基于虛實結合的大氣污染控制實驗教學模式研究與探索

劉濤　繆海超　羌寧　李照海　曹翌奇

摘 要 針對傳統實驗教學模式中存在的時空受限、設備條件落后、實驗安全性等問題，利用3D虛擬仿真技術，設計形成了“虛實結合”的實驗教學新模式。本文以實驗“旋風除塵器性能測定”為例，分別從課前線上預習、線下實際實驗操作、工程設計、工程仿真搭建、線上復習及報告提交五方面進行詳細介紹。該模式可在一定程度上解決傳統實驗教學模式中存在的一些弊端，為學生提供一個更為寬松自由的學習環境，培養學生實際工程問題分析與解決能力，進一步培養學生創新工程思維。

關鍵詞 3D虛擬仿真 虛實結合 大氣污染控制 實驗教學

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

0引言

《大氣污染控制工程》作為環境工程專業的主干課程，需要結合多門專業基礎課程的相關知識，因此，為學生的學習與掌握提出了較高層次的要求。《大氣污染控制工程實驗》作為大氣課程中的一個重要部分，可加強學生對理論知識的認識與理解。但是，在實驗教學過程中，如何培養學生自主學習的能力、有效提高實驗的教學效果，培養出環境工程領域中的高尖端人才顯得尤為重要。

隨著電子信息技術的不斷發展，日趨成熟的3D虛擬仿真技術已逐步應用于教學領域，彌補了傳統實驗教學的不足，為打造虛實結合的實驗教學提供了可能。本文以“旋風除塵器性能測定”實驗為例，詳細介紹了虛實結合的新實驗教學模式以及該方式的效果與意義。

1虛實結合的實驗教學模式

我院利用3D虛擬仿真技術，自主開發了實驗仿真軟件，并結合傳統的實驗教學方式，發展形成了一套虛實結合的實驗教學模式。學生課前通過虛擬仿真實驗進行相關理論知識的初步學習和理解，課上通過實際操作進一步掌握該知識，然后在相關工程設計的基礎上，在系統中完成工藝流程圖，在3D場景下完成虛擬現實工程建設、調試、運行，最后再通過線上復習充分掌握相關技能并完成相關考核，從而實現課前預習、課上操作和課后復習的完美銜接。3D虛擬仿真操作系統是根據真實實驗場景而設計，讓學生切身體會完整的實驗過程，包括實驗流程的搭建、實驗各步驟的具體操作，最后可得到相應的實驗結果，以便于學生在課余時間自主進行預習和復習，對實驗有充分地理解和認知。

1.1線上理論學習

學生通過校園網絡進行虛擬仿真訓練，其主界面如圖1所示，學生可選擇不同的實驗項目進行訓練。本文以實驗“旋風除塵器性能測定”為例，首先，學生需要在課前完成相關理論內容的學習，界面如圖2所示，學生可學習實驗所需設備的詳細介紹，如設備組成、工作原理等。學生還可查看旋風除塵器各組成部件的相關信息，對于設備有更為清晰深刻的認識。學生通過線上系統的多次操作，可大大提高對實驗的理解。

此外，該系統采用交互式的設計，學生可在線上操作的過程中，系統會自動提示其操作不當之處，對于不理解的地方，學生也可隨時進行提問。教師也可利用該系統查看學生的預習使用情況，解答學生的疑惑，并可將其情況作為平時成績的一部分。

1.2實際實驗操作

關于“旋風除塵器性能測定“的實驗，本院有8套實驗裝置，每次實驗可供8組每組3人進行實際實驗操作。學生按照課前的線上練習及老師的現場指導，完成整體的實驗過程，使用集流器流量計測定氣體流量，采用微壓計測量進出口斷面靜壓差，從而計算除塵器阻力，通過重量法計算除塵效率，從而掌握旋風除塵器進口風速與除塵器阻力、效率以及進口濃度對除塵效率影響之間的關系。

1.3工程設計

本模塊實行“任務驅動，自主設計”的原則，學生參考實際項目設置實驗任務，自主設定實驗參數，根據設計基本資料、設計任務和設計原則進行相關計算，完成旋風除塵器的整體設計計算。這一方式可讓學生遵循基本的設計思路和設計方法，自主進行流程設計和設備選擇，培養了學生解決綜合復雜工程問題的能力，強化了學生的創新創造思維。與此同時，在設備運行模塊中，學生可以通過對各個參數的設置，如進氣口風流速度、粉塵狀況等，研究不同的操作條件對于旋風除塵器除塵效率的影響，如圖3。借助虛擬仿真實驗技術，可以實現零成本、快速地按照設計或計算得到的參數對設備進行調整，然后在改造后的虛擬實驗設備上開展后續工程操作，通過虛擬實驗來驗證設計和計算的正確性，以確定下一步的設計方案。

1.4工程仿真搭建

該模塊包括工藝線路圖設計、3D工程場景展示、工程調試運行三個模塊。學生在2D操作界面自主選擇設備完成工藝路線圖的設計，并構建相應3D工程場景，如圖4。在3D場景中控制設備運行參數完成工程調試運行和異常情況的緊急處理，達到考察學生工程應用能力的目的，突破時間和空間對復雜工程實驗教學的限制，更好地滿足學生綜合探索能力和工藝調控能力需要。

1.5線上復習及報告提交

為方便及時鞏固相關知識，該系統課后仍舊對學生開放，學生可根據自身的實際情況，針對自己仍未掌握的部分進行線上操作理解。在熟練掌握實驗方法后，學生可在網上根據要求填寫實驗報告，教師根據其報告質量進行評級，這一部分等級可占據總成績的一定比例。

由于學生人數眾多、設備不足，因此傳統的實驗教學模式通常采用實驗報告的方式進行成績評定，但是這一方式無法準確評價教學的質量效果以及學生的掌握程度。我院開發的該系統可以實現期末的線上實驗考試，學生可登入相關考試系統，在規定時間內完成實驗裝置搭建、參數設定等一系列操作，一方面可以較好地反映學生的動手能力和知識掌握能力，另一方面，老師也可直接在線上系統中對學生進行成績評定。

2虛實結合的實驗教學模式的效果與意義

2.1突破傳統實驗教學的時空限制

由于傳統的實驗教學具有課時短、儀器少、場地不足等缺陷，通常只能允許多人操作一臺設備，大大降低了學生的人均操作時間，嚴重影響了學生學習的積極性，從而導致實驗教學成果不理想。而3D虛擬仿真實驗則完全不受時空的限制，學生可自由地在線上操作儀器設備，熟悉各個操作步驟，彌補教學時間短、操作機會少的情況，也可通過仿真實驗進行充分的課前預習和課后復習，進一步加強了實驗教學效果。

2.2降低實驗的危險性

對于大氣實驗而言，很多物質都具有有毒有害易燃易爆的特性，這便不利于學生的實際操作，若操作過程出現疏忽，則很大程度上會帶來危險。而3D虛擬仿真實驗則大大降低了實驗的危險性，線上操作的過程不受實驗物質、實驗流程的限制，操作風險小、危害小，也同樣能促使學生達到理解實驗原理、掌握操作步驟、注意特殊事項的效果。

2.3耗時實驗短期化

對于部分實驗而言，存在實驗周期長、實驗成本高等問題，例如活性炭的吸附實驗，大都需要好幾個小時，且其大部分吸附過程都為等待時間，而現場的實驗課時通常較短，長時程的實驗會大大降低實驗效率，嚴重影響實驗教學效果的呈現。而3D虛擬仿真實驗不受時間的約束，可大大減少實驗工程中的等待時間，保證實驗流程的緊湊性，大大提高課堂的效率。

3結語

在《大氣污染控制工程》的實驗課教學中，通過引進3D虛擬仿真技術，實現虛實結合的新型實驗教學模式，有利于為學生提供更為豐富的教學資源，學生也可通過線上虛擬仿真訓練提前預習了解實驗內容，帶著問題進行實際操作，并在課后進行及時復習，可形成一套“線上理論學習→實際實驗操作→工程設計→工程仿真搭建→線上復習及報告提交”的體系。該模式可突破實驗室實驗的約束，融入工程設計和工程實踐的相關內容，使實驗軟件內容更加綜合化，能夠適應不同層次、不同類型的學生學習使用。由互聯網的應用，使用虛擬仿真實驗軟件可突破教學時間和空間的限制，學生可隨時隨地利用網絡參與到實驗教學活動中，從而調動學生（下轉第121頁）（上接第98頁）學習的積極性和主動性。

基金項目：2017年同濟大學第10期精品課程項目。

作者簡介：劉濤（1976-），男，漢族，山東棗莊人，碩士，高級工程師，研究方向：大氣污染控制實驗教學及揮發性有機物減排。

參考文獻

[1] 王莉，方應國.“大氣污染控制工程”實踐教學改革初探[J].浙江樹人大學學報（自然科學版），2013（04）：57-59.

[2] 曹鵬，孫萍，武占省等.大氣污染控制工程實驗課程教學改革探討[J].課程教育研究，2013（10）：28.

[3] 萬桂怡，崔建軍，張振果.高校虛擬實驗平臺的設計及實踐[J].實驗室研究與探索，2011（03）：397-400.

[4] 馬馳，王開宇，程春雨等.基于教育信息化的實驗教學和實驗管理新模式[J].實驗技術與管理，2017，34（06）： 139-142.

[5] 丁美榮.虛擬實驗與真實實驗整合的計算機網絡研究性實驗教學探究[J].實驗技術與管理，2011，28（05）：163-166.

[6] 蘭水華，丁麗麗，張寶軍等.“虛實結合”實驗教學模式的研究與實踐[J].實驗室科學，2006（03）：14-16.

[7] 劉濤，李照海，羌寧等.大氣污染控制工程信息化實驗教學模式的構建[J].實驗室研究與探索，2017，36（08）： 234-236.

[8] 尹云波，常坦祥，孫宏敏.旋風除塵器除塵效率的影響因素探討[J].安徽建筑大學學報，2014（05）：46-49.

[9] 段鳳魁，郝吉明，王書肖等.大氣污染控制工程實驗課程建設探討[J].實驗技術與管理，2015，32（09）：6-8.

[10]? ?魯選人，陳冠益，童銀棟等.三維仿真技術在大氣污染創新實驗教學的應用[J].高校實驗室工作研究，2016（04）： 9-11.

[11]? ?蔡丁友.優課虛擬仿真實驗室在化學實驗教學中的應用[J].教育信息技術，2013（06）：13-15.

[12]? ?劉亞豐，余龍江.虛擬仿真實驗教學中心建設理念及發展模式探索[J].實驗技術與管理，2016，33（04）：108-110.

[13]? ?李莉，張英，成軍等.分子生物學虛實結合實驗教學模式的初探[J].實驗室研究與探索，2016，35（10）：225-227.

[14]? ?譚穗懿，段文軍，劉利紅等.基于虛擬實驗的創新藥物分析實驗教學模式探討[J].中國教育技術裝備，2013（21）： 131-133.