地方高校環境工程專業虛擬仿真實驗教學模式改革與實踐

俞果 游少鴻 蔣萍萍

摘 ?要：生態文明建設是我國的千年大計，社會迫切需要高校培養出滿足新時代下生態環保產業發展所需的德才兼備的復合型環境工程專業技術人才。文章針對現階段環境工程專業實踐教學過程中“做不了、做不好、做不起”的實踐教學問題，從教學體系、教學平臺、教學方法、教學資源等方面，對環境工程專業虛擬仿真實驗教學模式改革途徑進行了探索，以期為其他高校的虛擬仿真教學實踐提供參考，提升廣西環境類專業建設水平和人才培養質量，推動廣西邊疆民族地區高等教育的高質量發展。

關鍵詞：環境工程;虛擬仿真;生態文明

中圖分類號：G640 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1673-7164（2022）02-0097-04

生態文明建設是我國的重要任務，是關系到民族未來的大事[1]。環境類專業在貫徹生態文明建設理念方面具有很大的優勢[2]。黨和國家對生態文明建設的高度重視和新經濟下大量新技術、新業態的發展，對環境類工程技術人才提出了新的更高要求。環境工程專業是一門覆蓋了水污染控制、大氣污染控制、土壤修復等多個研究方向的綜合性學科，多學科交叉融合所要求的知識儲量較大，具有很強的挑戰性[3]。環境工程學科培養人才的主要目標是能解決挑戰性較高的實際工程問題，對畢業生的工程實操能力提出了高要求，因而對學生的動手實踐能力的培養成為本學科非常關鍵的教學內容。目前國家環保產業的發展速度很快，用人單位需要大量環境工程專業的優秀人才，但目前的應屆畢業生大多都存在創新能力不足、工程實踐能力差、難以快速適應崗位工作等諸多不足。建立符合時代要求的虛擬仿真實踐教學體系，增加實踐訓練的比重，掌握工程實踐和應用技能，提高解決復雜工程問題和主動創新的能力是當下高校環境工程專業人才培養的重點需求。

桂林理工大學擁有廣西唯一的環境科學與工程博士學位授權點和博士后科研流動站，是中央與地方共建的高校，建設有水污染控制國家級實驗教學示范中心和環境污染防治與生態保護虛擬仿真國家級實驗教學中心。在此基礎上，桂林理工大學堅持“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，以加強學生創新意識和綜合素質培養為核心，建立了“一核心、三層次、五結合、七庫源”的實驗教學體系。緊密結合廣西地方經濟發展的需求，依托完成的科研課題和工程項目，將部分研究成果轉化為特色實驗教學項目，采用先進的開發技術，建設一批獨具特色、共享的仿真教學資源，降低實驗成本、風險和環境污染，基本覆蓋了環境類專業的主要專業基礎課和專業課。通過將桂林理工大學環境工程專業課程目標與“金課”標準相結合，將虛擬仿真技術融入專業教學過程中，對為當地市場培養符合實際需求的環境工程專業畢業生，加速廣西環保事業的發展，進一步促進廣西地方經濟可持續發展具有重要作用。

一、我國虛擬仿真實驗教學研究現狀

我國虛擬仿真技術研究的應用相比于西方發達國家相對滯后，20世紀90年代才剛剛起步，各方面差距都比較明顯。近年來，為深入貫徹《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》等文件的重要精神，全國各地各高校相繼開展了虛擬仿真實驗教學平臺和資源的建設[4]。歷經數年的發展，在中央和地方財政的大力支持下，我國近年來先后在浙江大學、復旦大學等數百所高校組建了國家級虛擬仿真實驗教學基地。公開數據表明，這些國家級虛擬仿真實驗室所支持的專業絕大多數都是材料科學、化學、機械制造等理工科專業。教育部于2019年下半年正式發布了《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》，指出一流本科課程建設就是要建立一種全新的課程理念，改革課程評價體系，消滅“水課”，形成多類型、多樣化的教學內容與課程體系[5]。通過三年的大力投入和建設，目前已有超過10000門的國家級和省部級一流本科課程，其中有1000門以上為國家虛擬仿真實驗教學一流課程。虛擬仿真“金課”的目標是解決實際運行困難，如某些涉及極端或者危險環境，成本高、消耗多、操作不可逆等問題。2020年11月，教育部高等教育司公布首批國家級一流本科課程公示名單，327門虛擬仿真實驗教學一流課程（“金課”）在列。

廣西壯族自治區政府大力支持虛擬仿真實驗教學中心建設，已經在包括桂林理工大學、廣西大學在內的多所區內高校建立了虛擬仿真實驗教學中心，目前，桂林理工大學已建立包括環境污染防治與生態保護、化學工程與工藝在內的兩個國家級虛擬仿真實驗教學中心以及五個省部級虛擬仿真實驗教學中心。不同類型的虛擬仿真實驗教學中心在建設理念、教學實踐等方面各具特色，建設過程中的指導思想都是習近平新時代中國特色社會主義思想，且最終目的都是培養能解決復雜工程問題的復合型創新人才，滿足國家經濟社會發展需要。

二、地方高校環境工程專業實踐教學的問題

（一）綜合性實踐項目較少

環境工程專業的實驗教學內容一般主要包括對于環境污染物的檢測和分析以及后續的處理。然而由于場地和實驗設備的限制，很多環境類專業實踐教學項目實驗內容較為單一，驗證性及綜合性實驗較少，無法培養學生在實際污染治理場地處理多因素融合復雜問題的能力，且在實驗過程中，學生動手操作和主動思考的機會很少，難以滿足社會對應用型綜合人才的迫切需求。

（二）部分實驗項目存在健康風險

環境類實驗存在與化學實驗類似的試劑污染、爆、毒、腐、火、水和電等安全隱患。如在除塵器除塵效率測定實驗中，如果實驗室的通風效果不佳或儀器存在故障，將對參與實驗學生的身體健康帶來很大的威脅;在活性污泥的相關實驗項目中，曝氣不足時可能產生硫化氫等惡臭氣體，造成安全隱患。再如桂林理工大學填料吸收塔吸收效率測定項目，原本要用二氧化硫作為試驗氣體進行吸收試驗，但由于二氧化硫的惡臭和對人體的危害，只能用二氧化碳代替，導致教學效果大打折扣。

（三）現場設備操作不易實現

環保設備的操作和維護也是環境工程專業學生的培養需求之一，理論教學中對于相關設備的介紹也是學習重點之一。大型儀器設備的使用授課大多存在預熱耗時長、上機訓練耗材費用高、儀器設備自損較大以及授課設備分析精度恢復難度大等問題。由于購置設備的費用非常高，高校的實驗教學項目通常只購置模型給學生觀察學習，由于設備不具備實際功能，學生的操作能力無法得到培養，對所涉及的專業知識的理解程度也十分有限。如在指導本科生學習電感耦合等離子體質譜的原理和操作時，由于設備昂貴且容易被損害，只能由教師代替學生上機操作，將實操實驗教學改為演示實驗。

（四）實習工作較少深入一線

一般來說，當學生進入環保企業進行實習時，生產企業很難提供設備運行、維護等真實的教學條件，學生現場參觀多流于“走馬觀花式”的實習。由于存在安全隱患，生產單位基本只會提供現場參觀的機會，而不會安排實習的學生到生產一線去參加培訓和實踐操作。缺乏親身體驗的生產實習讓學生無法產生深刻印象，學到的知識僅浮于表面，無法真正將理論知識與工程實踐相結合，不能實現實習的真正目標。如經常組織學生到當地的大型污水處理廠開展實習，雖然能極大地開拓學生的視野和見識，但出于學生人數與安全方面的考慮，無法讓每個學生都體驗一線生產的操作流程。

三、基于“金課理念”的環境工程專業虛擬仿真實驗教學模式改革策略

（一）構建環境工程專業多維度的虛擬仿真實驗教學體系

針對“金課”建設的目標和要求，建立適合環境類專業教學特點的層次豐富的虛擬仿真實驗教學體系，構建覆蓋基礎實驗、綜合實驗、創新實驗的全方位虛擬仿真實驗教學體系，完成多維度的人才培養。建立的虛擬仿真實驗教學體系從多個角度回應“金課”建設的目標和要求，即高階性、創新性和挑戰度。高階性指的是培養學生解決復雜環境工程問題的能力，創新性是指對于課程內容、教學形式、考核方式及學習效果展示等方面多維度的課程創新，挑戰度指在虛擬仿真實踐教學過程中設置梯度學習目標，培養學生的綜合創新能力和實踐實操能力。

（二）搭建環境類專業多平臺的虛擬仿真實驗教學模式

分別構建基礎實驗虛擬仿真實驗教學平臺、綜合實驗虛擬仿真實驗教學平臺、創新實驗虛擬仿真實驗教學平臺，其中，基礎性實驗虛擬仿真平臺包含原理類實驗模塊、認知類實驗模塊和設計類實驗模塊，工程型實驗仿真平臺包含制造類實驗模塊、專業實習模塊和工程訓練模塊，創新性實驗虛擬仿真平臺包括綜合創新類實驗模塊和競賽創新類實驗模塊，實現多媒體技術和虛擬仿真技術的深度融合，推進虛擬仿真教學平臺的校內共享、校際共享和社會化共享。

（三）創新環境工程專業“多維度+項目驅動”的虛擬仿真實驗教學方法

采用探究式、反思式、交互式、問題式、沉浸式的實踐教學手段，主要目標是培養學生主動學習和思考的能力，培養學生勇于質疑權威、勇于挑戰的能力。依托國家級虛擬仿真實驗教學項目的開發，讓學生在完成虛擬仿真教學項目的過程中提升學習能力和認知能力，讓課堂的中心由教師向學生轉移，真正讓學生自己掌握課堂的主動權。虛擬仿真實驗教學平臺解決了部分實驗操作困難、展示度低、實踐能力培養不足等問題，把學生的基礎知識和應用技能整合起來，把填鴨式的知識灌輸方式改為對學生求知欲的主動引導，鼓勵學生獨立解決實驗過程中遇到的各類問題。虛擬仿真教學過程中通過實驗項目的推進分別考查學生在面對工程問題時的細節觀察能力、問題判斷能力、方案設計能力和實操處置能力。

（四）完善環境工程專業面向社會開放的虛擬仿真實驗教學資源庫

依托環境類專業課程教學，整合現代化信息技術和傳播技術，建設數字化時代的虛擬仿真教學資源庫。主要包括環境安全事件應急管理及虛擬仿真教學資源庫、單體實驗教學項目模擬動畫庫、大型儀器模擬操作軟件庫、野外實習模擬資源庫、大型工程實體模擬教學資源庫、微生物仿真教學資源庫和單體實驗教學項目教學視頻庫等七大類型虛擬實驗教學資源庫。虛擬仿真實驗教學資源庫的多個資源互相配置、連接、調節，將基本覆蓋環境類專業的主要專業基礎課和專業課（見圖1）。

四、結語

桂林理工大學依托國家級虛擬仿真實驗教學示范中心，面向“金課”建設的目標和要求，立足學校環境類專業學科優勢，以構建“兩性一度”視域下環境類專業虛擬仿真實驗教學模式為總體目標，秉承“以學生為本的人文環境，堅持把知識傳授、能力培養和素質提高貫穿于實驗教學始終”的虛擬實驗教學理念，以加強學生創新意識和綜合素質培養為核心，構建“多層次+階梯式”的虛擬仿真實驗教學體系，搭建“三平臺+八模塊”的虛擬仿真實驗教學矩陣，創新“多維度+項目驅動”的虛擬仿真實驗教學方法，完善“整合式+可共享”的虛擬仿真實驗教學資源庫，建立“三邊+雙控”的虛擬仿真實驗教學評價體系，探索以“教、學、研、做”合一為核心的“課內外一體、開放互動”的虛擬仿真實驗教學新模式，并在相關專業進行推廣，不僅能夠豐富學科專業教學的內容，也能讓學科專業內容更有深度，為培養適應新時代需要的環保人才添磚加瓦。

參考文獻：

[1] 馮麗. 大學思政教育中環保與生態文明理念的融入與創新研究[J]. 環境科學與管理，2018，43（05）：137-140.

[2] 李杰. 高校思政課實現生態文明觀“三進”的思考——以《毛澤東思想和中國特色社會主義理論體系概論》教學為例[J]. 高教論壇，2014（09）：80-82.

[3] 曾鴻鵠，張學洪，朱義年. 構建復合型教學團隊，助力學生成才——以桂林理工大學環境工程學科為例[J]. 大學（研究版），2012（04）：51-55.

[4] 朱宗強，宋曉紅，曾鴻鵠，等. 現代教育信息技術促進地方高校環境類專業實踐教學改革[J]. 高教學刊，2020（08）：74-76.

[5] 鄭超，胡蔓，陳良，等. 科教融合建設優質虛擬仿真實驗教學項目探索[J]. 實驗室科學，2021，24（04）：23-27.

（責任編輯：汪旦旦）