摘要以環(huán)境類專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程土壤污染與防治為例，探討虛擬仿真技術(shù)在該課程實驗教學(xué)中的應(yīng)用。首先，對該課程教學(xué)模式現(xiàn)狀及引入虛擬仿真技術(shù)的必要性進行分析；其次，對該課程虛擬仿真實驗教學(xué)體系進行構(gòu)建，對基礎(chǔ)性實驗?zāi)K、綜合性實驗?zāi)K和拓展性實驗?zāi)K的教學(xué)方法進行優(yōu)化與探討；最后，對該課程虛擬仿真實驗教學(xué)及考核評價進行設(shè)計。目的在于促進信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，為土壤污染與防治培養(yǎng)專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞土壤污染與防治；虛擬仿真技術(shù)；環(huán)境科學(xué)；綜合性實驗

中圖分類號G642.1；S156文獻標識碼A文章編號1007-7731（2024）18-0128-05

DOI號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

土壤污染與防治是在土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)中發(fā)展起來的一門綜合性交叉學(xué)科，起源于土壤環(huán)境保護的理論與實踐研究，該課程對于構(gòu)建環(huán)境類專業(yè)學(xué)生的知識體系具有十分重要的作用。趙文瑞等^[1]研究認為，實驗教學(xué)是土壤污染與防治課程中不可或缺的一環(huán)，能幫助學(xué)生鞏固理論知識，使其熟練掌握實驗技術(shù)，從而在團隊協(xié)作和實踐操作過程中培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式和嚴謹?shù)穆殬I(yè)態(tài)度。這種全方位的培養(yǎng)模式為學(xué)生今后在環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)正逐漸融入實驗教學(xué)。相較于常規(guī)教學(xué)方式，虛擬仿真提供了互動性的實驗教學(xué)體驗，使學(xué)生身臨其境，極大激發(fā)了其對自主實驗的熱情。許多學(xué)者開展了將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)的研究，王甜等^[2]通過科研項目轉(zhuǎn)化以及與高新技術(shù)企業(yè)合作開發(fā)，建設(shè)了一批高質(zhì)量的生物類虛擬仿真實驗教學(xué)資源，有效實現(xiàn)了教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變以及學(xué)科交叉知識的學(xué)習(xí)和延伸。何淑勤等^[3]以土壤侵蝕原理課程實驗教學(xué)為例，從實驗內(nèi)容、成績考核和教學(xué)方法等方面入手，借助虛擬仿真實訓(xùn)實驗，提高學(xué)生實踐操作能力，并運用“虛實結(jié)合+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，幫助學(xué)生更好地理解和記憶理論知識，提高實踐操作能力。遲寶珠等^[4]綜合利用先進信息技術(shù)與動態(tài)仿真運行平臺，將抽象的理論知識、先進的科研成果和高效的工業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)化為“形象可見”的實驗教學(xué)內(nèi)容，再輔以問題式、翻轉(zhuǎn)課堂、討論式和虛實結(jié)合等教學(xué)方法，有效拓展了實驗教學(xué)的廣度和深度。

本文深入剖析土壤污染與防治課程實驗教學(xué)模式現(xiàn)狀，探討虛擬仿真實驗教學(xué)的功能與優(yōu)勢。結(jié)合土壤污染與防治實驗的獨特性，采用虛擬仿真實驗教學(xué)模式，運用土壤修復(fù)仿真技術(shù)，借助3D建模及其他基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計虛擬仿真實驗環(huán)境。同時，細化考核指標，完善評價體系。目的在于為土壤污染與防治課程虛擬仿真實驗教學(xué)模式的探索與研究提供參考。

1 土壤污染與防治課程實驗教學(xué)模式現(xiàn)狀分析

在常規(guī)實驗教學(xué)模式下，學(xué)生按照步驟進行實驗操作，獲取所需數(shù)據(jù)，隨后將數(shù)據(jù)代入給定公式，得出實驗結(jié)果。孟凡德等^[5]研究指出，該過程可能會使部分學(xué)生難以深入理解實驗背后的原理和意義，可能會形成對實驗知識的片面理解，不利于其在未來研究和探索中的能力提升和視野拓展。張迪^[6]研究認為，土壤污染與防治課程的實驗項目以測試分析為主，實驗過程中涉及的腐蝕性藥品、高溫消煮等操作可能存在一定的安全隱患，容易引起部分學(xué)生的畏難與抵觸情緒，從而影響了實驗效果和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

當(dāng)前，該課程的實驗教學(xué)通常以驗證性實驗較多，學(xué)生按照教師提供的實驗背景、目的、原理和方法進行操作，是一種“告知—驗證—應(yīng)用”的過程。在該模式下，學(xué)生的主動性和創(chuàng)新性有待進一步提升，對抽象知識的理解有待進一步加深。此外，實驗室場地和經(jīng)費也是影響實驗教學(xué)質(zhì)量的重要因素之一。由于場地有限，部分學(xué)生可能無法近距離觀看演示操作，一定程度上影響教學(xué)效果與學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；經(jīng)費有限使部分實驗教學(xué)無法負擔(dān)部分昂貴的試劑耗材，實驗技術(shù)相對簡單，使學(xué)生獲取信息的前沿性有待進一步增強。實驗教學(xué)受學(xué)時的影響，在有限的學(xué)時下，部分學(xué)生在結(jié)束實驗后可能難以重復(fù)實驗過程，對實驗知識的鞏固和應(yīng)用有待進一步加強。

2 引入虛擬仿真技術(shù)的必要性分析

虛擬仿真實驗教學(xué)能夠有效解決當(dāng)前實驗教學(xué)模式存在的困境。首先，虛擬仿真實驗教學(xué)使師生角色發(fā)生轉(zhuǎn)變。教師從知識傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)引導(dǎo)者和輔導(dǎo)者，這意味著教師將更多地聚焦于學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和個性化發(fā)展，通過引導(dǎo)和輔導(dǎo)的方式，幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中遇到的實際問題。虛擬仿真教學(xué)方式不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，還能夠在一定程度上減輕教師的教學(xué)負擔(dān)，提高教學(xué)效率。其次，在虛擬仿真實驗教學(xué)模式下，學(xué)生可以通過模擬實驗環(huán)境，自主進行實踐操作和學(xué)習(xí)，從而加深對知識的理解和掌握；通過大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)推薦和反饋，使教學(xué)更加個性化和精細化；同時，還能夠為學(xué)生提供充足的實驗材料，使其在虛擬環(huán)境中進行實驗操作，既有利于節(jié)省材料，又一定程度上避免了材料損耗。何淑勤等^[3]研究指出，虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)能夠清晰地展現(xiàn)不同地表水、熱狀況下土壤侵蝕發(fā)育過程，為學(xué)生提供安全的實驗環(huán)境，避免了安全風(fēng)險，提升實驗安全系數(shù)。

3 土壤污染與防治課程虛擬仿真實驗教學(xué)體系構(gòu)建

土壤污染與防治課程虛擬仿真實驗教學(xué)整合了問題導(dǎo)入、操作教學(xué)、工藝技術(shù)設(shè)計和工程實施4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，形成了較為全面、系統(tǒng)的教學(xué)體系。楊茜^[7]研究認為，基于虛擬仿真技術(shù)可以構(gòu)建遞進式的實驗教學(xué)體系，這種實驗方式借助了動畫技術(shù)，能夠精準模擬和展示實驗過程中的各種變化，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)并掌握相關(guān)知識。隨著實驗難度的提升，最終形成包括必做實驗和選做實驗在內(nèi)的基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗和拓展性實驗3個教學(xué)模塊，具體如圖1所示。

3.1 基礎(chǔ)性實驗?zāi)K

基礎(chǔ)性實驗屬于必做實驗，核心目標在于鞏固學(xué)生的理論知識，并培養(yǎng)其實際操作能力。實驗內(nèi)容主要聚焦3個核心環(huán)節(jié)：現(xiàn)場土壤布點與采樣、土壤消解實驗以及土壤污染物的測定。該類實驗旨在將理論學(xué)習(xí)與實際操作緊密結(jié)合，讓學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)和理解土壤污染問題的實際狀況。一是現(xiàn)場土壤布點與采樣實驗。不僅要求學(xué)生掌握正確的采樣方法，還需要其理解并學(xué)會在不同的污染現(xiàn)場選擇合適的布點策略，學(xué)會判斷污染程度，識別可能的污染源，合理設(shè)計采樣方案。二是土壤消解實驗。要求學(xué)生精確掌握各種化學(xué)試劑的使用和反應(yīng)條件。呂貴芬等^[8]依托虛擬仿真平臺，對土壤消解及土壤水浸提液制備等基礎(chǔ)操作開展虛擬仿真實驗，使學(xué)生掌握將土壤樣品轉(zhuǎn)化為適合分析形式的方法，并對土壤中污染物進行初步識別和篩選。三是土壤污染物的測定實驗。要求學(xué)生使用先進儀器和技術(shù)，如色譜儀、質(zhì)譜儀等，對消解后的土壤樣品進行詳細的化學(xué)分析。通過這一系列基礎(chǔ)性實驗，學(xué)生不僅能夠深入理解土壤污染問題的復(fù)雜性和嚴重性，還能在實踐中鍛煉其實驗設(shè)計和操作能力，強化基礎(chǔ)知識，熟悉并掌握基本的實驗技能，充分鍛煉動手實踐能力。

3.2 綜合性實驗?zāi)K

綜合性實驗屬于必做實驗，主要目標在于提高學(xué)生的綜合設(shè)計實驗?zāi)芰?，增強其實踐能力和創(chuàng)新思維。該實驗?zāi)K教學(xué)內(nèi)容主要包括3個環(huán)節(jié)：土壤穩(wěn)定化設(shè)計、阻隔防滲施工工序操作以及化學(xué)穩(wěn)定化施工工序操作。這些環(huán)節(jié)能夠使學(xué)生全面了解并掌握實驗設(shè)計的全過程。一是土壤穩(wěn)定化設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生利用所學(xué)的土壤力學(xué)、材料力學(xué)等知識，對土壤進行穩(wěn)定化處理，提高其強度和穩(wěn)定性。二是阻隔防滲施工工序操作環(huán)節(jié)，學(xué)生需要了解并掌握阻隔防滲的原理和技術(shù)，通過實際操作，了解施工過程中的注意事項和技巧。三是化學(xué)穩(wěn)定化施工工序操作環(huán)節(jié)，學(xué)生利用一定的化學(xué)知識原理和實驗技能，通過實際操作，對施工現(xiàn)場的土壤進行穩(wěn)定化處理。遲寶珠等^[4]研究認為，從實驗設(shè)計到現(xiàn)場操作，從獨立實驗到協(xié)作實驗，綜合性實驗?zāi)K為學(xué)生提供了一個全面系統(tǒng)的學(xué)習(xí)平臺。通過該平臺，學(xué)生的動手能力和實際操作能力得到不斷增強，在實踐中不斷積累經(jīng)驗，提高實驗技能水平和綜合素質(zhì)。同時，通過團隊協(xié)作，還可培養(yǎng)其溝通能力和團隊協(xié)作精神，為后續(xù)的職業(yè)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

3.3 拓展性實驗?zāi)K

拓展性實驗是選做實驗的重要組成部分之一，目標在于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計和研究能力。該模塊實驗教學(xué)內(nèi)容多樣且深入，其中化學(xué)與生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的設(shè)計較為重要。在實驗教學(xué)中，學(xué)生需要深入研究土壤的性質(zhì)，了解初始污染物的濃度和目標濃度。這需要學(xué)生結(jié)合理論知識對土壤進行細致分析。選擇合適的穩(wěn)定化劑，并精確計算穩(wěn)定化劑的投加量。該過程不僅考驗學(xué)生的理論知識掌握程度，更要求其具備嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度和精細的實驗操作技巧。學(xué)生利用所學(xué)的相關(guān)植物修復(fù)性能知識，從超累積植物中進行篩選，并考慮植物的生長環(huán)境、生長速度和修復(fù)效果等多個因素，這要求其掌握豐富的植物學(xué)知識，具備靈活的思考能力和科學(xué)的決策能力。學(xué)生根據(jù)前序選擇的植物進行超累積植物的種植量計算，選擇植物的間種設(shè)計，綜合考慮土壤、植物及穩(wěn)定化劑等多個因素，設(shè)計出較佳的修復(fù)方案。在該過程中，學(xué)生需要具備一定的獨立思考能力和創(chuàng)新科研能力。拓展性實驗?zāi)K通過協(xié)同兩種以上的修復(fù)方法，讓學(xué)生在實踐中學(xué)習(xí)、在實踐中創(chuàng)新，真正實現(xiàn)了從理論學(xué)習(xí)到實踐應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。楊茜^[7]研究認為，這一教學(xué)模式不僅提高了學(xué)生的實踐能力和科研能力，更激發(fā)了其創(chuàng)新精神和獨立思考能力，為培養(yǎng)科研人才奠定了堅實基礎(chǔ)。

4 土壤污染與防治課程虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計

土壤污染與防治課程虛擬仿真實驗教學(xué)過程圍繞實驗準備、實驗條件設(shè)計、虛擬仿真教學(xué)、效果分析評價和實驗報告總結(jié)5個功能展開。

（1）實驗準備。張迪^[6]通過典型案例分析，在實驗開始前讓學(xué)生了解土壤污染的成因及其復(fù)雜性，以及不同種類污染土壤的修復(fù)技術(shù)與工藝。為提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和預(yù)習(xí)效果，教師還可將理論知識點、主要流程及操作要點制成試題庫，供學(xué)生提前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。學(xué)生提前對土壤污染與防治的基本理論知識和實驗流程有較為清晰的認識，為后續(xù)的實驗操作奠定基礎(chǔ)。

（2）實驗條件設(shè)計。采用角色扮演教學(xué)法，讓學(xué)生扮演“巖土工程師”“土壤工程師”或“生態(tài)工程師”等角色，分別開展污染源防滲阻隔墻的設(shè)計、化學(xué)穩(wěn)定劑選擇、土壤穩(wěn)定化方案設(shè)計、超累積植物和低累積植物的選擇及間種設(shè)計。這種跨專業(yè)、合作式的設(shè)計方式，可以幫助學(xué)生更好地理解土壤污染防治的多個方面，同時培養(yǎng)其團隊協(xié)作能力。

（3）虛擬仿真教學(xué)。進入虛擬仿真實驗教學(xué)模塊，通過對土壤污染源的阻隔與土壤生態(tài)修復(fù)施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行分解，將污染源阻隔工程、化學(xué)穩(wěn)定化過程和生態(tài)修復(fù)過程劃分為若干情境要素。借助虛擬仿真資源和技術(shù)，從聲音、圖像和實物三類資源中建立情境，實現(xiàn)對施工工藝、機械以及進程的全過程模擬。浸入式學(xué)習(xí)場景可以讓學(xué)生更加直觀地了解土壤污染防治技術(shù)與工藝，提高其實踐操作能力。

（4）效果分析評價。采用線上線下混合式教學(xué)法，通過線上觀看實驗視頻和操作，讓學(xué)生熟悉實驗操作步驟，減少實驗失誤；線下進行實驗操作、分析測試和數(shù)據(jù)分析，加強其動手操作能力，使其更好地理解污染物在土壤和植物中的遷移轉(zhuǎn)化過程。通過線上線下結(jié)合的方式，參考劉東友等^[9]構(gòu)建的實驗教學(xué)考核評價體系，分別對實驗秩序、實驗操作、實驗效果、實驗報告、儀器保養(yǎng)和實驗室衛(wèi)生等項目當(dāng)堂賦分，以全面評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，為后續(xù)的教學(xué)改進提供參考。

（5）實驗報告總結(jié)。學(xué)生以小組為單位將整個虛擬仿真實驗項目的理論學(xué)習(xí)、實驗操作和工藝設(shè)計等導(dǎo)出并存檔；教師對總結(jié)報告進行綜合評分。為方便學(xué)生撰寫實驗報告，虛擬仿真實驗教學(xué)平臺內(nèi)置了實驗報告模板，包括實驗?zāi)康暮鸵?、實驗原理和知識點、實驗過程和步驟、實驗結(jié)果分析及實驗反思等內(nèi)容。此外，還可以調(diào)取相關(guān)實驗數(shù)據(jù)自動生成部分模塊，以滿足學(xué)生的個性化訴求。這種教學(xué)方式不僅培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和深度理解能力，還激發(fā)了其創(chuàng)新思維。

5 土壤污染與防治課程虛擬仿真實驗考核評價設(shè)計

首先，虛擬仿真系統(tǒng)能夠全面追蹤實驗步驟的詳細數(shù)據(jù)，精準評估實驗的規(guī)范性以及學(xué)生在實驗過程中的知識獲取能力。通過詳細的實驗過程記錄和效果分析評價，為實驗教學(xué)方法、實驗設(shè)計等方面的改進提供參考。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的考核方式可以確保評價的客觀性和準確性。其次，在評價體系方面，采用教師評價與學(xué)生互評相結(jié)合的方式。張永生^[10]通過教師評價，圍繞實驗預(yù)習(xí)、技能操作、數(shù)據(jù)分析、實驗成效、創(chuàng)新設(shè)計以及問題解決6個關(guān)鍵維度展開教學(xué)評價，以全面反映學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力水平。學(xué)生互評則主要在實驗小組內(nèi)部進行，著重評價其在實驗過程中的態(tài)度、團隊協(xié)作能力以及個人貢獻度。通過細化考核指標，構(gòu)建一個更加完善、科學(xué)和多元的考核評價體系。例如，對于實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，可以設(shè)置預(yù)習(xí)完成度、預(yù)習(xí)質(zhì)量等指標；對于技能操作環(huán)節(jié)，可以設(shè)置操作熟練度、操作規(guī)范性等指標；對于數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，可以設(shè)置數(shù)據(jù)處理能力、分析準確性等指標。通過具體的考核指標，更加精確地評估學(xué)生在各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)和進步情況。

綜上，本文針對土壤污染與防治課程實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，設(shè)計了虛擬仿真實驗平臺，逐步細化了實驗過程，涵蓋實驗準備、條件設(shè)計、仿真學(xué)習(xí)、評價優(yōu)化和實驗報告5個方面。通過構(gòu)建突破時空限制的污染土壤虛擬仿真實驗環(huán)境，以“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”為標準，全面優(yōu)化了實驗教學(xué)內(nèi)容、方法和評價體系；增加了個性化和創(chuàng)新性的實驗?zāi)K，逐步提高了實驗教學(xué)的深度和延展性；完善了考核評價體系，重視過程和綜合評價；增強了虛擬現(xiàn)實交互性，提高了師生互動性，幫助學(xué)生建立不同層級的管理思維。為提升實驗教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新精神，培養(yǎng)更多優(yōu)秀的應(yīng)用型人才提供參考。

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（責(zé)任編輯：楊歡）