趙青松，劉瑞祥，杜夢帆，李莉

（長治學院 生命科學系，山西 長治）

一 引言

實踐教學是環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)教學體系中的重要組成部分，環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)的實踐環(huán)節(jié)要求學生必須注重工程理論和生態(tài)實踐的有機結(jié)合，注重培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力，實踐教學是環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)與傳統(tǒng)相關(guān)專業(yè)的主要區(qū)別之一[1]。但從目前應(yīng)用型本科高校建設(shè)本專業(yè)來看，因資金、設(shè)備，實踐場地等方面的不足，限制了本專業(yè)實踐教學的開展，再加上本專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)注重培養(yǎng)學生綜合處理能力、動手實踐性強的主要特點，而傳統(tǒng)實踐場地受實驗時間、對象、季節(jié)、設(shè)備數(shù)量的制約，特別是本專業(yè)某些實踐場地涉及高危險或極端操作環(huán)境、許多操作具有不可逆性，而依靠傳統(tǒng)的實物設(shè)備開展實踐教學難以滿足專業(yè)人才培養(yǎng)的需要[2]。因此，為滿足我校環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)實踐平臺的需求，整合已有校內(nèi)生態(tài)學課程相關(guān)實踐資源，依托多種平臺，組建了我校環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實踐教學平臺。

二 環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真平臺的建設(shè)思路

我校新建環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)實踐虛擬仿真教學平臺的建設(shè)緊緊圍繞學校的辦學定位和建設(shè)成為具有區(qū)域代表性的高水平應(yīng)用型本科院校的目標，根據(jù)應(yīng)用型人才的知識結(jié)構(gòu)和教育實踐教學要求，按照應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)規(guī)范和培養(yǎng)體系要求，以環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實踐教學平臺建設(shè)為抓手，重點開展實踐教學資源、培訓平臺、 教師隊伍、管理制度等方面的建設(shè)，具體打造具有我校環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)突出生態(tài)學特點的虛擬仿真綜合實踐平臺，形成具有持續(xù)服務(wù)的實踐教學平臺和具有實踐教學資源共享開放的教學實踐整體，培養(yǎng)適應(yīng)“國家生態(tài)戰(zhàn)略”及區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展需求，具有可持續(xù)發(fā)展理念，具有生態(tài)規(guī)劃設(shè)計、生態(tài)修復(fù)與建設(shè)等方面工作的復(fù)合型人才。

環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真綜合實踐平臺的建設(shè)以面向應(yīng)用、突出能力、提高素質(zhì)為目標，以全面增強環(huán)境專業(yè)學生動手實踐和科研創(chuàng)新能力、提高在校生教學質(zhì)量、增強服務(wù)社會能力為宗旨，注重融合實物試驗和虛擬仿真平臺、教科研互動、校內(nèi)與校外相銜接，按照“虛實平臺結(jié)合、虛實研究結(jié)合、虛實方法結(jié)合”的建設(shè)思路[3-4]，對環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)相關(guān)課程教學中新建專業(yè)不具備或難以完成的實踐環(huán)節(jié)，依托虛擬仿真、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)代通信技術(shù)，形成虛擬仿真實驗與實踐教學相融合教學體系[5-6]。

三 環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實踐教學資源建設(shè)

我校在虛擬仿真實踐教學體系建設(shè)中，秉持 “立足實際、教研相融、面向工程、互聯(lián)共享”的建設(shè)理念，通過虛擬場景與現(xiàn)實實驗相結(jié)合，在實踐教學中融入教師已有的相關(guān)科研成果，以教師完成的環(huán)境生態(tài)修復(fù)項目作為實踐教學的指導內(nèi)容，促進學生創(chuàng)新實踐能力的穩(wěn)步提升[7-8]。

特別是適應(yīng)國家和省對我校應(yīng)用型轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求，我校積極籌建了環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實踐平臺。平臺建設(shè)圍繞我校應(yīng)用轉(zhuǎn)型發(fā)展目標，依托我校環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)在師資隊伍、教學科研能力等方面的特點，經(jīng)過多年的教改實踐，建立了與培養(yǎng)工科學生解決實際問題能力相對應(yīng)的程式化的實驗實踐課程體系。建設(shè)了“污水處理廠虛擬仿真實踐教學系統(tǒng)”“垃圾填埋場仿真實踐系統(tǒng)”“靜電除塵器虛擬仿真實踐系統(tǒng)”“生態(tài)學野外實習仿真實踐系統(tǒng)”等涵蓋“污水處理”“大氣治理”“固體廢棄物處置”“生態(tài)學調(diào)研”四大虛擬實驗教學平臺，滿足我校環(huán)境生態(tài)工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要。

圖1 環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學平臺

（一） 污水處理仿真實踐平臺

平臺軟件基于動態(tài)過程仿真系統(tǒng)，按照實際工程的工藝技術(shù)、過程原理、設(shè)備工作原理、質(zhì)量平衡、能量平衡等進行系統(tǒng)開發(fā)，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，針對環(huán)境相關(guān)專業(yè)教學需求，參照真實的典型生活污水處理工廠的生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量管理等規(guī)范，以3D 形式模擬預(yù)處理工藝、AAO 藝、深度處理工藝等，構(gòu)建“3D 虛擬場景+物料參數(shù)在線顯示+污染指標實時監(jiān)控+人物控制系統(tǒng)”相結(jié)合的模式。軟件通過交互、視頻、動畫、圖片及知識點等，詳細講解水處理工藝的相關(guān)構(gòu)筑物和設(shè)備結(jié)構(gòu)及運行原理。通過對廠區(qū)區(qū)實景1:1 全角度建模，以3D 形式直觀展示污水廠構(gòu)筑物單元運行狀態(tài)，在對系統(tǒng)運行過程進行學習的同時，進一步提高學生對污水處理實踐過程中的工藝流程、處理設(shè)備結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)控制技術(shù)的理解，鞏固平時所學理論知識，增進學生工程設(shè)計及實踐操作能力。

圖2 城市污水處理廠3D 虛擬仿真實驗教學平臺

（二） 大氣處理虛擬仿真實踐平臺

大氣處理虛擬仿真平臺主要包含靜電除塵虛擬仿真系統(tǒng)，本實驗以動態(tài)仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬板式靜電除塵的基本流程、設(shè)備構(gòu)造和工作原理，探究現(xiàn)實除塵器的設(shè)備性能和具體影響除塵效率影響因素。仿真軟件以直觀形象的呈現(xiàn)形式完成靜電除塵器進口風量的測定、空載U-I 特性曲線的測定、學生通過調(diào)節(jié)不同電壓對除塵效率的影響、板極不同間距對除塵效率的影響和入口不同風速對除塵效率的影響實驗，提高學生的自主探索能力和工程設(shè)計能力，如圖3 所示。

圖3 大氣處理3D 虛擬仿真實驗教學平臺

（三） 固廢處理虛擬仿真實踐平臺

實際固廢處理處置工藝過程中，具有高危險、高污染、高消耗等特點，致使學生進廠實習危險性高，同時為了保障生產(chǎn)的安全進行，環(huán)境類專業(yè)的學生實習主要以參觀為主，無法進行實際操作與深入了解，學習效果非常有限；傳統(tǒng)教學中的“多看、多問、多想”等教學方法嚴重制約了學生主動學習的積極性，不能很好地反映學習成果。而傳統(tǒng)的實驗教學中大部分以固定實驗設(shè)備儀器為對象，學生只能按照標準的試驗方法開展，學生多采用單一重復(fù)性操作，實驗過程多是單元過程，達不到系統(tǒng)訓練。實驗實訓中經(jīng)常面臨“進不去、看不到、動不了”等問題，而大型試驗裝置面臨“不能碰”、內(nèi)部結(jié)構(gòu)現(xiàn)象“搞不清”、突發(fā)情形“遇不到”等問題。本平臺學習可以通過虛擬現(xiàn)實等沉浸式教學方式，學習垃圾填埋廠的建造及填埋封場等流程，通過該平臺讓學生對固廢處理處置工藝有直觀的了解和認識，為將來學生的工程設(shè)計與實踐提供理論指導和借鑒，見圖4。

圖4 垃圾處理填埋廠虛擬仿真實驗教學平臺

（四） 生態(tài)學野外實習虛擬仿真實踐平臺

生態(tài)學野外實習虛擬仿真實踐平臺包含太行山植物學觀察采集，植物標本壓制、植物標本鑒定、植物標本館四個模塊，形成一個植物學實習閉環(huán)。項目以真實實驗結(jié)果作為支撐，根據(jù)實驗室的安全要求和使用要求，模擬真實的場景和操作過程，并記錄過程現(xiàn)象。該軟件可用于老師的課堂講解、學生提前自學實驗和課后復(fù)習實驗，為真實實驗做好充分準備，見圖5。

圖5 生態(tài)學野外實習虛擬仿真實踐平臺

太行山生長著豐富的植物類別，是天然的植物自然標本館。虛擬仿真項目的開展，解決實際教學過程中周期長，實習受天氣影響，學生安全得不到保障的的問題；植物標本館的植物大部分來自學生太行山采集，增強學生的民族自豪感；將植物采集、壓制、鑒定、存入標本館四個階段性操作整合為一個項目，讓學生形成整體意識，為學生畢業(yè)后科研或者工作奠定基礎(chǔ)。

四 環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實踐教學平臺建設(shè)的體會

（一） 做到虛擬仿真實踐平臺與現(xiàn)場實踐互補運用

為最大限度地發(fā)揮虛擬仿真實驗平臺的應(yīng)用能力，虛擬仿真平臺使用應(yīng)緊密結(jié)合生產(chǎn)實習加以使用，在環(huán)境生態(tài)專業(yè)去污水處理廠、固廢處理廠和化工廠專業(yè)實習前，要求學生現(xiàn)行在虛擬仿真平臺上對實習對象進行一個全面的感性認識和總體了解，隨后在現(xiàn)場實踐環(huán)節(jié)中帶著問題學，帶著大局看，滿足學生應(yīng)用實踐多環(huán)節(jié)要求，打破實踐教學時空限制，達到理論結(jié)合實踐，事半功倍的效果。

（二） 積極與企業(yè)建立合作關(guān)系

近年來在虛擬仿真領(lǐng)域涌現(xiàn)了許多有研發(fā)實力的企業(yè)，新建應(yīng)用新型本科院校在建設(shè)虛擬仿真實驗平臺時，在建設(shè)初期因和這些企業(yè)建立接觸，通過產(chǎn)品試用、合作研發(fā)、采購等方式積極引進這些企業(yè)虛擬仿真項目，拓展新建專業(yè)虛擬仿真實踐平臺的資源總量，讓學生多參與、重體驗，在平臺運用中逐步的認識工程實踐的重要作用，為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

（三） 開放共享，形成學校特色

新建環(huán)境生態(tài)專業(yè)應(yīng)大力推進校內(nèi)資源的整合與共享，拓展虛擬仿真實踐教學資源的使用范圍，實現(xiàn)仿真平臺、實驗室教學與教師教科研項目三位一體的全方位共享模式。通過虛擬仿真中心實現(xiàn)專業(yè)虛擬仿真資源的共享和開放。使學生能夠通過校內(nèi)網(wǎng)自主進行選擇和預(yù)約學習。通過校內(nèi)信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)對學生全天候開放，并形成自主管理。同時充分發(fā)揮學校重點學科的建設(shè)優(yōu)勢，與其他具有相似專業(yè)的院校開展廣泛的交流與合作。通過參加國家相關(guān)技能大賽，例如“互聯(lián)網(wǎng)+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“全國大學生生命科學競賽”“北控水務(wù)杯大學生職業(yè)技能大賽”等比賽提高學生的學習和實踐能力。

五 結(jié)語

由于環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)注重實踐教學的特點，在實踐教學中加大虛擬仿真平臺運用，使虛擬仿真實驗平臺教學和傳統(tǒng)教學有機結(jié)合，不僅可解決地方應(yīng)用型本科高校新建工程專業(yè)缺乏綜合性試驗場所、實踐教學經(jīng)費缺乏、實踐教學場地限制、學生學習效果差等現(xiàn)實問題，同時還可通過虛擬仿真教學提高學生對仿真教學的認識水平，提高學生對實踐教學的學習興趣，強化學生的動手和思考能力，提高應(yīng)用型人才的培養(yǎng)效果。通過虛擬仿真實踐平臺建設(shè)進行實踐教學，是一條提高教育信息化的重要途徑。虛擬仿真實踐教學平臺作為傳統(tǒng)實踐教學的有益補充，已成為新建環(huán)境類工科專業(yè)加強教學、提高教學質(zhì)量的重要手段。