虚拟仿真在土壤污染与防治课程实验教学中的应用

摘要以环境类专业的一门重要基础课程土壤污染与防治为例，探讨虚拟仿真技术在该课程实验教学中的应用。首先，对该课程教学模式现状及引入虚拟仿真技术的必要性进行分析；其次，对该课程虚拟仿真实验教学体系进行构建，对基础性实验模块、综合性实验模块和拓展性实验模块的教学方法进行优化与探讨；最后，对该课程虚拟仿真实验教学及考核评价进行设计。目的在于促进信息技术与实验教学的深度融合，为土壤污染与防治培养专业人才。

关键词土壤污染与防治；虚拟仿真技术；环境科学；综合性实验

中图分类号G642.1；S156文献标识码A文章编号1007-7731（2024）18-0128-05

DOI号10.16377/j.cnki.issn.1007-7731.2024.18.028

Application of virtual simulation in the experimental teaching of course

LI Fengyi

（Grass College，Inner Mongolia Minzu University， Tongliao 028000， China）

Abstract The ， an important basic course in Environmental major was taken as an example to explore the application of virtual simulation technology in the experimental teaching of this course. Firstly， the current teaching model of the course and the necessity of introducing virtual simulation technology were analyzed. Secondly， the virtual simulation experiment teaching system of the course was constructed， and the teaching methods of the basic experiment module， comprehensive experiment module， and expanded experiment module were optimized and discussed. Finally， the virtual simulation experiment teaching and assessment evaluation for this course were designed. The purpose was to promote the deep integration of information technology and experimental teaching， and to cultivate professional talents for soil pollution prevention and control.

Keywords ; virtual simulation technology; environmental science; comprehensive experiment

土壤污染与防治是在土壤学和环境科学中发展起来的一门综合性交叉学科，起源于土壤环境保护的理论与实践研究，该课程对于构建环境类专业学生的知识体系具有十分重要的作用。赵文瑞等^[1]研究认为，实验教学是土壤污染与防治课程中不可或缺的一环，能帮助学生巩固理论知识，使其熟练掌握实验技术，从而在团队协作和实践操作过程中培养学生科学的思维方式和严谨的职业态度。这种全方位的培养模式为学生今后在环保领域的发展奠定了坚实的基础。随着计算机和信息技术的飞速发展，虚拟仿真技术正逐渐融入实验教学。相较于常规教学方式，虚拟仿真提供了互动性的实验教学体验，使学生身临其境，极大激发了其对自主实验的热情。许多学者开展了将虚拟仿真技术应用于实验教学的研究，王甜等^[2]通过科研项目转化以及与高新技术企业合作开发，建设了一批高质量的生物类虚拟仿真实验教学资源，有效实现了教学模式的转变以及学科交叉知识的学习和延伸。何淑勤等^[3]以土壤侵蚀原理课程实验教学为例，从实验内容、成绩考核和教学方法等方面入手，借助虚拟仿真实训实验，提高学生实践操作能力，并运用“虚实结合+翻转课堂”的教学模式，帮助学生更好地理解和记忆理论知识，提高实践操作能力。迟宝珠等^[4]综合利用先进信息技术与动态仿真运行平台，将抽象的理论知识、先进的科研成果和高效的工业技术转化为“形象可见”的实验教学内容，再辅以问题式、翻转课堂、讨论式和虚实结合等教学方法，有效拓展了实验教学的广度和深度。

本文深入剖析土壤污染与防治课程实验教学模式现状，探讨虚拟仿真实验教学的功能与优势。结合土壤污染与防治实验的独特性，采用虚拟仿真实验教学模式，运用土壤修复仿真技术，借助3D建模及其他基础设施，设计虚拟仿真实验环境。同时，细化考核指标，完善评价体系。目的在于为土壤污染与防治课程虚拟仿真实验教学模式的探索与研究提供参考。

1 土壤污染与防治课程实验教学模式现状分析

在常规实验教学模式下，学生按照步骤进行实验操作，获取所需数据，随后将数据代入给定公式，得出实验结果。孟凡德等^[5]研究指出，该过程可能会使部分学生难以深入理解实验背后的原理和意义，可能会形成对实验知识的片面理解，不利于其在未来研究和探索中的能力提升和视野拓展。张迪^[6]研究认为，土壤污染与防治课程的实验项目以测试分析为主，实验过程中涉及的腐蚀性药品、高温消煮等操作可能存在一定的安全隐患，容易引起部分学生的畏难与抵触情绪，从而影响了实验效果和学生学习的积极性。

当前，该课程的实验教学通常以验证性实验较多，学生按照教师提供的实验背景、目的、原理和方法进行操作，是一种“告知—验证—应用”的过程。在该模式下，学生的主动性和创新性有待进一步提升，对抽象知识的理解有待进一步加深。此外，实验室场地和经费也是影响实验教学质量的重要因素之一。由于场地有限，部分学生可能无法近距离观看演示操作，一定程度上影响教学效果与学生学习的积极性；经费有限使部分实验教学无法负担部分昂贵的试剂耗材，实验技术相对简单，使学生获取信息的前沿性有待进一步增强。实验教学受学时的影响，在有限的学时下，部分学生在结束实验后可能难以重复实验过程，对实验知识的巩固和应用有待进一步加强。

2 引入虚拟仿真技术的必要性分析

虚拟仿真实验教学能够有效解决当前实验教学模式存在的困境。首先，虚拟仿真实验教学使师生角色发生转变。教师从知识传授者转变为学习引导者和辅导者，这意味着教师将更多地聚焦于学生的学习过程和个性化发展，通过引导和辅导的方式，帮助学生解决学习中遇到的实际问题。虚拟仿真教学方式不仅有利于培养学生的创新能力和实践能力，还能够在一定程度上减轻教师的教学负担，提高教学效率。其次，在虚拟仿真实验教学模式下，学生可以通过模拟实验环境，自主进行实践操作和学习，从而加深对知识的理解和掌握；通过大数据分析等技术手段，为学生提供个性化的学习推荐和反馈，使教学更加个性化和精细化；同时，还能够为学生提供充足的实验材料，使其在虚拟环境中进行实验操作，既有利于节省材料，又一定程度上避免了材料损耗。何淑勤等^[3]研究指出，虚拟仿真实训教学能够清晰地展现不同地表水、热状况下土壤侵蚀发育过程，为学生提供安全的实验环境，避免了安全风险，提升实验安全系数。

3 土壤污染与防治课程虚拟仿真实验教学体系构建

土壤污染与防治课程虚拟仿真实验教学整合了问题导入、操作教学、工艺技术设计和工程实施4个关键环节，形成了较为全面、系统的教学体系。杨茜^[7]研究认为，基于虚拟仿真技术可以构建递进式的实验教学体系，这种实验方式借助了动画技术，能够精准模拟和展示实验过程中的各种变化，使学生在虚拟环境中学习并掌握相关知识。随着实验难度的提升，最终形成包括必做实验和选做实验在内的基础性实验、综合性实验和拓展性实验3个教学模块，具体如图1所示。

3.1 基础性实验模块

基础性实验属于必做实验，核心目标在于巩固学生的理论知识，并培养其实际操作能力。实验内容主要聚焦3个核心环节：现场土壤布点与采样、土壤消解实验以及土壤污染物的测定。该类实验旨在将理论学习与实际操作紧密结合，让学生在实践中学习和理解土壤污染问题的实际状况。一是现场土壤布点与采样实验。不仅要求学生掌握正确的采样方法，还需要其理解并学会在不同的污染现场选择合适的布点策略，学会判断污染程度，识别可能的污染源，合理设计采样方案。二是土壤消解实验。要求学生精确掌握各种化学试剂的使用和反应条件。吕贵芬等^[8]依托虚拟仿真平台，对土壤消解及土壤水浸提液制备等基础操作开展虚拟仿真实验，使学生掌握将土壤样品转化为适合分析形式的方法，并对土壤中污染物进行初步识别和筛选。三是土壤污染物的测定实验。要求学生使用先进仪器和技术，如色谱仪、质谱仪等，对消解后的土壤样品进行详细的化学分析。通过这一系列基础性实验，学生不仅能够深入理解土壤污染问题的复杂性和严重性，还能在实践中锻炼其实验设计和操作能力，强化基础知识，熟悉并掌握基本的实验技能，充分锻炼动手实践能力。

3.2 综合性实验模块

综合性实验属于必做实验，主要目标在于提高学生的综合设计实验能力，增强其实践能力和创新思维。该实验模块教学内容主要包括3个环节：土壤稳定化设计、阻隔防渗施工工序操作以及化学稳定化施工工序操作。这些环节能够使学生全面了解并掌握实验设计的全过程。一是土壤稳定化设计环节，学生利用所学的土壤力学、材料力学等知识，对土壤进行稳定化处理，提高其强度和稳定性。二是阻隔防渗施工工序操作环节，学生需要了解并掌握阻隔防渗的原理和技术，通过实际操作，了解施工过程中的注意事项和技巧。三是化学稳定化施工工序操作环节，学生利用一定的化学知识原理和实验技能，通过实际操作，对施工现场的土壤进行稳定化处理。迟宝珠等^[4]研究认为，从实验设计到现场操作，从独立实验到协作实验，综合性实验模块为学生提供了一个全面系统的学习平台。通过该平台，学生的动手能力和实际操作能力得到不断增强，在实践中不断积累经验，提高实验技能水平和综合素质。同时，通过团队协作，还可培养其沟通能力和团队协作精神，为后续的职业发展奠定坚实基础。

3.3 拓展性实验模块

拓展性实验是选做实验的重要组成部分之一，目标在于激发学生的创新设计和研究能力。该模块实验教学内容多样且深入，其中化学与生物联合修复技术的设计较为重要。在实验教学中，学生需要深入研究土壤的性质，了解初始污染物的浓度和目标浓度。这需要学生结合理论知识对土壤进行细致分析。选择合适的稳定化剂，并精确计算稳定化剂的投加量。该过程不仅考验学生的理论知识掌握程度，更要求其具备严谨的实验态度和精细的实验操作技巧。学生利用所学的相关植物修复性能知识，从超累积植物中进行筛选，并考虑植物的生长环境、生长速度和修复效果等多个因素，这要求其掌握丰富的植物学知识，具备灵活的思考能力和科学的决策能力。学生根据前序选择的植物进行超累积植物的种植量计算，选择植物的间种设计，综合考虑土壤、植物及稳定化剂等多个因素，设计出较佳的修复方案。在该过程中，学生需要具备一定的独立思考能力和创新科研能力。拓展性实验模块通过协同两种以上的修复方法，让学生在实践中学习、在实践中创新，真正实现了从理论学习到实践应用的转变。杨茜^[7]研究认为，这一教学模式不仅提高了学生的实践能力和科研能力，更激发了其创新精神和独立思考能力，为培养科研人才奠定了坚实基础。

4 土壤污染与防治课程虚拟仿真实验教学设计

土壤污染与防治课程虚拟仿真实验教学过程围绕实验准备、实验条件设计、虚拟仿真教学、效果分析评价和实验报告总结5个功能展开。

（1）实验准备。张迪^[6]通过典型案例分析，在实验开始前让学生了解土壤污染的成因及其复杂性，以及不同种类污染土壤的修复技术与工艺。为提升学生的学习兴趣和预习效果，教师还可将理论知识点、主要流程及操作要点制成试题库，供学生提前预习和课后复习。学生提前对土壤污染与防治的基本理论知识和实验流程有较为清晰的认识，为后续的实验操作奠定基础。

（2）实验条件设计。采用角色扮演教学法，让学生扮演“岩土工程师”“土壤工程师”或“生态工程师”等角色，分别开展污染源防渗阻隔墙的设计、化学稳定剂选择、土壤稳定化方案设计、超累积植物和低累积植物的选择及间种设计。这种跨专业、合作式的设计方式，可以帮助学生更好地理解土壤污染防治的多个方面，同时培养其团队协作能力。

（3）虚拟仿真教学。进入虚拟仿真实验教学模块，通过对土壤污染源的阻隔与土壤生态修复施工过程中的关键环节进行分解，将污染源阻隔工程、化学稳定化过程和生态修复过程划分为若干情境要素。借助虚拟仿真资源和技术，从声音、图像和实物三类资源中建立情境，实现对施工工艺、机械以及进程的全过程模拟。浸入式学习场景可以让学生更加直观地了解土壤污染防治技术与工艺，提高其实践操作能力。

（4）效果分析评价。采用线上线下混合式教学法，通过线上观看实验视频和操作，让学生熟悉实验操作步骤，减少实验失误；线下进行实验操作、分析测试和数据分析，加强其动手操作能力，使其更好地理解污染物在土壤和植物中的迁移转化过程。通过线上线下结合的方式，参考刘东友等^[9]构建的实验教学考核评价体系，分别对实验秩序、实验操作、实验效果、实验报告、仪器保养和实验室卫生等项目当堂赋分，以全面评估学生的学习效果，为后续的教学改进提供参考。

（5）实验报告总结。学生以小组为单位将整个虚拟仿真实验项目的理论学习、实验操作和工艺设计等导出并存档；教师对总结报告进行综合评分。为方便学生撰写实验报告，虚拟仿真实验教学平台内置了实验报告模板，包括实验目的和要求、实验原理和知识点、实验过程和步骤、实验结果分析及实验反思等内容。此外，还可以调取相关实验数据自动生成部分模块，以满足学生的个性化诉求。这种教学方式不仅培养了学生的创新精神和深度理解能力，还激发了其创新思维。

5 土壤污染与防治课程虚拟仿真实验考核评价设计

首先，虚拟仿真系统能够全面追踪实验步骤的详细数据，精准评估实验的规范性以及学生在实验过程中的知识获取能力。通过详细的实验过程记录和效果分析评价，为实验教学方法、实验设计等方面的改进提供参考。这种数据驱动的考核方式可以确保评价的客观性和准确性。其次，在评价体系方面，采用教师评价与学生互评相结合的方式。张永生^[10]通过教师评价，围绕实验预习、技能操作、数据分析、实验成效、创新设计以及问题解决6个关键维度展开教学评价，以全面反映学生的综合素质和能力水平。学生互评则主要在实验小组内部进行，着重评价其在实验过程中的态度、团队协作能力以及个人贡献度。通过细化考核指标，构建一个更加完善、科学和多元的考核评价体系。例如，对于实验预习环节，可以设置预习完成度、预习质量等指标；对于技能操作环节，可以设置操作熟练度、操作规范性等指标；对于数据分析环节，可以设置数据处理能力、分析准确性等指标。通过具体的考核指标，更加精确地评估学生在各个环节的表现和进步情况。

综上，本文针对土壤污染与防治课程实验教学的现状，设计了虚拟仿真实验平台，逐步细化了实验过程，涵盖实验准备、条件设计、仿真学习、评价优化和实验报告5个方面。通过构建突破时空限制的污染土壤虚拟仿真实验环境，以“高阶性、创新性、挑战度”为标准，全面优化了实验教学内容、方法和评价体系；增加了个性化和创新性的实验模块，逐步提高了实验教学的深度和延展性；完善了考核评价体系，重视过程和综合评价；增强了虚拟现实交互性，提高了师生互动性，帮助学生建立不同层级的管理思维。为提升实验教学质量，激发学生创新精神，培养更多优秀的应用型人才提供参考。

参考文献

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[3] 何淑勤，易海燕，骆紫藤，等. 虚拟仿真技术在土壤侵蚀原理实验教学中的应用[J]. 现代农业科技，2024（11）：217-220.

[4] 迟宝珠，胡昱. 稀土虚拟仿真实验教学项目建设与应用[J]. 化学教育（中英文），2024，45（10）：93-99.

[5] 孟凡德，黄秋香，蔡永兵，等. 环境污染治理大背景下《土壤污染与防治技术》实验课程改革探究[J]. 山东化工，2020，49（23）：164-165.

[6] 张迪. 基于雨课堂的翻转课堂+案例教学实践探索：以土壤污染与防治课程为例[J]. 大学教育，2021，10（4）：68-70.

[7] 杨茜. 多元智能理论视角下土壤污染与防治课程教学研究：以滨州学院为例[J]. 安徽农学通报，2018，24（20）：156-158.

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[9] 刘东友，王向东，史忠信，等. 实验教学考核评价体系的创新与探索[J]. 教学仪器与实验，2014，30（2）：50-53.

[10] 张永生. 高校信息技术课程教学评价研究与实践[D]. 石家庄：河北师范大学，2014.

（责任编辑：杨欢）