚拟仿真平台进行“虚实结合”实验教学，我校在环境工程原理实验课程教学中取得较好的教学效果，可以进一步提升学生理论联系实际的知识运用能力，增强解决实际环境污染物控制工艺技术问题的综合能力。

（一）传热综合实验

环境中部分废水和废气治理需要热交换进行加热或冷却，如废水或污泥厌氧处理和污泥干燥、废气进吸附床前干燥等。本实验采用“虚实结合”方式进行，其中普通管和强化管实验在实验室现有装置进行，而列管式换热通过虚拟仿真软件进行，调整空气和水流量，记录数据处理再计算传热系数。虚拟仿真实验增加了实体实验教学内容（无列管换热器），有助于学生对不同类型换热设备的原理和参数调控有更深入的理解。

（二）光催化降解污水实验

污水处理多以生物法为主，组分复杂的工业废水依据其水质特点和排放要求，需要选择不同的方法。印染废水组分复杂，难处理，多数染料分子微生物降解能力弱，选择高级氧化技术是一个很好的选择。光催化降解污水实验，在光催化实验装置上处理染料废水，学生需要调控光类型（紫外/可见）、TiO2加入量和pH等反应条件，通过可见分光光度计和总有机碳分析仪分别测定污水的吸光度和总有机碳，根据记录的数据分析光催化对染料废水的脱色率和有机物矿化度。污水颜色变浅是由于污水中发色基团中化学键断裂，发色基团浓度降低，总有机碳减小是由于光催化产生自由基攻击发色基团后矿化为无机物。实际参与实验后，多数学生通过该实验对光催化降解污水机理和操作有了一定了解，增强了他们对污水处理的好奇心，激发了他们的学习兴趣。

（三）填料塔吸收虚拟仿真实验

吸收是环境中废气治理的一种常见方法，具有成本低、适应范围广等特点，如NH3、SO2和VOCs等治理。本实验项目在虚拟仿真云平台进行，吸收质（NH3或SO2）属于危化品，在虚拟仿真软件进行操作，实验中可以选不同吸收质进行实验，无需购买危化品，安全、环保。该过程操作涉及泵、风机和阀门等部件，实验中需要调整气液比、填料塔高度和进气浓度，记录实验数据后处理得到总传质系数。由于NH3和SO2分属于两种类型传质控制，依托实验结果，有助于提高学生的分析和归纳能力。

（四）污泥消化虚拟仿真实验

污水处理厂剩余污泥含有大量有机质，将其进行消化处理，产生甲烷可回收利用，消化后的污泥进一步处理，污泥处理量大大减少，一方面可实现能源回收，另一方面可实现降碳。污泥消化实验是通过虚拟仿真软件进行的，该过程操作涉及污泥泵、加热装置、甲烷收集和预警、污泥脱水装置等，实验中需要调整污泥浓度、温度和消化时间等参数，记录实验数据后处理得到甲烷产率、上清液中COD、TP和NH3-N及污泥脱水性能等数据。结合实验数据和文献，与学生就污泥消化后上清液如何处理及污泥脱水性能改变的原因等问题进行研讨，有助于激发学生的学习兴趣，提升教学效果。

五、结束语

从新工科背景下促进多学科知识交叉融合的教学理念出发，“虚实结合”环境工程原理实验教学体系的构建拓展了环境工程原理学实验教学的内容，构建“线上”+“线下”的学习方式，打破时间和空间的限制，减少实验准备工作量，降低危化品使用风险和操作的安全隐患，“线上”实验项目可进行多次复习和反复实验，有效提升了学生的学习效率和对知识的掌握程度。学生通过虚拟仿真软件，有利于设计性和综合性实验项目安全开展，“虚实结合”的实验教学方式值得深入探索和推广应用。

参考文献：

［1］王文君，肖建辉，黎冬明，等.新工科和工程认证背景下工科专业建设探索［J］.教育教学论坛，2023（2）：7-10.

［2］周一卉，闫兴清，任婧杰，等.化工安全工程专业实验室建设与实践［J］.实验技术与管理，2018（9）：249-252.

［3］郭婉茜，郭亮，林楠，等.新工科背景下虛拟仿真实验教学评价研究：以环境科学与工程专业为例［J］.中国现代教育装备2022（13）：1-4.

［4］田文，吉俊懿，刘长军，等.新工科时代化工原理实验线上线下混合式教学［J］.实验科学与技术2023，21（2）：88-91.

［5］吕慧，赵姗姗，孙连鹏，等.环境工程“新工科智慧教学”模式设计与探索［J］.高教学刊，2021，7（33）：6-10.

［6］张周，房月芹，张一波，等.虚实结合的水处理实验教学探索与实践［J］.实验室研究，2023，26（2）：96-99.

［7］何磊，陈欣，唐建军，等.虚实结合的生态学实验教学体系构建［J］.实验室研究与探索，2021，40（6）：187-190，196.

◎编辑 马燕萍