實(shí)操結合仿真模式在環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗教學(xué)中應

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是計算機、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，傳統的教學(xué)思想、教學(xué)方法、教學(xué)手段都面臨著(zhù)的挑戰，仿真實(shí)驗已成為一種新的發(fā)展趨勢，在高等學(xué)校的實(shí)驗教學(xué)中嶄露頭角[1， 2]。虛擬實(shí)驗室已經(jīng)能夠在特定數值模型的基礎之上，對現實(shí)中的物理化學(xué)過(guò)程、生命過(guò)程、實(shí)驗過(guò)程、操作流程等實(shí)現軟件模擬，接受虛擬場(chǎng)景中的輸入并經(jīng)過(guò)模型計算，對操作結果和實(shí)驗現象進(jìn)行呈現或再現，從而達到對真實(shí)實(shí)驗系統的模擬[3]。應對目前社會(huì )對應用技能型人才需求，高校深化供給側改革，環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗課學(xué)時(shí)增加，涉及面更廣，隨著(zhù)實(shí)驗項目的增多，需要的儀器設備更繁雜、占用實(shí)驗場(chǎng)地更多，實(shí)驗材料消耗更大，從而總體實(shí)驗費用升高，所有這些弊端都迫切需要改變傳統的實(shí)驗教學(xué)模式，模擬仿真實(shí)驗手段則恰好彌補了傳統實(shí)驗教學(xué)模式的不足。
一、傳統“實(shí)操”模式在實(shí)驗教學(xué)中局限性
在環(huán)境工程實(shí)驗教學(xué)中，傳統“實(shí)操”模式下，學(xué)生在實(shí)驗現場(chǎng)，直接接觸各類(lèi)實(shí)驗儀器設備、藥品、實(shí)驗材料，身臨其境，實(shí)際操作，提高動(dòng)手能力，很好地完成教學(xué)大綱對實(shí)驗基本操作能力訓練的要求。雖然傳統“實(shí)操”模式在實(shí)驗教學(xué)中有著(zhù)不可替代的作用，但也存在一定的局限性：
（一）實(shí)驗總體費用高
滿(mǎn)足當前應用型人才培養對學(xué)生動(dòng)手能力的要求，學(xué)生數量增大，實(shí)驗項目增多，采用傳統“實(shí)操”模式，需要的儀器設備多，種類(lèi)繁雜，維護工作量極大，實(shí)驗材料消耗也不小，實(shí)驗場(chǎng)地緊張，實(shí)驗總體費用高。
（二）實(shí)驗環(huán)境不環(huán)保
環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗中，經(jīng)常使用有毒有害、易燃易爆危險化學(xué)藥品及影響實(shí)驗人員健康的菌種，實(shí)驗過(guò)程中，不可避免產(chǎn)生毒害氣體、污染環(huán)境廢水、廢渣，實(shí)驗環(huán)境不環(huán)保，長(cháng)期累積對大環(huán)境也存在污染。
（三）部分實(shí)驗大綱要求難滿(mǎn)足
實(shí)驗中涉及先進(jìn)大型貴重儀器設備，很難讓學(xué)生人手一臺，親自操作，學(xué)生往往走馬觀(guān)花，了解皮毛；校內不具備固體廢棄物焚燒裝置、SBR 水處理裝置等，更難滿(mǎn)足學(xué)生需求；即便購買(mǎi)一些實(shí)驗裝置，學(xué)生也很難觀(guān)察其內部結構，在有限的學(xué)時(shí)內，反復操作，尋找*實(shí)驗參數。
（四）實(shí)驗考核操作不方便、結果不理想
在實(shí)驗考核過(guò)程中，實(shí)驗指導教師在短時(shí)間內考核學(xué)生實(shí)驗操作、批改實(shí)驗報告、給出實(shí)驗成績(jì)，不但工作量大，也很難做到公平公正。
二、模擬仿真在實(shí)驗教學(xué)中優(yōu)勢
模擬仿真實(shí)驗軟件在顯示整個(gè)實(shí)驗的過(guò)程中，將儀器設備、裝置及所呈現的現象形象真實(shí)展示出來(lái)，模擬的實(shí)驗過(guò)程科學(xué)、得出的數據可靠性高、實(shí)驗結果真實(shí)。模擬仿真能夠多次重復展示實(shí)驗現象，對現象的規律、規則、理論進(jìn)行詳細深入的探索和研究方面較為有利。實(shí)際實(shí)驗中難以或根本觀(guān)察不到的實(shí)驗發(fā)生過(guò)程和微觀(guān)內部機制，學(xué)生通過(guò)智能化的模擬仿真形象的表現，便于揭示其中內涵、規律；在理解抽象的概念、掌握或探索有關(guān)的規則、定理或定律方面，學(xué)生通過(guò)模擬仿真改變實(shí)驗條件、參數或儀器進(jìn)行對照類(lèi)比，方便瞬間觀(guān)察感興趣的現象或量值，揭示現象背后的實(shí)質(zhì)問(wèn)題。與傳統的實(shí)操實(shí)驗相比，模擬仿真實(shí)驗教學(xué)有以下優(yōu)點(diǎn)：
（一）仿真實(shí)驗投資少，使用及維護方便
仿真實(shí)驗只需將軟件安裝在計算機上即可運行，利用學(xué)校已有的計算機資源，使用較少的投資，即可開(kāi)展實(shí)驗，且方便學(xué)生使用，滿(mǎn)足大批量學(xué)生實(shí)驗的教學(xué)需求，化解了學(xué)生多而實(shí)驗裝置少的矛盾。同時(shí)，縮短了教師實(shí)驗前的準備工作時(shí)間，日常維護負擔也較維護多種實(shí)驗設備輕。
（二）仿真實(shí)驗生動(dòng)形象，操作簡(jiǎn)便
仿真實(shí)驗工藝流程形象逼真，實(shí)驗的操作只需使用鼠標和鍵盤(pán)就可完成，操作極其簡(jiǎn)便，且無(wú)材料消耗，儀器損耗。在實(shí)驗過(guò)程中，整個(gè)工藝流程出現在屏幕上，一目了然，還具有局部放大功能；學(xué)生可縱觀(guān)全局，更好地把握實(shí)驗過(guò)程，樹(shù)立工程觀(guān)念，有利于調動(dòng)學(xué)生的學(xué)習積極性。
在有限的課程學(xué)時(shí)內，學(xué)生利用仿真軟件短時(shí)間內可反復實(shí)驗，可進(jìn)行更多的開(kāi)放式、綜合性實(shí)驗，提高了學(xué)習效率。
（三）仿真實(shí)驗結果考核公正、便利
仿真實(shí)驗過(guò)程中，教師利用模擬仿真軟件的“操作評價(jià)功能”，對學(xué)生的實(shí)驗操作動(dòng)作、實(shí)驗結果給出科學(xué)公正的評判。教師用機可以隨時(shí)檢查學(xué)生完成實(shí)驗情況，解決學(xué)生實(shí)驗中出現的問(wèn)題，進(jìn)行數據處理與統計，網(wǎng)上批改學(xué)生實(shí)驗報告，考核學(xué)生實(shí)驗效果，給出實(shí)驗成績(jì)。
（四）仿真實(shí)驗綠色安全
采用常規的、傳統的實(shí)驗方式，環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗教學(xué)不可避免使用一些昂貴、容易引起爆炸或有毒有害試劑\ 藥品。模擬仿真實(shí)驗不但化學(xué)試劑和儀器裝置“零投入”而且“廢棄物*”，在涉及高?；虻沫h(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時(shí)，可提供可靠、安全和經(jīng)濟的實(shí)驗項目，既節約資金又安全可靠，還可防止環(huán)境污染，創(chuàng )造綠色學(xué)習環(huán)境。
教師利用模擬仿真軟件進(jìn)行模擬違規操作，將產(chǎn)生的后果展示給學(xué)生，讓學(xué)生看到誤操作的嚴重后果，時(shí)刻警醒學(xué)生科學(xué)、嚴謹的工作態(tài)度在未來(lái)工作中的重要性，提高了學(xué)生科研素養。
三、“實(shí)操結合模擬仿真”模式在環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗教學(xué)中應用原則
（一）注重能力培養，能“實(shí)”勿“虛”
盡管模擬仿真實(shí)驗教學(xué)存在諸多優(yōu)勢，但“實(shí)操”模式在實(shí)驗教學(xué)中的地位不可替代。否則學(xué)生紙上談兵，輕點(diǎn)鼠標，動(dòng)手能力得不到培養，無(wú)法適應未來(lái)實(shí)際工作需要。
因此，在實(shí)驗教學(xué)中，應注重能力培養，能“實(shí)”勿“虛”，“實(shí)操”模式必須保持主要地位。
（二）有機結合，互為補充
“實(shí)操”與“模擬仿真”兩種模式在實(shí)驗教學(xué)中有機結合，各出所長(cháng)，相互取長(cháng)補短，而不是以此代彼，只有如此，才能獲得更好的效果。
二者的這種結合體現在具體實(shí)踐中，可以是某個(gè)獨立的實(shí)驗項目，如儀器分析實(shí)驗中的氣象色譜儀、液相色譜的使用，學(xué)生參觀(guān)了解儀器實(shí)物，觀(guān)察教師實(shí)驗操作演示后，再進(jìn)行仿真操作。也可以是某課程的幾個(gè)實(shí)驗項目，例如固體廢棄物處理與處置這門(mén)課設置了固體廢物的水分與灰分測定實(shí)驗、粉煤灰分子篩的制備與性能研究、垃圾焚燒過(guò)程模擬、有機垃圾生物處理四個(gè)實(shí)驗項目，前兩項，采用實(shí)操模式，學(xué)生了解固廢水分的存在形式與灰分的組成，掌握不同固體廢物中水分與灰分的測定方法、堿熔法或固相法合成粉煤灰分子篩的基本原理及實(shí)驗方法、紫外-可見(jiàn)分光光度計的構造原理以及操作方法、吸附試驗操作原理與方法；后兩項，受實(shí)驗室條件限制，實(shí)操無(wú)法完成，采用仿真模擬模式，學(xué)生通過(guò)仿真實(shí)驗進(jìn)行生活垃圾的收集與熱值測定，在回轉窯焚燒約5 公斤生活垃圾，注意觀(guān)察爐體溫度變化，記錄相關(guān)焚燒參數，從而掌握熱值測定方法，回轉窯或焚燒爐工作原理及結構組成，垃圾焚燒操作技術(shù)；有機垃圾生物處理過(guò)程模擬實(shí)驗中，學(xué)生通過(guò)仿真實(shí)驗，以學(xué)校食堂收集廚余垃圾為模型，進(jìn)行好氧堆肥/厭氧發(fā)酵處理，調節含水率及C/N 比，控制通氣流量和時(shí)間，記錄溫度變化，測定含水率、總固體、揮發(fā)性固體、碳氮比等，觀(guān)察到了有機固體廢物在生物處理過(guò)程中的變化，加深對堆肥和厭氧消化概念的理解；掌握好氧堆肥和厭氧消化工藝過(guò)程和控制方法；及好氧堆肥和厭氧消化工藝影響因素與控制措施，彌補了實(shí)操的缺憾，較好達到了實(shí)驗目的。
（三）適應需求，發(fā)展完善
適應社會(huì )對創(chuàng )新應用型人才培養的需求，“實(shí)操”與“模擬仿真”兩種模式在實(shí)驗教學(xué)中應與時(shí)俱進(jìn)，不斷完善，在實(shí)踐中找到*結合方式，更好完成教學(xué)任務(wù)。
四、虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的建設實(shí)踐
學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心建設工作以全面提高高校學(xué)生創(chuàng )新精神和實(shí)踐能力為宗旨，以“科學(xué)規劃、共享資源、突出重點(diǎn)、提益、持續發(fā)展”為指導，以共享實(shí)驗教學(xué)資源為核心，以建設信息化實(shí)驗教學(xué)資源為重點(diǎn)，本著(zhù)充分體現虛實(shí)結合、相互補充、能實(shí)不虛的原則，持續推進(jìn)，逐步完善，構建高度仿真的虛擬實(shí)驗環(huán)境和實(shí)驗對象，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗，達到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。
（一）虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)資源建設方面
以培養學(xué)生綜合設計和創(chuàng )新能力為出發(fā)點(diǎn)，發(fā)揮學(xué)校學(xué)科專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢，利用企業(yè)提供資源，豐富教學(xué)內容，拓展實(shí)驗領(lǐng)域，提高教學(xué)能力，降低成本和風(fēng)險，開(kāi)展綠色實(shí)驗教學(xué)。
（二）虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)的管理和共享平臺建設方面
建設具有擴展性、兼容性管理和共享平臺，管理實(shí)驗教學(xué)資源，實(shí)現校內相關(guān)學(xué)科實(shí)驗教學(xué)資源共享。
（三）虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)和管理隊伍建設方面：
學(xué)校虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)和管理隊伍主要由教育理念先進(jìn)，學(xué)術(shù)水平高，教學(xué)科研能力強，實(shí)踐經(jīng)驗豐富，勇于創(chuàng )新的教師、科研、實(shí)驗技術(shù)人員組成。
（四）虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的管理體系建設方面
學(xué)校系統制定并有效實(shí)施了《虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)的教師工作績(jì)效考核辦法》、《虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)經(jīng)費使用管理制度》、《實(shí)驗教學(xué)中心維護管理規定》，《提高學(xué)生創(chuàng )新能力的教學(xué)效果考核辦法》等虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心的管理制度。
五、模擬仿真與實(shí)操相結合的實(shí)驗教學(xué)模式實(shí)踐
模擬仿真實(shí)驗教學(xué)雖然具有很大優(yōu)勢，但也具備局限性，畢竟學(xué)生在未來(lái)的工作崗位上，不能只是輕點(diǎn)鼠標就能完成工作任務(wù)，只有與實(shí)操實(shí)驗教學(xué)有機結合起來(lái)，優(yōu)勢互補，才能收到良好效果，全面提高教學(xué)質(zhì)量，滿(mǎn)足社會(huì )對人才需求條件。
在環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗課中，我們引進(jìn)了與環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗相對應的由北京東方仿真公司開(kāi)發(fā)的仿真軟件，主要有化工原理實(shí)驗、流體力學(xué)實(shí)驗、環(huán)境工程水處理實(shí)驗、大氣污染控制設備單元、垃圾焚燒廢氣處理、AAO 工藝、SBR 工藝、WASB 工藝等全流程的仿真培訓軟件用于實(shí)驗教學(xué)，學(xué)生在校內就可以充分得到大型貴重儀器使用、垃圾和污水處理流程的訓練，真正將環(huán)境監測實(shí)驗室、污水處理廠(chǎng)、垃圾填埋場(chǎng)搬進(jìn)教室，在操作技能掌握上更加系統和全面。具體實(shí)踐中：
1. 對涉及基本實(shí)驗操作技能的實(shí)驗項目，如環(huán)境分析監測的實(shí)驗中的藥品配制、滴定操作、水樣的采集等，學(xué)生必須實(shí)際操作，反復演練，直至達到熟練操作；實(shí)際操作前，學(xué)生利用仿真實(shí)驗，反復觀(guān)看實(shí)驗操作技巧，促進(jìn)實(shí)操水平提升。
2. 對實(shí)驗中涉及先進(jìn)大型貴重儀器設備的，如儀器分析實(shí)驗，首先理論課講解實(shí)驗儀器原理，接著(zhù)讓學(xué)生到學(xué)校的教育部環(huán)境生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗室對氣象色譜、液相色譜等貴重儀器實(shí)物觀(guān)察，對使用儀器有感官的了解，在此過(guò)程中，教師實(shí)際操作演示儀器使用，講解儀器操作方法、注意事項，學(xué)生觀(guān)看學(xué)習，此后，學(xué)生再利用大型儀器分析模擬軟件學(xué)習設備構造、原理，進(jìn)行反復模擬操作，直至運用模擬軟件考核合格。
3. 對實(shí)驗中試劑藥品昂貴或涉及有毒有害試劑的實(shí)驗，實(shí)驗中容易引起爆炸產(chǎn)生環(huán)境污染的實(shí)驗項目，如環(huán)境化學(xué)、環(huán)境監測實(shí)驗部分項目，利用模擬仿真教學(xué)，讓學(xué)生在計算機上做實(shí)驗，不但能達到實(shí)驗目的，而且綠色安全、無(wú)環(huán)境污染。又如環(huán)境工程微生物實(shí)驗中微生物觀(guān)察與計數，學(xué)生每人一臺顯微鏡利用無(wú)毒害的酵母菌，反復實(shí)際操作，直至掌握顯微鏡操作技巧、微生物計數方法，而對有危害的金黃葡萄球菌、大腸桿菌等形態(tài)觀(guān)察，則利用虛擬軟件在機房操作，從而完成實(shí)驗教學(xué)。
4. 針對校內不具備的如固體廢棄物焚燒裝置、SBR 水處理裝置等，采用模擬仿真實(shí)驗，通過(guò)模擬仿真，實(shí)驗原理、裝置、流程、過(guò)程展現在學(xué)生面前，一目了然，學(xué)生通過(guò)設置、更改相關(guān)流程參數，取得*結果，完成實(shí)驗。緩解了傳統實(shí)驗方式場(chǎng)地占用大、實(shí)驗裝置昂貴、實(shí)驗周期長(cháng)，耗材耗時(shí)，實(shí)驗效果不理想，不能很好達到實(shí)驗教學(xué)目的的矛盾。
水污染控制工程是高等學(xué)校環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)理論性和實(shí)踐性都很強的學(xué)科，其中的理論、原理，工程設計等都離不開(kāi)實(shí)驗。而其實(shí)驗項目氣浮實(shí)驗，傳統“實(shí)操”模式，或受實(shí)驗場(chǎng)地、時(shí)間、設備裝置的限制，無(wú)法很好完成，而采用仿真實(shí)驗模式，學(xué)生通過(guò)仿真模擬壓力溶氣氣浮工藝，虛擬儀器面板設計氣浮工藝構筑物參數，如接觸池的長(cháng)、寬、深，分離池的長(cháng)、寬、深，溶氣罐的直徑、填料層高等，在實(shí)驗過(guò)程中，調整介質(zhì)間張力系數、進(jìn)水流量、回流溶氣水量、水溫等主要參數，觀(guān)察其對氣浮效果的影響，加深理解氣浮法的工作原理和工藝組成；掌握氣浮處理系統的設計運行參數；掌握氣浮工藝處理廢水時(shí)，不同運行參數對運行效果的影響。城市污水綜合處理方案設計實(shí)驗，學(xué)生利用所學(xué)理論知識，針對城市污水，進(jìn)行方案設計，并通過(guò)仿真模擬對設計的工藝流程進(jìn)行運行，對處理單元作用、參數、工藝特點(diǎn)、效率等進(jìn)行評價(jià)和分析。了解城市污水的特點(diǎn)；設計了城市污水處理方案；掌握污水處理工藝單元的作用和工作參數；計算出各個(gè)處理單元的分級效率；評價(jià)、總結該處理方案的特點(diǎn)及效率。激發(fā)了學(xué)生學(xué)習興趣，達到了教學(xué)大綱的要求。
5. 對實(shí)驗室具有簡(jiǎn)易裝置又有模擬仿真軟件的實(shí)驗項目，如化工原理、流體力學(xué)在學(xué)生接授過(guò)理論教學(xué)后，到實(shí)驗室參觀(guān)了解實(shí)驗裝置，再利用模擬仿真教學(xué)，讓學(xué)生觀(guān)察現象，找準參數，再到實(shí)驗室實(shí)際操作。
“實(shí)操結合模擬仿真”模式在環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗教學(xué)中近2 年的試用，不但緩解當前實(shí)驗經(jīng)費與場(chǎng)地的不足，而且調動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性，更好地達到實(shí)驗教學(xué)的目的。
六、結束語(yǔ)
與傳統實(shí)驗教學(xué)方式相比，虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)能實(shí)現真實(shí)實(shí)驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，具有生動(dòng)形象、操作簡(jiǎn)便，投資少，使用及維護方便，實(shí)驗結果考核公正便利，實(shí)驗環(huán)境綠色安全的優(yōu)勢。發(fā)揮仿真實(shí)驗優(yōu)勢，再結合實(shí)操實(shí)驗，緩解當前環(huán)境工程實(shí)驗教學(xué)的困境，增強教師和學(xué)生的參與感，能很好地達到實(shí)驗教學(xué)的目的。
只有堅持以學(xué)生為主體的教學(xué)理念，將模擬仿真實(shí)驗教學(xué)與傳統實(shí)驗教學(xué)方法緊密地結合起來(lái)，實(shí)行優(yōu)勢互補，在教學(xué)實(shí)踐中不斷地探索，在探索中不斷地改進(jìn)，才能充分發(fā)揮模擬仿真加實(shí)操實(shí)驗教學(xué)的優(yōu)勢，提高課堂效率，提升教