虛擬仿真技術在應用型人才培養中的應用*

王 艷，鄒海明，范行軍，朱 琳

(安徽科技學院環境科學與工程系，安徽 滁州 233100)

應用型高校是在我國高等教育逐漸向大眾化轉型發展下所出現的，它不同于普通本科也有別于高職高專院校，其主要是以全面發展的應用型專業人才培養為根本目標的全新類型高校。應用型高校為了培養出適應地方發展和社會需要的具有較強實踐能力的創新性應用型人才，不斷豐富教學資源、優化實踐教學體系，以及加大教學設備投入。

在過去的幾十年里，我國的社會經濟、精神文明和民眾生活質量都得到了飛速發展。同時，也付出了一定的代價，我國生態環境污染問題逐漸突出，國家對我國的環境生態質量的重視逐年加強，我國居民對所生活的環境質量及環境保護的意識日益增強，對環境工程專業人才的需求也逐漸提高，特別是對應用型環保類人才需求的缺口還是很大。對于應用型高校，培養出符合地方企業需求的高素質創新性應用型環保類人才，具有非凡的意義。

實踐教學是環境工程專業人才培養的重要環節，它將工程知識和環境污染問題有機地結合在一起，它不僅有利于培養工科學生的操作能力、創新思維和對理論知識的理解和掌握，而且有助于學生體驗將理論知識應用實際過程。在環境工程領域，所涉及到的廢氣、廢水、廢渣等處理設備、處理裝置規格龐大，難以直觀全貌和充分理解其工藝流程，給實踐教學帶來了不少問題。隨著我國計算機和人工智能的飛速發展，現代信息技術與線下實踐教學相結合，采用虛擬仿真技術模擬線下實踐教學體系，不但有效解決線下實驗教學過程中存在問題，而且通過虛實結合開發了新的教學模式，也能提高實踐教學質量。

1 傳統的實踐教學中存在的問題

1.1 實踐學時短，限制了部分實驗的開展

雖然應用型高校增加了實踐教學的學時比例，但是環境工程專業的一些實踐課程仍然無法在短時間內順利開展[1-2]。任課教師詳細講解實驗原理與實驗過程后，學生需要按照實驗要求完成安裝實驗裝置、配制試劑、實施實驗等一系列操作過程，再加上化學反應時間較長，使得很多實驗項目無法在規定時間內完成，更別說實驗過程中出現差錯，重新來過了。故此類需要較長時間的實驗項目往往不被列入計劃之中，使得學生缺乏應有的鍛煉。

1.2 實驗項目及開展形式單一

由于實驗過程涉及到實驗藥品及實驗反應的安全性，所選擇的多數實驗項目均為驗證性或是演示性實驗，這一類實驗項目大多數操作簡單，條件成熟。學生只需按照教師早已擬定的實驗步驟及關鍵步驟的注意點，詳細的示范動作，基本都能很好地完成實驗內容。但是在整個實驗過程中，缺乏挑戰性，也很難提升學生分析問題，解決問題的能力，也無法啟發學生的創新思維能力。

1.3 實驗設備短缺，無法得到充分的鍛煉

環境工程專業實踐操作所需的常規儀器設備均比較昂貴，操作成本也高，儀器設備體積也較大[3-4]。因此，這一類實驗項目無法得到普及，或是分組的組員人數較多，無法使得每一位學生得到獨立的訓練，甚至對這些儀器設備的結構原理也缺乏充分的理解。

1.4 儀器設備滯后，與實際應用脫節

近年，科技迅猛發展，新時代也對高校培養出來的人才有了更高的要求。可是各大高校受經費制約，許多儀器設備滯后于行業發展[5]。同時，受到當前特殊時期的環境影響，學生也缺少到對口工廠實習的機會，也沒有機會全面了解環保企業的工藝流程和各單元操作化學反應的變化規律，從而導致高校培養出來的學生無法滿足實際環保部門及企業的需求。

2 虛擬仿真實驗在實踐教學中的初探

2.1 虛擬仿真平臺搭建

環境工程專業實踐工藝流程長，涉及到的設備、構筑物龐大，微生物反應時間長，化學試劑危險、產生的危廢液體多等問題嚴重限制環境工程專業實踐教學的開展和學生對知識的理解。虛擬仿真平臺可以參考實際設備、構筑物和工藝流程設計實驗項目和實驗場景；依據物理化學反應動力學和環境類專業知識理論基礎設計反應模型；在互聯網的支撐下，搭建環境工程類專業虛擬仿真平臺。虛擬仿真實驗教學平臺一般包括實驗引導、實驗說明和實驗模擬三大部分如圖1所示。其中實驗引導采用視頻的形式整體介紹虛擬仿真平臺的設計背景、意義以及整個平臺的實驗項目；實驗說明部分中詳細地介紹每一個實驗項目的實驗目的、實驗原理、實驗步驟和注意事項；實驗模擬部分為學生根據每個實驗項目的要求，選擇實驗模塊、實驗設備和實驗構筑物，再組建工藝流程，調試工藝運行參數，最后通過模擬考試，提交實驗報告。

圖1 環境工程類專業虛擬仿真平臺

2.2 改革教學形式，線上線下結合

虛擬仿真實驗教學通常包括預習實驗、演示實驗、實驗操作和實驗考核等模塊。學生可以在課外，通過線上實驗，積累零星的時間自主熟悉實驗過程，提前預習實驗目的、實驗原理、實驗步驟及注意事項等相關內容。甚至可以在虛擬條件下多次模擬實施實驗過程，并分析實驗結果，并對實驗結果進行討論。

虛擬仿真實驗操作過程從首頁開始，登錄虛擬仿真實驗教學平臺，選擇實驗項目，學習經過身份驗證后的用戶點擊虛擬仿真實驗室，可以鏈接到虛擬仿真實驗室(如圖1所示)。通過選擇實驗項目后，進入理論學習、模擬練習、依據技術要求搭建工藝流程、開始操作運行、調試實驗參數，得到符合要求的工藝參數后，提交實驗報告，完成模擬考試后結束實驗并退出系統。

由于虛擬仿真實驗采用互聯網共享平臺機制，它可以實現同時多人在不同地方進行實驗操作及考試，在資源共享的情況下可以多校同時實施使用。在虛擬仿真實驗過程中，系統可以實時對學生的操作進行規范性評估，并針對操作過程給出評分，及時糾正錯誤和提供相應的幫助，直至操作流程正確。這一實施辦法可以強化學生在現實實驗操作過程中規范性，提高操作的準確度。同時，對實驗掌握的程度不同的學生進行有針對性的鍛煉，也降低了現實實驗操作的危險性。

針對實驗過程中會涉及到劇毒、腐蝕性的化學藥品或是反應劇烈、反應時間長、反應條件苛刻等情況下，虛擬仿真技術能完全規避，甚至縮短反應時間，便于學生操作。如果學生能通過考核，再結合線下實際操作，培養動手能力。

2.3 采用虛擬仿真設備，克服缺乏貴重儀器的缺陷

環境監測及環境催化等實驗過程均需要運用到比較昂貴的儀器設備，儀器設備的套臺數和教學學時將嚴重限制實驗項目的開展。而且這類貴重儀器的智能化程度較高，內部結構復雜而精密，學生很難接觸到，更別說在有限的時間內掌握工作原理，熟悉操作流程了。虛擬仿真實驗環境能保證多人同時多次的操作，學生也能反復通過虛擬的實驗環境掌握各種儀器設備的操作流程、樣品前處理、操作參數對實驗結果的影響等。

2.4 設計大型虛擬工廠，彌補頂崗實習局限性

實驗室的實踐操作和實驗課程，只能針對個別實驗指標的進行監測，無法體現污水處理廠、垃圾填埋場、火力發電廠的脫硫脫硝工藝等專業性極強的單元流程。即使學校聯系多個產學研基地和場所，也無法滿足同學們進行長久的頂崗實習的需求。而且此類工藝流程和設備及其龐大，學生很難觀得其全貌，只能見識局部，不能熟知工藝設備的工作原理，更沒有機會嘗試操作參數對工藝結果的影響。

設計的虛擬工廠，不僅僅能統觀全貌，熟知工藝流程，儀器設備操作方法，還能通過改變其中的工藝參數，了解處理結果的變化。讓學生能有身臨其境的感覺，并在短時間熟悉工廠的操作流程、安全生產的規程。

3 虛擬仿真實驗獲得的教學效果

根據環境工程專業認證標準的要求，需要評估環境工程專業學生的動手能力和實際應變能力，并將對學生的培養效果進行有效反饋。采用反饋結果對該專業的各項主干課程進行持續改進，并形成教學質量評價和教學管理可行性分析及閉環系統。本虛擬仿真實驗平臺所承載的實驗項目作為我校環境類課程的必修內容，主要應用于化學與材料、農業資源與利用、環境工程等專業的實踐教學。

為了更好地了解參與虛擬仿真教學的教師和學生對虛擬仿真實驗內容的掌握情況和對實踐課堂模式的滿意程度，設計了實驗和實習的教學模式。首先將2018級76名學生和2名教師設為傳統現實實踐教學組、2019級75名學生和3名教師設為純虛擬仿真實驗教學組、2020級80名學生和4名教師設為虛實結合實驗教學組，然后三個組的學生均在教師詳細的指導下完成實驗教學后，再進入實習階段。再實習階段中，教師只分配任務和保障學生安全的情況下，學生領取任務后獨立完成的實習工作，并對三組同學對理論知識的掌握和線下操作成績對進行了調查分析。從圖2可知，相對于2018級和2019級，2020級環境工程學生的線下操作更為熟練，更自信，打翻儀器設備和玻璃器皿的幾率小很多，而且理論知識掌握更為牢固，對所學知識也更能融匯貫通。

圖2 虛擬仿真實踐教學前后學生成績

問卷調查結果顯示，學生對虛擬仿真實驗普遍比較滿意，他們覺得虛擬仿真實驗內容充實、實驗步驟詳盡、實驗形式新穎，像游戲一般有趣，具有吸引力。與傳統的實驗預習相比，通過虛擬仿真實驗項目可以反復多次獨立完成，也可以根據每一位同學的接受程度不同，在課前和課后反復練習，也可以強化學生對實驗原理和實驗背景的理解。同時，虛擬仿真實驗也更容易激發學生對同一任務的不同設想和探索未知世界的興趣。在線下實驗室操作之前，通過多次反復地強化對理論知識的理解和掌握，熟悉實驗過程，在開展實際實驗時，就能比較容易避開易犯錯的環節。參加問卷調查的教師們也反應，虛擬仿真實驗項目突破了受時間和空間限制的影響，使學生能有更多機會熟悉和掌握環境水污染治理工藝流程的原理和設計，以及每一種操作單元的優點及局限性，使他們有機會嘗試多種工藝組合。鍛煉學生在實踐過程中遇到特殊問題，如儀器設備故障等，能有條不紊地通過逐步排查，找到故障原因并及時處理。通過各種應急事故的演練，使學生能在實際操作和生產過程中更加警惕安全隱患的存在，具備較強的安全意識和責任心，也能鍛煉學生處理應急事故的能力，有效克服了因實習場地的不足，實驗過程中可能產生環境污染物的毒副作用而無法滿足學生進入現場實習的需求。

更重要的是，通過虛擬仿真實驗的開展與完成，不僅可以督促學生自發地了解和熟悉各個實驗項目在不同實驗環節的要求、注意事項和技術規范，還能促使學生主動通過不同途徑涉獵新的相關知識，開闊眼界和知識面，也能強化學生查閱和收集文獻的能力，并分析文獻，從中獲得新的靈感。

4 結 語

相對現代高速發展的科技信息時代來說，傳統的實踐教學模式和內容已經遠遠不能滿足行業企業對專業應用型人才的需求要求。虛擬仿真實踐教學體系在國內外應用于多個學科行業新人的培訓，得到廣大社會的認可。虛擬仿真實踐教學模式由于其內容趣味性強，仿真度極高，如身臨其境，不受時間限制，可以反復多次嘗試而受到學生的喜愛。同時，虛擬仿真實踐教學結合線下實際操作，在很大程度上改善了單一傳統教學的缺陷和局限性，也能督促學生在課前預習，并評估其預習結果和對知識的掌握程度，高校教師也積極探究引導虛擬仿真技術的開發和線下實驗操作的相互結合，培養了學生對知識的掌握和學生的動手能力，為滿足新時代行業企業對專業應用型人才的需求奠定了基礎。