大氣污染控制工程信息化實驗教學模式的構建

劉 濤, 李照海, 羌 寧, 徐 斌, 施鼎方, 徐竟成

(同濟大學 環境科學與工程學院 環境科學與工程國家實驗教學示范中心，上海 200092)

大氣污染控制工程信息化實驗教學模式的構建

劉 濤, 李照海, 羌 寧, 徐 斌, 施鼎方, 徐竟成

(同濟大學 環境科學與工程學院 環境科學與工程國家實驗教學示范中心，上海 200092)

針對在大氣污染控制工程專業實驗教學中課前預習不足、實驗條件難于控制、課后開放程度不夠等問題，采用計算機、多媒體、網絡通信等技術構建以課前在校園網上預習3D虛擬仿真實驗，課上數字化監控實驗過程和課后網上在線實驗的開放為核心的三位一體的大氣污染控制工程信息化實驗教學模式。實現了課前沉浸式預習、課上精確監控、課后遠程開放，充分共享實驗教學資源，提高了學生的學習積極性，培養了學生的實踐能力和創新能力。

大氣污染控制； 信息化； 3D虛擬仿真； 網絡在線實驗

0 引 言

根據教育部《教育信息化十年發展規劃(2011-2020)》[1]，高等教育信息化的主要任務是：“進一步加強基礎設施和信息資源建設。重點推進信息技術與高等教育的深度融合，促進教育內容，教學手段和方法現代化，促進高等教育質量全面提高[2-3]。”在大氣污染控制工程信息化實驗教學改革中，使大氣污染控制工程理論知識與3D虛擬仿真技術、數字化技術和互聯網技術結合，建立了多維度立體化的高效教學空間，使大氣污染控制工程實驗的課前預習、課上實驗教學監控[4]和課后開放實踐教學無縫對接。通過互聯網共享大氣污染控制實驗教學資源，為師生提供開放型的實驗教學環境，使得實驗教學在內容、時間及空間等方面得到多維化延伸和融合[5-6]。

1 信息化實驗教學的應用

構建以課前在校園網上預習3D虛擬仿真實驗，課上數字化監控實驗過程和課后網上在線實驗的開放式三位一體的信息化大氣污染控制工程實驗教學模式。下面以有機污染氣體活性炭吸附與脫附實驗為例[7-8]，介紹該信息化實驗教學模式的構建。

1.1 課前3D虛擬仿真實驗

教師根據有機污染氣體活性炭吸附與脫附實驗制作顆粒活性炭吸附凈化乙酸乙酯3D虛擬仿真實驗軟件并發布到實驗教學中心網站上。學生課前通過校園網上進入3D虛擬實驗室并在虛擬的場景下按照該實驗步驟完成整個實驗并網上遞交實驗報告。教師通過仿真實驗室管理平臺進入教師考評系統來查看每位學生操作記錄和點評學生預習的情況，如圖1所示。

1.2 課上數字化監控實驗

在有機污染氣體活性炭吸附與脫附實驗中有8套實驗裝置，每次實驗可以供24名學生分成8組每組3人進行實驗。發現該實驗在脫附環節時，因學生手動控制脫附溫度，造成脫附溫度波動比較大，導致實驗結果不理想，無法繪制穿透曲線。故在計算機上編程溫度精確軟件控制實驗裝置的溫控儀實現一臺電腦可以控制8臺實驗裝置的溫度并記錄相關數據，輔助學生了解實驗過程中數據監測的重要性，便于大家對吸附與脫附過程有更深入的了解。實驗過程如圖2所示。

1.3 課后開放網絡在線實驗

等比例放縮了揮發性有機氣體循環脫附分流回收吸附凈化實際工程[9-10]，建設了有機污染氣體活性炭吸附與脫附的在線實驗系統，該系統包含網上遠程控制模塊、線上虛擬操作模塊、實驗室現場操作模塊、在線監測與監控模塊和線上教師幫助模塊。學生根據在線工程化實驗裝置，自主設計、確定實驗目標，自主選擇實驗內容，現場準備實驗，通過網絡遠程控制實驗過程，在線監測實驗數據，驗證自己的實驗設想。同時在實驗過程中，學生通過線上教師幫助系統與教師互動來解決實驗中出現問題。實驗系統的控制圖和實物圖如圖3所示。

圖3 揮發性有機氣體循環脫附分流回收吸附凈化在線實驗系統

2 信息化實驗教學改革的意義

通過利用先進的計算機技術、多媒體技術、網絡通信技術等信息加工處理傳播技術，將大氣污染控制工程實驗資源數字化，然后通過互聯網和計算機構建了課前網絡預習、實驗課堂實時監控和課后在線開放創新的三位一體的一種新興的實驗教學模式。數字化實驗教學具有多方面的非常突出的優勢，利用信息化可以解決目前實驗教學中存在的很多問題[11-12]。

2.1 實驗教學資源開放與共享

信息化實驗教學的最大優點之一就是可以真正實現實驗資源共享。是因為信息化大氣污染控制工程實驗通過服務器發布在Internet，任何一個學生，在任何時候，任何一個有網絡的環境，都可以通過計算機調用大氣污染控制工程實驗教學軟件和其他資源，從而達到該實驗教學不受課堂、課時和經費的任何限制，真正實現教學資源的開放與共享。如把揮發性有機氣體吸附與脫附的3D虛擬仿真實驗的軟件共享到Internet，學生課前在校園網中提前學習理解和掌握該實驗的目的和原理，演練實驗步驟，帶著問題在實際實驗中驗證，從而解決了僅3～4學時的實驗無法達到充分訓練動手、觀察和思考等實驗技能，提高實驗教學的趣味和效果。

2.2 工程實驗條件精準控制

信息化大氣污染控制工程實驗不僅在教學資源Internet網上開放和共享得到充分體現，也能利用計算機達到軟硬件相結合精準控制實驗條件，使工程實驗課中得到的數據準確，加深學生通過實驗現象來理解實驗原理，利于培養學生的科學研究的能力。如活性炭吸附與脫附實驗在信息化改造前，因每組學生手動控制脫附溫度使各組間的脫附溫度差別很大，所以各組間的實驗數據差別很大，甚至有些組無法繪制脫附的穿透線，影響實驗效果；現在利用計算機統一控制8組脫附溫度，使脫附溫度恒定在160 ℃，上下浮動溫度在1 ℃的范圍內，確保實驗數據的準確性，提高實驗效果。

2.3 緊密結合工程實踐

大氣污染控制工程實驗每學年僅有10幾學時,無法有效培養學生的工程實踐能力。但信息化實驗教學通過網絡中可以把設計實驗和工程實驗結合在一起，避免工程設備難保養、高消耗、高耗能以及危險性等問題，促使實驗原理與工程實踐完美統一，解決現有理論學習與生產實踐相脫節的現實問題。例如，揮發性有機氣體活性炭吸附與脫附在線實驗系統，把工程實際操作引入實驗教學當中，學生利用自己的課余時間虛實結合的場景下完成實驗，師生在線上互動，有助于學生實踐創新能力的提高[13]。現已經完成的創新實驗項目有“氣態揮發性有機物污染控制實驗研究”“活性碳流化床吸附揮發有機物”“合成革混合有機廢氣一步法吸附回收研究”“氣體循環再生干式吸附凈化工藝裝備試驗裝置開發”等。其中“合成革混合有機廢氣一步法吸附回收研究”獲國家級創新實驗項目。

3 結 語

在一個全時空、開放式、可互動的大氣污染控制工程信息化實驗教學環境中學生不僅可以通過網絡提前預習相關實驗并發現問題，帶著問題去實驗并解決，也可以根據在線工程化實驗裝置，自主設計、確定實驗目標，自主選擇實驗內容，在工程實踐中驗證自己的工程設想[14]。這樣的環境為學生提供了個性化發展的條件和空間，激發了學生的學習興趣，有利于培養學生的實踐能力和創新能力，形成了教與學之間的良性互動[15]。

[1] 中華人民共和國教育部.教育部關于印發《教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)》的通知[EB/OL].[2012年3月13日].

[2] 陳天云，張劍平.智能教學系統的研究現狀及其在中圍的發展[J].中國電化教育，2007(2)：95-99.

[3] 鄧 偉，肖國強.基于3G的移動學習[J].軟件導刊，2007(7)：51-63.

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[6] 房成鑫.關于高等院校實驗資源共享的探索[J].實驗技術與管理，2014，31(8)：260-262.

[7] 章非娟，徐竟成.環境工程實驗[M].北京：高等教育出版社，2006.

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[10] 徐勝男，羌 寧，裴 冰.活性炭處理甲苯氣體吸附再生實驗研究[J].環境污染與防治，2007，29(12)：57-63.

[11] 劉 立，張臣文，李文聯，等.網絡實驗教學新模式的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2010，29(2)：53-56.

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[13] 李 平，毛昌杰，徐 進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索，2013，32(11)：5-8.

[14] 劉 佳，徐竟成，黃翔峰，等. 環境科技創新基地培養管理模式的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2012，31(1)：79-81.

[15] 王德利，湯海峰，孟 威，等.數字化實驗教學平臺的構建[J].實驗技術與管理，2014，31(12)：152-154.

Construction of Informatization Experimental Teaching Mode in Air Pollution Control Engineering

LIU Tao, LI Zhaohai, QIANG Ning, XU Bin, SHI Dingfang, XU Jingcheng

(College of Environmental Science and Engineering, Experimental Teaching Demonstration Center of Environmental Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China)

The technologies of computer, multimedia, network communication and so on are used to solve the problems of the lack of preview before class, difficult control of experimental conditions, the diversity of activities after class in the experimental teaching of air pollution control. The combination of previewing 3D virtual simulation experiment on campus network before class, digital monitoring experiment process in the class and experimenting online after classis are used to build up as the core of three-in-one air pollution control engineering experiment informatization teaching mode. Thus, the immersion preview before class, accurate monitoring in the class and remote open after class are realized, experimental teaching resources are fully shared. The students' learning enthusiasm is improved, students’ practical ability and innovation ability are cultivated at the same time.

air pollution control； information technology； 3D virtual simulation； online experiment

2016-07-26

劉 濤(1976-)，男，山東棗莊人，碩士，高級工程師，主要從事大氣污染控制實驗教學及揮發性有機物減排工作。

Tel.：13918717147；E-mail：liutao@tongji.edu.cn

X 51；G 642.0

A

1006-7167(2017)08-0234-03