劉濤　繆海超　羌寧　李照?！〔芤钇?/p>

摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中存在的時(shí)空受限、設(shè)備條件落后、實(shí)驗(yàn)安全性等問(wèn)題，利用3D虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)形成了“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。本文以實(shí)驗(yàn)“旋風(fēng)除塵器性能測(cè)定”為例，分別從課前線上預(yù)習(xí)、線下實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作、工程設(shè)計(jì)、工程仿真搭建、線上復(fù)習(xí)及報(bào)告提交五方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。該模式可在一定程度上解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中存在的一些弊端，為學(xué)生提供一個(gè)更為寬松自由的學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際工程問(wèn)題分析與解決能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新工程思維。

關(guān)鍵詞 3D虛擬仿真 虛實(shí)結(jié)合 大氣污染控制 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

《大氣污染控制工程》作為環(huán)境工程專業(yè)的主干課程，需要結(jié)合多門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程的相關(guān)知識(shí)，因此，為學(xué)生的學(xué)習(xí)與掌握提出了較高層次的要求?！洞髿馕廴究刂乒こ虒?shí)驗(yàn)》作為大氣課程中的一個(gè)重要部分，可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)與理解。但是，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，如何培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力、有效提高實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，培養(yǎng)出環(huán)境工程領(lǐng)域中的高尖端人才顯得尤為重要。

隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，日趨成熟的3D虛擬仿真技術(shù)已逐步應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，為打造虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了可能。本文以“旋風(fēng)除塵器性能測(cè)定”實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹了虛實(shí)結(jié)合的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式以及該方式的效果與意義。

1虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

我院利用3D虛擬仿真技術(shù)，自主開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)仿真軟件，并結(jié)合傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，發(fā)展形成了一套虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。學(xué)生課前通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)理論知識(shí)的初步學(xué)習(xí)和理解，課上通過(guò)實(shí)際操作進(jìn)一步掌握該知識(shí)，然后在相關(guān)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)中完成工藝流程圖，在3D場(chǎng)景下完成虛擬現(xiàn)實(shí)工程建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)行，最后再通過(guò)線上復(fù)習(xí)充分掌握相關(guān)技能并完成相關(guān)考核，從而實(shí)現(xiàn)課前預(yù)習(xí)、課上操作和課后復(fù)習(xí)的完美銜接。3D虛擬仿真操作系統(tǒng)是根據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景而設(shè)計(jì)，讓學(xué)生切身體會(huì)完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，包括實(shí)驗(yàn)流程的搭建、實(shí)驗(yàn)各步驟的具體操作，最后可得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以便于學(xué)生在課余時(shí)間自主進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)有充分地理解和認(rèn)知。

1.1線上理論學(xué)習(xí)

學(xué)生通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬仿真訓(xùn)練，其主界面如圖1所示，學(xué)生可選擇不同的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行訓(xùn)練。本文以實(shí)驗(yàn)“旋風(fēng)除塵器性能測(cè)定”為例，首先，學(xué)生需要在課前完成相關(guān)理論內(nèi)容的學(xué)習(xí)，界面如圖2所示，學(xué)生可學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備的詳細(xì)介紹，如設(shè)備組成、工作原理等。學(xué)生還可查看旋風(fēng)除塵器各組成部件的相關(guān)信息，對(duì)于設(shè)備有更為清晰深刻的認(rèn)識(shí)。學(xué)生通過(guò)線上系統(tǒng)的多次操作，可大大提高對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解。

此外，該系統(tǒng)采用交互式的設(shè)計(jì)，學(xué)生可在線上操作的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示其操作不當(dāng)之處，對(duì)于不理解的地方，學(xué)生也可隨時(shí)進(jìn)行提問(wèn)。教師也可利用該系統(tǒng)查看學(xué)生的預(yù)習(xí)使用情況，解答學(xué)生的疑惑，并可將其情況作為平時(shí)成績(jī)的一部分。

1.2實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作

關(guān)于“旋風(fēng)除塵器性能測(cè)定“的實(shí)驗(yàn)，本院有8套實(shí)驗(yàn)裝置，每次實(shí)驗(yàn)可供8組每組3人進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生按照課前的線上練習(xí)及老師的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，完成整體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，使用集流器流量計(jì)測(cè)定氣體流量，采用微壓計(jì)測(cè)量進(jìn)出口斷面靜壓差，從而計(jì)算除塵器阻力，通過(guò)重量法計(jì)算除塵效率，從而掌握旋風(fēng)除塵器進(jìn)口風(fēng)速與除塵器阻力、效率以及進(jìn)口濃度對(duì)除塵效率影響之間的關(guān)系。

1.3工程設(shè)計(jì)

本模塊實(shí)行“任務(wù)驅(qū)動(dòng)，自主設(shè)計(jì)”的原則，學(xué)生參考實(shí)際項(xiàng)目設(shè)置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，自主設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)基本資料、設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，完成旋風(fēng)除塵器的整體設(shè)計(jì)計(jì)算。這一方式可讓學(xué)生遵循基本的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，自主進(jìn)行流程設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇，培養(yǎng)了學(xué)生解決綜合復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，強(qiáng)化了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造思維。與此同時(shí)，在設(shè)備運(yùn)行模塊中，學(xué)生可以通過(guò)對(duì)各個(gè)參數(shù)的設(shè)置，如進(jìn)氣口風(fēng)流速度、粉塵狀況等，研究不同的操作條件對(duì)于旋風(fēng)除塵器除塵效率的影響，如圖3。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)零成本、快速地按照設(shè)計(jì)或計(jì)算得到的參數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，然后在改造后的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備上開(kāi)展后續(xù)工程操作，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)和計(jì)算的正確性，以確定下一步的設(shè)計(jì)方案。

1.4工程仿真搭建

該模塊包括工藝線路圖設(shè)計(jì)、3D工程場(chǎng)景展示、工程調(diào)試運(yùn)行三個(gè)模塊。學(xué)生在2D操作界面自主選擇設(shè)備完成工藝路線圖的設(shè)計(jì)，并構(gòu)建相應(yīng)3D工程場(chǎng)景，如圖4。在3D場(chǎng)景中控制設(shè)備運(yùn)行參數(shù)完成工程調(diào)試運(yùn)行和異常情況的緊急處理，達(dá)到考察學(xué)生工程應(yīng)用能力的目的，突破時(shí)間和空間對(duì)復(fù)雜工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制，更好地滿足學(xué)生綜合探索能力和工藝調(diào)控能力需要。

1.5線上復(fù)習(xí)及報(bào)告提交

為方便及時(shí)鞏固相關(guān)知識(shí)，該系統(tǒng)課后仍舊對(duì)學(xué)生開(kāi)放，學(xué)生可根據(jù)自身的實(shí)際情況，針對(duì)自己仍未掌握的部分進(jìn)行線上操作理解。在熟練掌握實(shí)驗(yàn)方法后，學(xué)生可在網(wǎng)上根據(jù)要求填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師根據(jù)其報(bào)告質(zhì)量進(jìn)行評(píng)級(jí)，這一部分等級(jí)可占據(jù)總成績(jī)的一定比例。

由于學(xué)生人數(shù)眾多、設(shè)備不足，因此傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式通常采用實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方式進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定，但是這一方式無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)教學(xué)的質(zhì)量效果以及學(xué)生的掌握程度。我院開(kāi)發(fā)的該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)期末的線上實(shí)驗(yàn)考試，學(xué)生可登入相關(guān)考試系統(tǒng)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)裝置搭建、參數(shù)設(shè)定等一系列操作，一方面可以較好地反映學(xué)生的動(dòng)手能力和知識(shí)掌握能力，另一方面，老師也可直接在線上系統(tǒng)中對(duì)學(xué)生進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。

2虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的效果與意義

2.1突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空限制

由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有課時(shí)短、儀器少、場(chǎng)地不足等缺陷，通常只能允許多人操作一臺(tái)設(shè)備，大大降低了學(xué)生的人均操作時(shí)間，嚴(yán)重影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)成果不理想。而3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則完全不受時(shí)空的限制，學(xué)生可自由地在線上操作儀器設(shè)備，熟悉各個(gè)操作步驟，彌補(bǔ)教學(xué)時(shí)間短、操作機(jī)會(huì)少的情況，也可通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分的課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)，進(jìn)一步加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.2降低實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性

對(duì)于大氣實(shí)驗(yàn)而言，很多物質(zhì)都具有有毒有害易燃易爆的特性，這便不利于學(xué)生的實(shí)際操作，若操作過(guò)程出現(xiàn)疏忽，則很大程度上會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)。而3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)則大大降低了實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性，線上操作的過(guò)程不受實(shí)驗(yàn)物質(zhì)、實(shí)驗(yàn)流程的限制，操作風(fēng)險(xiǎn)小、危害小，也同樣能促使學(xué)生達(dá)到理解實(shí)驗(yàn)原理、掌握操作步驟、注意特殊事項(xiàng)的效果。

2.3耗時(shí)實(shí)驗(yàn)短期化

對(duì)于部分實(shí)驗(yàn)而言，存在實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)成本高等問(wèn)題，例如活性炭的吸附實(shí)驗(yàn)，大都需要好幾個(gè)小時(shí)，且其大部分吸附過(guò)程都為等待時(shí)間，而現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)通常較短，長(zhǎng)時(shí)程的實(shí)驗(yàn)會(huì)大大降低實(shí)驗(yàn)效率，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的呈現(xiàn)。而3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間的約束，可大大減少實(shí)驗(yàn)工程中的等待時(shí)間，保證實(shí)驗(yàn)流程的緊湊性，大大提高課堂的效率。

3結(jié)語(yǔ)

在《大氣污染控制工程》的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，通過(guò)引進(jìn)3D虛擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有利于為學(xué)生提供更為豐富的教學(xué)資源，學(xué)生也可通過(guò)線上虛擬仿真訓(xùn)練提前預(yù)習(xí)了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，帶著問(wèn)題進(jìn)行實(shí)際操作，并在課后進(jìn)行及時(shí)復(fù)習(xí)，可形成一套“線上理論學(xué)習(xí)→實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作→工程設(shè)計(jì)→工程仿真搭建→線上復(fù)習(xí)及報(bào)告提交”的體系。該模式可突破實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的約束，融入工程設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐的相關(guān)內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)軟件內(nèi)容更加綜合化，能夠適應(yīng)不同層次、不同類(lèi)型的學(xué)生學(xué)習(xí)使用。由互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件可突破教學(xué)時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可隨時(shí)隨地利用網(wǎng)絡(luò)參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生（下轉(zhuǎn)第121頁(yè)）（上接第98頁(yè)）學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

基金項(xiàng)目：2017年同濟(jì)大學(xué)第10期精品課程項(xiàng)目。

作者簡(jiǎn)介：劉濤（1976-），男，漢族，山東棗莊人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：大氣污染控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)及揮發(fā)性有機(jī)物減排。

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