環境工程“新工科智慧教學”模式設計與探索

呂慧 趙姍姍 孫連鵬 金枝 王詩忠 陳承

摘 ?要：在新工科和雙一流建設背景下，在以互聯網為核心的智能時代，探索現代信息技術與環境工程新工科教育的深度融合，是深化高等工程教育改革的關鍵。文章以培養復合型環境工程人才為目標，以解決復雜環境污染問題、全面推進生態文明建設為導向，從調動學生自主學習興趣出發，設計并探討了環境工程“新工科智慧教學”的新模式。將虛擬仿真、虛擬現實、增強現實、大數據等新興技術融入到環境工程專業課堂、實驗與實踐教學中，結合多元化的教學手段與方法，建設智慧課堂。同時，設計“課堂-實驗-實習-工廠-仿真”一體化云端智慧教學新模式，打造“教學、科研、培訓、開發”一體化智能教育平臺，從而激發學生的學習興趣，全面提升學生的學習能力和解決實際問題的能力，實現實驗、實踐教學資源的共享。

關鍵詞：環境工程;新工科;智慧教學;虛擬仿真;虛擬現實;增強現實

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）33-0006-05

Abstract： Under the background of construction of "Emerging Engineering" and "Double first-class" university and in the age of intelligence， integration of modern information technology and emerging engineering education is the key to the reform of higher engineering education. In this study， a new mode of "emerging engineering intelligent education" for Environmental Engineering was designed and discussed in order to train compound environmental engineering students， solve complex environmental pollution problems and promote ecological civilization construction in an all-round way. In the intelligent education， emerging technologies such as virtual simulation， virtual reality， augmented reality and big data were integrated into the classroom， experiment and practice teaching. Meanwhile， the "classroom， experiment， practice， factory and simulation" integration cloud education mode and the "teaching， research， training and development" integrated intelligent education platform were also designed. The new intelligent education mode based on modern information technology will stimulate the students' interest in learning， improve the students' learning ability and their ability to solve practical problems. The intelligent education platform also can realize the sharing of the experimental and practical teaching resources.

Keywords： Environmental Engineering; emerging engineering; intelligent education; virtual simulation; virtual reality;augmented reality

環境工程是一個實踐性和應用性非常強的多學科交叉的新興學科，是戰略新興產業涉及的重要學科之一。近年來，隨著我國經濟的快速發展和環境治理的相對滯后性，各種復雜的環境污染問題日益突出，亟需先進的污染治理技術以及卓越的環境工程專業人才來解決復雜的生態環境問題，從而推進生態文明建設。環境工程專業主要培養能夠運用工程學、物理學、化學、生物學等基礎學科的理論和方法，從事水、土、氣、固廢、噪聲和其他污染的控制和治理，以及環境監測和管理等方面的高層次復合型人才。由于環境工程專業多學科交叉融合的特點及其較強的實踐性和創新性要求，培養的人才除了具備扎實的理論基礎外，還應具備較強的實踐能力和創新能力，而傳統的環境工程教育教學模式和方法，難以滿足創新性、高層次、復合型新工科人才培養的要求[1]。隨著互聯網時代和智能時代的到來，人工智能、云計算、物聯網、虛擬現實/增強現實、數據挖掘等新興技術為工科教育教學模式和方法的更新，帶來了新的契機和活力[2]。在新形勢下，面對日益復雜的環境問題，如何將這些新興技術與環境工程專業的教育教學深度融合應用與創新，為響應國家“全面推進生態文明建設”重大戰略需求，培養具有“德才兼備、領袖氣質、家國情懷”、具備創新創業實踐能力、工程領導力、數字化能力等多方面綜合素質的復合型環境工程人才，是環境工程學科在新工科建設中亟待解決的問題[3]。此外，當突發重大公共安全衛生事件（例如新冠肺炎疫情）、環境污染事件時，現場理論和實踐教學難以實現，而基于互聯網的信息化教學模式將為人才培養搭建更為廣闊的平臺。因此，本文以培養復合型環境工程創新人才為目標，以解決復雜環境污染問題、全面推進生態文明建設為導向，設計和探討智能時代下環境工程專業課堂、實驗與實踐教學模式和方法的改革與創新，以期深度融合大數據、云計算、虛擬仿真、虛擬現實和增強現實等新興技術到未來環境工程專業的教育教學中。

一、傳統教學模式存在的問題

（一）教學內容更新較慢

面對日益復雜的環境污染問題，各種污染治理新技術和新理論層出不窮，但是，專業基礎課程教材內容的更新往往滯后，難以滿足復合型人才培養的需求[4]。同時，由于青年教師實踐經驗的有限，往往在理論課授課時，無法及時與學生分享教材中未涉及的最新工程案例，導致課堂教學僅僅局限于教材內容的講授，缺乏實踐教學內容。教材和教學內容更新的滯后性，使得學生理論學習與實際應用有一定的分隔。

（二）理論課教學模式的單一

目前，理論課的教學模式多采用“ppt+板書”的形式。環境工程是應用性非常強的學科，而課本上關于各種處理構筑物和設備的介紹以及環境污染治理理論只能通過文字和圖片的方式呈現，直觀性差，枯燥乏味，難以被學生理解和掌握。這種“填鴨式”的單一輸入教學模式，學生缺乏學習興趣，學習主動性差，這與新工科建設理念不相符。因此，亟需開展多樣化和立體化的教學新模式，借助“互聯網+”，將智慧教學新模式和新理論引入到傳統課堂教學中，激發學生的學習興趣，提高學生自主學習的能力。

（三）實驗實踐課教學資源有限

傳統環境工程實驗教學都是一些基礎實驗，由學生多人分組進行，由于設備數量和規模有限，難以保障實驗教學效果。而且，對于一些高危險、高成本、高消耗和高污染的實驗，基本無法開展。再者，對于生產實踐活動，由于工廠企業的很多大型、精密或具有危險性的設施和設備無法提供給學生進行實際操作，導致學生只能“走馬觀花”式的對工藝流程和處理設備進行一個膚淺的外觀認識，無法深入了解設備裝置特點和操作要點，對于設備內部結構和工藝運行參數認識不清，掌握不深刻，學生參與度低，實習實踐效果非常差。學生工作后，需要重新經歷一個實踐學習的過程，難以滿足環保產業發展的趨勢與區域建設戰略的需求。因此，亟需對當前的實驗實踐教學模式進行改革，以期真正實現專業知識與實驗實踐相融合，全面提升學生的實踐能力和解決問題的能力。

身處互聯網為核心的智能時代，環境工程新工科的發展需要探索現代信息技術與環境工程教育的全面深度融合，以信息化引領教育理念和教育模式的創新。

二、智能時代環境工程“新工科智慧教學”的設計與探索

（一）基于“互聯網/虛擬現實（VR）/增強現實（AR）+教育”課堂教學新模式設計

1. 基于“互聯網/VR/AR”的智慧課堂建設，增強課堂教學的生動性和互動性

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是指采用計算機模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶包括聽覺、視覺和觸覺等感官在內的模擬，使其感覺仿佛身臨其境[5]。由于VR具有沉浸性、交互性和想象性的特點及優勢，近年來發展迅速，在教育、軍事、科研、醫學和娛樂等諸多領域具有廣泛的應用[6-7]。增強現實（Augmented Reality，AR）技術是在VR基礎上發展起來的一項新興技術，它將計算機虛擬場景融合到真實世界中，對真實世界的內容進行補充，從而使用戶對真實世界的感官和認識加強[8-9]。將虛擬仿真、VR、AR等技術引入到新工科的教學中，建設包括常規課堂教學的教師區、學生區、多屏互動教學區、沉浸式體驗教學區和混合現實互動教學區等的“智慧教室”（如圖1所示），并融合多元化的教學方法，開展“智慧課堂”的全新教學模式。

基于“智慧課堂”的全新教學模式，我們設計了“課前預習-課堂案例分析-課后擴展閱讀”三位一體的教學方案（如圖2所示）。建構主義理論指出，真正的學習發生在學生主動參與學習的過程中，知識是學生通過一定情境下的自主學習和自我建構獲得的。理論課前，教師可以將學習內容通過微信公眾平臺推送給學生，學生通過自己閱讀相關資料以及學習在線課程（慕課），對基本知識點進行主動學習;課堂上，授課教師針對教學內容的重點和難點進行深入解析，并借助虛擬仿真模型、VR/AR技術進行技術原理的可視化講解，并進行工程設計案例或者實踐案例分析，激發學生的學習興趣、提升學生學習的主動性，以直觀的可視化方式或沉浸式體驗方式使學生對基本知識點掌握的同時，提升綜合運用的能力，以期做到對知識點的融會貫通，理論和實踐相結合。例如，北京科技大學開發了基于AR技術的“POU繪——立體課堂”，通過手機攝像頭掃描平面圖形，利用圖像識別與立體呈現技術，可以直接將平面圖轉化為三維物體，從而增強學習過程的互動性，實現從2D講解到3D講解的轉換[10]。對于環境工程基礎課程給排水管網工程，通過AR的三維轉換，管網布置的3D圖可以躍然紙上，立體展示可以幫助學生進行分析和理解。例如，在講授水污染控制工程課程中的氣浮法原理時，可以采用沉浸式VR的漫游教學，在沉浸式體驗教學區，學生仿佛置身于氣浮池中，可以直觀觀察到氣泡與顆粒物之間的黏附過程以及“顆粒-氣泡”的上升過程，體驗顆粒物被上浮去除的全過程。在講授水污染控制工程中各個污水處理構筑物的工作原理與設計時，可以借助虛擬仿真軟件，對構筑物進行拆解與組裝，使學生形象地掌握重要的設計標準與規范（如圖3、圖4所示）。

2. 多元化現代信息技術教學資源開發，助力“智慧課堂”的開展

（1）基于微信公眾平臺，將學科前沿引入到理論教學中，提升學生的科研興趣

在教學中，建設課程的微信公眾號，將最新研究進展推送給學生學習。同時教師可以引導學生分組以某一學科前沿作為主題進行最新文獻檢索，學生通過自學、討論、協作、互動等方式，自主學習學科前沿進展，并做成微信推文，分享到課程公眾號，與其他同學和教師進行互動。例如，環境工程進展課程建設了“SYSU環境工程進展”微信公眾號，在講授膜分離前沿技術時，圍繞著“超薄分離膜用于污水處理與海水淡化”這一主題，學生分組查閱最新文獻，撰寫新聞稿，進行微信推送（如圖5所示）。課堂上，教師和學生針對推文內容進行前沿技術的講解。這種“以學生為中心、以探究性學習為基礎”的翻轉教學，充分激發了學生科研的興趣，提高了學生學習的主動性，鍛煉了學生文獻閱讀、翻譯以及表達的能力，同時培養了團隊協作的能力。

（2）基于大數據模擬環境污染修復全流程，培養學生的家國情懷

由于環境污染修復是一個相對漫長的過程，例如土壤修復、黑臭水體修復、湖泊富營養化治理等，課堂授課教師通常只介紹相關修復技術與治理方案，很少有可視化案例分享，學生對此類修復技術僅僅停留在書本的文字介紹上?？梢岳么髷祿α饔蚧蛘咄寥牢廴拘迯腿^程進行動態模擬，快速動態呈現污染修復的全過程，讓學生實實在在地感受到環境被污染的可怕、修復的不易、以及綠水青山重現時的喜悅，培養學生的環保精神和家國情懷，增強學生的專業自豪感和責任感，使學生牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的發展理念。

（二）基于“虛擬仿真/虛擬現實（VR）/增強現實（AR）”的實驗實踐課智慧教學新模式設計

1. 基于“虛擬仿真、VR、AR技術”的智慧實驗教學，全面提升學生實驗動手能力

傳統環境工程實驗教學受諸多因素限制，例如實驗儀器或模型構筑物占地面積大、維護費用高;實驗分組人數過多、難以實現一人一設備;并且實驗課程具有一定的危險性，存在“三廢”處理問題，使學生無法真正得到有效地培養與訓練。借助于虛擬仿真、VR和AR手段，使不可及、不可視、高風險和高污染等操作過程變得直觀、形象，具有可操作性，有效地解決了學生實驗動手難的問題。學生可以先在虛擬仿真實驗平臺熟悉儀器裝置、認識流程及控制方案，在線虛擬操作，再到實驗室進行真實操作，大大降低了設備的損壞風險，節約維護成本。同時，借助基于AR技術，學生在上實驗課時，通過手機APP掃描儀器的相應位置，可以直觀、立體地學習儀器原理和操作步驟。例如，學生在學習如何使用氣相色譜時，用手機攝像頭掃描色譜柱，色譜柱的三維模型結構就會顯示，教師可以結合三維模型，講解色譜柱的工作原理。

2. 基于虛擬仿真實習工廠，提升學生實習實踐能力

生產實習是將理論學習與實踐認知相結合的階段，通過生產實習，學生對理論知識應該有更深入的理解。然而，傳統的生產實習，學生大多停留在走馬觀花式的參觀構筑物外觀階段，很難將所學的基本理論運用到實踐中，更難進行實踐操作。虛擬仿真和VR技術可以為生產實習的開展，提供有力的補充?；谔摂M仿真工廠，學生可以十分逼真地模擬現場操作。通過改變運行參數，學生可以了解設備整個運行和維護的全流程，并且通過虛擬仿真，學生可以試錯，從而有效避免實際生產中各種事故的發生。此外，通過VR漫游系統，學生可以在虛擬工程項目中反復觀察，沉浸式體驗，不受安全性等因素的限制。這種基于虛擬仿真和VR技術的智慧實習，可以提高學生學習的興趣和主動性，培養學生創新思維和工程意識。我們通過構建“教室-實驗室-工廠”三位一體的工程教育資源，可以實現“將工廠搬進學?！钡睦砟?。這種“拓展綜合、隨需而變、虛實結合、啟迪創意”的全新工程訓練體系，可以顯著提高學生實踐動手能力和解決實際問題的能力，為將來進入企業打下堅實的基礎，實現畢業生的“零距離”就業。

3. 基于5G建設“課堂-實驗-實習-工廠-仿真”的一體化云端智慧教學新模式，實現教學實驗實踐資源共享

隨著5G時代的到來，我們可以把所有教學內容和教育資源進行整合，開展具有擴展性、兼容性和前瞻性的“課堂-實驗-實習-工廠-仿真”一體化云端教學。學生可以通過手機客戶端，登錄仿真教學軟件，隨時隨地針對環境工程理論進行學習，進行虛擬實驗操作，并實現工廠中的角色扮演，進行設備調試、運行，以及運行中事故的模擬與分析，強化實踐技能。同時，通過云端智慧教學模式，不僅可以實現教育資源高校內共享，同時也可以實現企業員工的培訓，打造“教學、科研、培訓、開發”一體化的國內外智能教育一流平臺。

三、展望

環境工程是一門交叉性和應用性非常強的學科。面對日益復雜的環境問題和日新月異的先進技術，身處互聯網為核心的智能時代，將“虛擬仿真、虛擬現實、增強現實、大數據、物聯網”等現代信息技術與環境工程教育進行深度融合，以信息化引領教育理念和教育模式的革新，對于復合型環境工程人才培養是十分必要的。未來環境工程“新工科智慧教學”應該是基于“線上、線下、線上線下混合以及實驗實踐教學”四位一體的新模式（如圖6所示）：（1）通過線上慕課（MOOC）學習、客戶端虛擬仿真操作以及云端課的學習，可以提高學生的自主學習能力，激發學生的學習和科研興趣;（2）通過線下智慧教室的VR沉浸式體驗，以及虛擬仿真實驗室的仿真學習，可以加強學生對理論知識的理解和掌握，夯實工科基礎;（3）基于翻轉課堂教學模式，開展線上線下混合式教學，實現從“以教師講授為主”向“以學生學習為主”的模式轉變;（4）基于VR/AR技術的實驗原理學習與操作，基于虛擬仿真工廠的實習實踐以及參與虛擬仿真設計大賽和“VR/AR+環境工程”創意設計大賽，全面提升學生的實驗實踐能力。未來智慧教學的開展，尚需要開發和制作虛擬仿真、VR、AR等系列軟件，以及用于云端課的手機APP和門戶網站，這需要高校教師、IT技術人員以及企事業單位多方面的協同。未來通過建設“課堂-實驗-實習-工廠-仿真”一體化云端教學平臺，打造“教學、科研、培訓、開發”一體化的智能教育平臺，可以全面提升環境工程專業教育教學及人才培養的質量。

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