“雙一流”背景下環境類虛擬仿真實驗建設現狀與共享分析

孫也 王海寧 孟淑娟

摘? ? 要：iLAB-X和智慧教育平臺作為教育部主推的實驗共享平臺，其優質資源公益性地對全世界開放。文章基于平臺46個環境類項目，對分類特點、建設特征和應用現狀進行分析，為高校共享使用兩大共享平臺實驗項目提供參考，并為其設計開發具有特色的環境類虛擬仿真實驗項目提供指導。提出通過“共享與特色”的組合拳強化環境類虛擬仿真教學應用常態化，以期推動“雙一流”課程建設和環境類實驗教學高質量發展。

關鍵詞：環境類；虛擬仿真實驗；iLAB-X實驗空間；智慧高教平臺；共享

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2024）02-0075-03

“建設一流本科課程”、實現高質量的人才培養是我國“十四五”高等教育發展的重點任務[1]。虛擬仿真實驗作為一流本科課程建設五大類型之一，是完善現有實驗教學體系、更好地服務創新型人才培養的重要手段[2-3]。2017年，教育部啟動國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作，截至2022年10月，已有42個專業大類、746門虛擬仿真實驗教學一流課程被認定為國家級課程，仍有19個專業大類、549門課程正在認證中[4]。各高校積極開展建設工作，但對其他高校的建設現狀、建設內容高階性設計、支撐產出、課程受益面等問題思考不足，出現了“重建設輕應用、重復建設而融合共享不夠”的現象。為了解決上述問題，提高現有虛擬仿真“金課”的應用與受益面，教育部推進建設了國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺——iLAB-X實驗空間（www.ilab-x.com），并于2022年6月在國家高等教育智慧教育平臺推出了虛擬仿真實驗板塊，旨在將優質的虛擬實驗教學資源公益性地進行推廣和使用，擴大課程受益面，促進教育公平，推進虛擬仿真實驗欠發達地區高校高質量發展[5-6]。

環境類實驗具有成本高、占地大、不可逆過程和大型綜合訓練等特點與需求，高校實驗教學往往存在實驗條件不具備或運行困難等難題，虛擬仿真實驗可很好地解決上述問題，對環境類人才培養極為重要[7-8]。基于國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺和智慧教育平臺中46個環境類虛擬仿真實驗教學項目，本研究對現有實驗項目分類特點、建設特征和應用現狀進行了系統分析，為環境類高校使用共享平臺實驗項目提供指導，也為其設計自己特色的虛擬仿真實驗項目提供建設性參考，對推動環境類虛擬仿真教學應用常態化具有實際意義。

一、環境類實驗項目的分類特點

雙一流課程建設和工程教育認證標準均強調環境工程專業實驗教學體系的重要性，提高實驗教學水平對“雙一流”課程建設具有重要意義。環境類實驗教學體系包括基礎驗證型實驗、綜合設計型實驗、綜合實訓三大類[9-10]，虛擬仿真實驗建設可貫穿整個實驗教學體系，如圖1所示。

（一）基礎驗證型實驗

基礎驗證型實驗旨在培養學生實驗操作和數據處理等能力，通常以傳統實驗方式為主。但是部分儀器分析類實驗由于儀器成本高、操作要求高、環境工程原理實驗器材龐大，部分高校無法將其應用于本科生教學中，例如質譜儀、X射線衍射分析儀、透射電子顯微鏡等大型儀器、煙氣CO2捕集純化等，三維虛擬仿真實驗更加直觀地幫助學生了解環境樣品分析過程中儀器的原理、結構，或實驗反應的整個過程[11-12]。目前，市場上部分公司針對環境類基礎性實驗也開發出相關成品實驗項目，例如水中COD、BOD5、揮發酚、懸浮物、總磷、溶解氧的測定等，但是對于基礎性實驗，高校一般具備線下實驗所需要的實驗條件。基礎性實驗主要關注培養學生的動手能力，建議條件允許情況下優先選擇傳統實驗模式。

（二）綜合設計型實驗

綜合設計型實驗涉及多門基礎課程原理、方法和技術，包含學科或行業科學技術前沿問題，旨在通過綜合性或設計性實驗，引導學生融會貫通地解決復雜的實際工程問題，探索環境科學前沿問題。該類型具有設計和特色兩大特點，也是各高校建設虛擬仿真項目時關注的熱點。目前已具有成熟的綜合設計型虛擬仿真實驗，例如同濟大學建設的揮發性有機物（VOCs）凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實驗，在基本實驗操作上增加工程設計和工藝搭建環節，從虛仿實驗角度強化實驗教學“兩性一度”的探索。高校在建設虛擬仿真項目時，應“特色”先行，避免與共享平臺中現有的綜合設計型實驗項目重復，依據本高校教學特色進行選題和設計。

（三）綜合實訓

環境綜合實訓包括環境工程認識實習和生產實習等課程，需要到企業進行綜合實訓，是最適合虛實結合的教學方式的課程之一，特別是針對高危環境、大型企業或不可逆實驗過程[13-14]，教學過程中可優先進行虛擬仿真實驗教學，學生對現場具有一定的認識后進行現場實踐還原，這種方式極大提高了教學效果[15]，起到事半功倍的效果。例如垃圾焚燒發電資源化利用技術虛擬仿真實驗，虛擬仿真利用VR和3D技術高度逼真地還原了現場垃圾焚燒、發電、廢氣治理等過程，強化了學生對理論知識的理解，增強了學生實訓效果；此外，污染場地修復3D虛擬仿真項目本身是無法在教學過程中還原實現，但虛擬仿真可幫助學生體會不可逆操作污染和修復全過程，學生身臨其境地學習設備結構和工作原理，也有利于提高學生的實踐興趣和實踐教學效果。

二、共享平臺環境類實驗項目

建設特征

iLAB-X實驗空間和智慧教育平臺作為教育部主推的實驗共享平臺，其優質資源公益性地對全世界開放。iLAB-X中涉及的46個環境類實驗項目主要來自2018年以來各高校申報國家級虛擬仿真實驗。而國家高等教育智慧教育平臺目前包括iLAB-X優選出的4個國家一流課程。環境類實驗項目按照學科可分為環境科學、環境工程、環境生態保護和大氣科學四大類。其中，自然保護與環境生態類有13個實驗項目，4個被認定為國家級項目；大氣科學類有3個和生態與環境類相關實驗項目；環境科學類有4個實驗項目，2個被認定為國家級；環境工程類有26個實驗項目，9個被認定為國家級。此外，實驗項目也可按照實驗項目性質和特點或專業方向分類，不同分類統計結果如表1所示。

由表1可知，環境類虛擬仿真實驗項目中以環境工程和環境生態學科為主，環境工程類虛擬仿真實驗的占比最大，占總體的56.5%，主要解決了環境工程實訓中設備龐大、周期長、不可逆過程、操作困難、展示度低、實際動手能力培養不足等問題。從項目性質和特點方面看，項目主要圍繞綜合實訓進行選題，占比約63%；從專業方向看，項目主要圍繞水污染控制、大氣污染控制和固體廢物資源化三大方面進行建設，申報項目和認定國家級項目均占總項目數的80%。

統計共享平臺中46個環境類虛擬仿真實驗教學項目建設數據，分析項目高校、高校區域性、項目團隊等因素，發現具有以下特征。一是項目建設的院校層次廣泛。高校包括第四輪環境科學與工程學科評估結果前70%的院校22所和非學科評估結果前70%的院校19所。其中“雙一流”建設院校有14所；同濟大學和中山大學分別建設2個和3個項目，其他院校均建設1個項目，其中同濟大學建設的揮發性有機物（VOCs）凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實驗和農田土壤重金屬污染生態修復虛擬仿真綜合實驗兩項均認定為國家級項目。二是項目建設院校區域性明顯。建設項目主要集中在華東（12個）、華南（10個）、華中（7個）、西南（6個）。東北（3個）、華北（4個）、西北（4個）相對較少。國家級認定項目中東北（2個）、華北（3個）、華東（6個）、華南（2個）、華中（2個），說明東北、華北、華東的項目建設質量比較高，盡管西南地區申報了6個項目，但均未獲得國家認定。三是項目團隊水平較高。國家級項目負責人均具備副高以上職稱，教學經驗豐富、理論扎實。項目團隊中均有開發公司參與，主要包括歐倍爾、東方仿真、英福、先極、拓博、象心力等，其中歐倍爾、東方仿真各有3個項目被認定為國家級。

三、共享平臺環境類實驗項目應用現狀

（一）iLAB-X實驗空間的推廣和共享均不夠理想

環境類虛擬仿真實驗項目在iLAB-X實驗空間共享率有限。調查問卷結果顯示，iLAB-X實驗空間的共享推廣力度非常有限，僅有43%的高校了解iLAB-X實驗空間，57%的高校不了解或未聽說，這也說明了推廣的必要性。

基于平臺數據，可以發現，實驗項目瀏覽量較高，環境科學與環境工程類的11個國家級實驗項目的瀏覽次數從3 289次到26 619次不等；然而做實驗人數相對較低，以污水處理工藝虛擬仿真實驗為例，其瀏覽次數為26 619，而做實驗人數為1 357人，僅占瀏覽次數的5.1%，且在1 357人中實驗優秀有803人，達標有120人，不達標有434人；典型煙氣處理工藝3D虛擬現實仿真實驗瀏覽次數為15 457，而做實驗人數為981人，僅占瀏覽次數的6.35%，且在981人中實驗優秀有1人，達標0人，不達標有980人。上述數據表明，iLAB-X實驗空間的推廣和共享均不夠理想，運用iLAB-X實驗空間做實驗的學生，也有很大一部分沒有按照項目設置全程完成實驗內容。總體上來說，目前iLAB-X實驗空間的推廣和共享成果均不夠理想，教育部未來應加大宣傳，提升優質資源共享的效果。

（二）用戶友好性共享虛擬仿真實驗項目

為確保虛擬仿真實驗教學課程質量和運行穩定，教育部高教司組織高校和“實驗空間”共同分批次推薦有質量的虛仿課程，要求課程有效鏈接網址應直接指向該實驗，且保持鏈接始終暢通，這解決了實驗空間中部分實驗鏈接不暢通的弊病，將來該平臺必定作為精品課程共享的主陣地。經驗證與分析，目前環境類用戶友好性較好的共享課程如下：膜生物反應器水處理工藝及動態分析虛擬仿真實驗（天津工業大學，國家級一流課程）、揮發性有機物（VOCs）凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實驗（同濟大學，國家級一流課程）、農田土壤重金屬污染生態修復虛擬仿真綜合實驗（同濟大學，國家級一流課程）、湖泊生態系統修復虛擬仿真實驗（湖北大學，省級一流課程）、污染事件中大氣環境監測預警虛擬仿真實驗（南京信息工程大學，省級一流課程）和不同通風條件下長途巴士環境中熱舒適及飛沫擴散的虛擬仿真實驗（中山大學）。此外，針對水污染控制工程、環境認識實習、生產實習、水污染課程設計課程，可選擇西安建筑科技大學建設的污水生物處理過程虛擬仿真實驗、桂林理工大學建設的城市生活污水凈化AAO工藝調試虛擬仿真實驗，項目使用非常友好，學生上手快，教學效果好。相信未來在教育部強力推廣下，國家高等教育智慧教育平臺將成為未來共享主戰場，優質資源共享會為實驗教學高質量發展提供強大助力。

四、結論與建議

環境類虛擬仿真實驗融入教學是保證高質量人才培養發展的必要手段，虛擬仿真實驗教學開放平臺共享和應用是虛擬仿真實驗“從建設轉到應用”的有效手段，高質量的實驗項目共享使用和共享平臺推廣是未來必然趨勢。本文基于教育部推薦的兩大共享平臺數據，對46個環境類項目建設分類特點、建設特征和應用現狀進行分析，為環境類高校虛擬仿真教學應用常態化提供參考。高校一是可積極共享現有優質虛擬仿真資源，二是建設具有自己特色的虛仿課程，三是購買成熟的商業化實驗項目補充提高虛仿課程教學水平。深入挖掘環境類虛擬仿真實驗內容聯系和知識要點，精選套餐式項目，將“多層次+階梯式”虛擬仿真項目融入實驗教學，打出“共享+特色”的組合拳是強化環境類實驗教學高質量發展的最優路徑。

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