應(yīng)用型高校新建環(huán)境類專業(yè)虛擬仿真平臺的建設(shè)與思考

趙青松，劉瑞祥，杜夢帆，李莉

（長治學(xué)院 生命科學(xué)系，山西 長治）

一 引言

實(shí)踐教學(xué)是環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)教學(xué)體系中的重要組成部分，環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)的實(shí)踐環(huán)節(jié)要求學(xué)生必須注重工程理論和生態(tài)實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，注重培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力，實(shí)踐教學(xué)是環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)與傳統(tǒng)相關(guān)專業(yè)的主要區(qū)別之一[1]。但從目前應(yīng)用型本科高校建設(shè)本專業(yè)來看，因資金、設(shè)備，實(shí)踐場地等方面的不足，限制了本專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的開展，再加上本專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)注重培養(yǎng)學(xué)生綜合處理能力、動手實(shí)踐性強(qiáng)的主要特點(diǎn)，而傳統(tǒng)實(shí)踐場地受實(shí)驗(yàn)時(shí)間、對象、季節(jié)、設(shè)備數(shù)量的制約，特別是本專業(yè)某些實(shí)踐場地涉及高危險(xiǎn)或極端操作環(huán)境、許多操作具有不可逆性，而依靠傳統(tǒng)的實(shí)物設(shè)備開展實(shí)踐教學(xué)難以滿足專業(yè)人才培養(yǎng)的需要[2]。因此，為滿足我校環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)實(shí)踐平臺的需求，整合已有校內(nèi)生態(tài)學(xué)課程相關(guān)實(shí)踐資源，依托多種平臺，組建了我校環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺。

二 環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真平臺的建設(shè)思路

我校新建環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)實(shí)踐虛擬仿真教學(xué)平臺的建設(shè)緊緊圍繞學(xué)校的辦學(xué)定位和建設(shè)成為具有區(qū)域代表性的高水平應(yīng)用型本科院校的目標(biāo)，根據(jù)應(yīng)用型人才的知識結(jié)構(gòu)和教育實(shí)踐教學(xué)要求，按照應(yīng)用型本科高校人才培養(yǎng)規(guī)范和培養(yǎng)體系要求，以環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)為抓手，重點(diǎn)開展實(shí)踐教學(xué)資源、培訓(xùn)平臺、 教師隊(duì)伍、管理制度等方面的建設(shè)，具體打造具有我校環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)突出生態(tài)學(xué)特點(diǎn)的虛擬仿真綜合實(shí)踐平臺，形成具有持續(xù)服務(wù)的實(shí)踐教學(xué)平臺和具有實(shí)踐教學(xué)資源共享開放的教學(xué)實(shí)踐整體，培養(yǎng)適應(yīng)“國家生態(tài)戰(zhàn)略”及區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需求，具有可持續(xù)發(fā)展理念，具有生態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)、生態(tài)修復(fù)與建設(shè)等方面工作的復(fù)合型人才。

環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真綜合實(shí)踐平臺的建設(shè)以面向應(yīng)用、突出能力、提高素質(zhì)為目標(biāo)，以全面增強(qiáng)環(huán)境專業(yè)學(xué)生動手實(shí)踐和科研創(chuàng)新能力、提高在校生教學(xué)質(zhì)量、增強(qiáng)服務(wù)社會能力為宗旨，注重融合實(shí)物試驗(yàn)和虛擬仿真平臺、教科研互動、校內(nèi)與校外相銜接，按照“虛實(shí)平臺結(jié)合、虛實(shí)研究結(jié)合、虛實(shí)方法結(jié)合”的建設(shè)思路[3-4]，對環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)相關(guān)課程教學(xué)中新建專業(yè)不具備或難以完成的實(shí)踐環(huán)節(jié)，依托虛擬仿真、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和現(xiàn)代通信技術(shù)，形成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)相融合教學(xué)體系[5-6]。

三 環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)

我校在虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)中，秉持 “立足實(shí)際、教研相融、面向工程、互聯(lián)共享”的建設(shè)理念，通過虛擬場景與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在實(shí)踐教學(xué)中融入教師已有的相關(guān)科研成果，以教師完成的環(huán)境生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目作為實(shí)踐教學(xué)的指導(dǎo)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的穩(wěn)步提升[7-8]。

特別是適應(yīng)國家和省對我校應(yīng)用型轉(zhuǎn)型發(fā)展的要求，我校積極籌建了環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐平臺。平臺建設(shè)圍繞我校應(yīng)用轉(zhuǎn)型發(fā)展目標(biāo)，依托我校環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)在師資隊(duì)伍、教學(xué)科研能力等方面的特點(diǎn)，經(jīng)過多年的教改實(shí)踐，建立了與培養(yǎng)工科學(xué)生解決實(shí)際問題能力相對應(yīng)的程式化的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程體系。建設(shè)了“污水處理廠虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)”“垃圾填埋場仿真實(shí)踐系統(tǒng)”“靜電除塵器虛擬仿真實(shí)踐系統(tǒng)”“生態(tài)學(xué)野外實(shí)習(xí)仿真實(shí)踐系統(tǒng)”等涵蓋“污水處理”“大氣治理”“固體廢棄物處置”“生態(tài)學(xué)調(diào)研”四大虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，滿足我校環(huán)境生態(tài)工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要。

圖1 環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

（一） 污水處理仿真實(shí)踐平臺

平臺軟件基于動態(tài)過程仿真系統(tǒng)，按照實(shí)際工程的工藝技術(shù)、過程原理、設(shè)備工作原理、質(zhì)量平衡、能量平衡等進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，針對環(huán)境相關(guān)專業(yè)教學(xué)需求，參照真實(shí)的典型生活污水處理工廠的生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量管理等規(guī)范，以3D 形式模擬預(yù)處理工藝、AAO 藝、深度處理工藝等，構(gòu)建“3D 虛擬場景+物料參數(shù)在線顯示+污染指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控+人物控制系統(tǒng)”相結(jié)合的模式。軟件通過交互、視頻、動畫、圖片及知識點(diǎn)等，詳細(xì)講解水處理工藝的相關(guān)構(gòu)筑物和設(shè)備結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理。通過對廠區(qū)區(qū)實(shí)景1:1 全角度建模，以3D 形式直觀展示污水廠構(gòu)筑物單元運(yùn)行狀態(tài)，在對系統(tǒng)運(yùn)行過程進(jìn)行學(xué)習(xí)的同時(shí)，進(jìn)一步提高學(xué)生對污水處理實(shí)踐過程中的工藝流程、處理設(shè)備結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)控制技術(shù)的理解，鞏固平時(shí)所學(xué)理論知識，增進(jìn)學(xué)生工程設(shè)計(jì)及實(shí)踐操作能力。

圖2 城市污水處理廠3D 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

（二） 大氣處理虛擬仿真實(shí)踐平臺

大氣處理虛擬仿真平臺主要包含靜電除塵虛擬仿真系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)以動態(tài)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬板式靜電除塵的基本流程、設(shè)備構(gòu)造和工作原理，探究現(xiàn)實(shí)除塵器的設(shè)備性能和具體影響除塵效率影響因素。仿真軟件以直觀形象的呈現(xiàn)形式完成靜電除塵器進(jìn)口風(fēng)量的測定、空載U-I 特性曲線的測定、學(xué)生通過調(diào)節(jié)不同電壓對除塵效率的影響、板極不同間距對除塵效率的影響和入口不同風(fēng)速對除塵效率的影響實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的自主探索能力和工程設(shè)計(jì)能力，如圖3 所示。

圖3 大氣處理3D 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

（三） 固廢處理虛擬仿真實(shí)踐平臺

實(shí)際固廢處理處置工藝過程中，具有高危險(xiǎn)、高污染、高消耗等特點(diǎn)，致使學(xué)生進(jìn)廠實(shí)習(xí)危險(xiǎn)性高，同時(shí)為了保障生產(chǎn)的安全進(jìn)行，環(huán)境類專業(yè)的學(xué)生實(shí)習(xí)主要以參觀為主，無法進(jìn)行實(shí)際操作與深入了解，學(xué)習(xí)效果非常有限；傳統(tǒng)教學(xué)中的“多看、多問、多想”等教學(xué)方法嚴(yán)重制約了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，不能很好地反映學(xué)習(xí)成果。而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大部分以固定實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器為對象，學(xué)生只能按照標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法開展，學(xué)生多采用單一重復(fù)性操作，實(shí)驗(yàn)過程多是單元過程，達(dá)不到系統(tǒng)訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中經(jīng)常面臨“進(jìn)不去、看不到、動不了”等問題，而大型試驗(yàn)裝置面臨“不能碰”、內(nèi)部結(jié)構(gòu)現(xiàn)象“搞不清”、突發(fā)情形“遇不到”等問題。本平臺學(xué)習(xí)可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)等沉浸式教學(xué)方式，學(xué)習(xí)垃圾填埋廠的建造及填埋封場等流程，通過該平臺讓學(xué)生對固廢處理處置工藝有直觀的了解和認(rèn)識，為將來學(xué)生的工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐提供理論指導(dǎo)和借鑒，見圖4。

圖4 垃圾處理填埋廠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

（四） 生態(tài)學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)踐平臺

生態(tài)學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)踐平臺包含太行山植物學(xué)觀察采集，植物標(biāo)本壓制、植物標(biāo)本鑒定、植物標(biāo)本館四個(gè)模塊，形成一個(gè)植物學(xué)實(shí)習(xí)閉環(huán)。項(xiàng)目以真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為支撐，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的安全要求和使用要求，模擬真實(shí)的場景和操作過程，并記錄過程現(xiàn)象。該軟件可用于老師的課堂講解、學(xué)生提前自學(xué)實(shí)驗(yàn)和課后復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，為真實(shí)實(shí)驗(yàn)做好充分準(zhǔn)備，見圖5。

圖5 生態(tài)學(xué)野外實(shí)習(xí)虛擬仿真實(shí)踐平臺

太行山生長著豐富的植物類別，是天然的植物自然標(biāo)本館。虛擬仿真項(xiàng)目的開展，解決實(shí)際教學(xué)過程中周期長，實(shí)習(xí)受天氣影響，學(xué)生安全得不到保障的的問題；植物標(biāo)本館的植物大部分來自學(xué)生太行山采集，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感；將植物采集、壓制、鑒定、存入標(biāo)本館四個(gè)階段性操作整合為一個(gè)項(xiàng)目，讓學(xué)生形成整體意識，為學(xué)生畢業(yè)后科研或者工作奠定基礎(chǔ)。

四 環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺建設(shè)的體會

（一） 做到虛擬仿真實(shí)踐平臺與現(xiàn)場實(shí)踐互補(bǔ)運(yùn)用

為最大限度地發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用能力，虛擬仿真平臺使用應(yīng)緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)習(xí)加以使用，在環(huán)境生態(tài)專業(yè)去污水處理廠、固廢處理廠和化工廠專業(yè)實(shí)習(xí)前，要求學(xué)生現(xiàn)行在虛擬仿真平臺上對實(shí)習(xí)對象進(jìn)行一個(gè)全面的感性認(rèn)識和總體了解，隨后在現(xiàn)場實(shí)踐環(huán)節(jié)中帶著問題學(xué)，帶著大局看，滿足學(xué)生應(yīng)用實(shí)踐多環(huán)節(jié)要求，打破實(shí)踐教學(xué)時(shí)空限制，達(dá)到理論結(jié)合實(shí)踐，事半功倍的效果。

（二） 積極與企業(yè)建立合作關(guān)系

近年來在虛擬仿真領(lǐng)域涌現(xiàn)了許多有研發(fā)實(shí)力的企業(yè)，新建應(yīng)用新型本科院校在建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺時(shí)，在建設(shè)初期因和這些企業(yè)建立接觸，通過產(chǎn)品試用、合作研發(fā)、采購等方式積極引進(jìn)這些企業(yè)虛擬仿真項(xiàng)目，拓展新建專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐平臺的資源總量，讓學(xué)生多參與、重體驗(yàn)，在平臺運(yùn)用中逐步的認(rèn)識工程實(shí)踐的重要作用，為應(yīng)用型人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

（三） 開放共享，形成學(xué)校特色

新建環(huán)境生態(tài)專業(yè)應(yīng)大力推進(jìn)校內(nèi)資源的整合與共享，拓展虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源的使用范圍，實(shí)現(xiàn)仿真平臺、實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與教師教科研項(xiàng)目三位一體的全方位共享模式。通過虛擬仿真中心實(shí)現(xiàn)專業(yè)虛擬仿真資源的共享和開放。使學(xué)生能夠通過校內(nèi)網(wǎng)自主進(jìn)行選擇和預(yù)約學(xué)習(xí)。通過校內(nèi)信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對學(xué)生全天候開放，并形成自主管理。同時(shí)充分發(fā)揮學(xué)校重點(diǎn)學(xué)科的建設(shè)優(yōu)勢，與其他具有相似專業(yè)的院校開展廣泛的交流與合作。通過參加國家相關(guān)技能大賽，例如“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“全國大學(xué)生生命科學(xué)競賽”“北控水務(wù)杯大學(xué)生職業(yè)技能大賽”等比賽提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力。

五 結(jié)語

由于環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)注重實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)，在實(shí)踐教學(xué)中加大虛擬仿真平臺運(yùn)用，使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，不僅可解決地方應(yīng)用型本科高校新建工程專業(yè)缺乏綜合性試驗(yàn)場所、實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)缺乏、實(shí)踐教學(xué)場地限制、學(xué)生學(xué)習(xí)效果差等現(xiàn)實(shí)問題，同時(shí)還可通過虛擬仿真教學(xué)提高學(xué)生對仿真教學(xué)的認(rèn)識水平，提高學(xué)生對實(shí)踐教學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生的動手和思考能力，提高應(yīng)用型人才的培養(yǎng)效果。通過虛擬仿真實(shí)踐平臺建設(shè)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，是一條提高教育信息化的重要途徑。虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺作為傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的有益補(bǔ)充，已成為新建環(huán)境類工科專業(yè)加強(qiáng)教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段。