實操結合仿真模式在環境工程專業實驗教學中應

隨著科學技術的進步，特別是計算機、多媒體技術、網絡技術的發展，傳統的教學思想、教學方法、教學手段都面臨著的挑戰，仿真實驗已成為一種新的發展趨勢，在高等學校的實驗教學中嶄露頭角[1， 2]。虛擬實驗室已經能夠在特定數值模型的基礎之上，對現實中的物理化學過程、生命過程、實驗過程、操作流程等實現軟件模擬，接受虛擬場景中的輸入并經過模型計算，對操作結果和實驗現象進行呈現或再現，從而達到對真實實驗系統的模擬[3]。應對目前社會對應用技能型人才需求，高校深化供給側改革，環境工程專業實驗課學時增加，涉及面更廣，隨著實驗項目的增多，需要的儀器設備更繁雜、占用實驗場地更多，實驗材料消耗更大，從而總體實驗費用升高，所有這些弊端都迫切需要改變傳統的實驗教學模式，模擬仿真實驗手段則恰好彌補了傳統實驗教學模式的不足。
一、傳統“實操”模式在實驗教學中局限性
在環境工程實驗教學中，傳統“實操”模式下，學生在實驗現場，直接接觸各類實驗儀器設備、藥品、實驗材料，身臨其境，實際操作，提高動手能力，很好地完成教學大綱對實驗基本操作能力訓練的要求。雖然傳統“實操”模式在實驗教學中有著不可替代的作用，但也存在一定的局限性：
（一）實驗總體費用高
滿足當前應用型人才培養對學生動手能力的要求，學生數量增大，實驗項目增多，采用傳統“實操”模式，需要的儀器設備多，種類繁雜，維護工作量極大，實驗材料消耗也不小，實驗場地緊張，實驗總體費用高。
（二）實驗環境不環保
環境工程專業的實驗中，經常使用有毒有害、易燃易爆危險化學藥品及影響實驗人員健康的菌種，實驗過程中，不可避免產生毒害氣體、污染環境廢水、廢渣，實驗環境不環保，長期累積對大環境也存在污染。
（三）部分實驗大綱要求難滿足
實驗中涉及先進大型貴重儀器設備，很難讓學生人手一臺，親自操作，學生往往走馬觀花，了解皮毛；校內不具備固體廢棄物焚燒裝置、SBR 水處理裝置等，更難滿足學生需求；即便購買一些實驗裝置，學生也很難觀察其內部結構，在有限的學時內，反復操作，尋找*實驗參數。
（四）實驗考核操作不方便、結果不理想
在實驗考核過程中，實驗指導教師在短時間內考核學生實驗操作、批改實驗報告、給出實驗成績，不但工作量大，也很難做到公平公正。
二、模擬仿真在實驗教學中優勢
模擬仿真實驗軟件在顯示整個實驗的過程中，將儀器設備、裝置及所呈現的現象形象真實展示出來，模擬的實驗過程科學、得出的數據可靠性高、實驗結果真實。模擬仿真能夠多次重復展示實驗現象，對現象的規律、規則、理論進行詳細深入的探索和研究方面較為有利。實際實驗中難以或根本觀察不到的實驗發生過程和微觀內部機制，學生通過智能化的模擬仿真形象的表現，便于揭示其中內涵、規律；在理解抽象的概念、掌握或探索有關的規則、定理或定律方面，學生通過模擬仿真改變實驗條件、參數或儀器進行對照類比，方便瞬間觀察感興趣的現象或量值，揭示現象背后的實質問題。與傳統的實操實驗相比，模擬仿真實驗教學有以下優點：
（一）仿真實驗投資少，使用及維護方便
仿真實驗只需將軟件安裝在計算機上即可運行，利用學校已有的計算機資源，使用較少的投資，即可開展實驗，且方便學生使用，滿足大批量學生實驗的教學需求，化解了學生多而實驗裝置少的矛盾。同時，縮短了教師實驗前的準備工作時間，日常維護負擔也較維護多種實驗設備輕。
（二）仿真實驗生動形象，操作簡便
仿真實驗工藝流程形象逼真，實驗的操作只需使用鼠標和鍵盤就可完成，操作極其簡便，且無材料消耗，儀器損耗。在實驗過程中，整個工藝流程出現在屏幕上，一目了然，還具有局部放大功能；學生可縱觀全局，更好地把握實驗過程，樹立工程觀念，有利于調動學生的學習積極性。
在有限的課程學時內，學生利用仿真軟件短時間內可反復實驗，可進行更多的開放式、綜合性實驗，提高了學習效率。
（三）仿真實驗結果考核公正、便利
仿真實驗過程中，教師利用模擬仿真軟件的“操作評價功能”，對學生的實驗操作動作、實驗結果給出科學公正的評判。教師用機可以隨時檢查學生完成實驗情況，解決學生實驗中出現的問題，進行數據處理與統計，網上批改學生實驗報告，考核學生實驗效果，給出實驗成績。
（四）仿真實驗綠色安全
采用常規的、傳統的實驗方式，環境工程專業的實驗教學不可避免使用一些昂貴、容易引起爆炸或有毒有害試劑\ 藥品。模擬仿真實驗不但化學試劑和儀器裝置“零投入”而且“廢棄物*”，在涉及高?；虻沫h境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等情況時，可提供可靠、安全和經濟的實驗項目，既節約資金又安全可靠，還可防止環境污染，創造綠色學習環境。
教師利用模擬仿真軟件進行模擬違規操作，將產生的后果展示給學生，讓學生看到誤操作的嚴重后果，時刻警醒學生科學、嚴謹的工作態度在未來工作中的重要性，提高了學生科研素養。
三、“實操結合模擬仿真”模式在環境工程專業實驗教學中應用原則
（一）注重能力培養，能“實”勿“虛”
盡管模擬仿真實驗教學存在諸多優勢，但“實操”模式在實驗教學中的地位不可替代。否則學生紙上談兵，輕點鼠標，動手能力得不到培養，無法適應未來實際工作需要。
因此，在實驗教學中，應注重能力培養，能“實”勿“虛”，“實操”模式必須保持主要地位。
（二）有機結合，互為補充
“實操”與“模擬仿真”兩種模式在實驗教學中有機結合，各出所長，相互取長補短，而不是以此代彼，只有如此，才能獲得更好的效果。
二者的這種結合體現在具體實踐中，可以是某個獨立的實驗項目，如儀器分析實驗中的氣象色譜儀、液相色譜的使用，學生參觀了解儀器實物，觀察教師實驗操作演示后，再進行仿真操作。也可以是某課程的幾個實驗項目，例如固體廢棄物處理與處置這門課設置了固體廢物的水分與灰分測定實驗、粉煤灰分子篩的制備與性能研究、垃圾焚燒過程模擬、有機垃圾生物處理四個實驗項目，前兩項，采用實操模式，學生了解固廢水分的存在形式與灰分的組成，掌握不同固體廢物中水分與灰分的測定方法、堿熔法或固相法合成粉煤灰分子篩的基本原理及實驗方法、紫外-可見分光光度計的構造原理以及操作方法、吸附試驗操作原理與方法；后兩項，受實驗室條件限制，實操無法完成，采用仿真模擬模式，學生通過仿真實驗進行生活垃圾的收集與熱值測定，在回轉窯焚燒約5 公斤生活垃圾，注意觀察爐體溫度變化，記錄相關焚燒參數，從而掌握熱值測定方法，回轉窯或焚燒爐工作原理及結構組成，垃圾焚燒操作技術；有機垃圾生物處理過程模擬實驗中，學生通過仿真實驗，以學校食堂收集廚余垃圾為模型，進行好氧堆肥/厭氧發酵處理，調節含水率及C/N 比，控制通氣流量和時間，記錄溫度變化，測定含水率、總固體、揮發性固體、碳氮比等，觀察到了有機固體廢物在生物處理過程中的變化，加深對堆肥和厭氧消化概念的理解；掌握好氧堆肥和厭氧消化工藝過程和控制方法；及好氧堆肥和厭氧消化工藝影響因素與控制措施，彌補了實操的缺憾，較好達到了實驗目的。
（三）適應需求，發展完善
適應社會對創新應用型人才培養的需求，“實操”與“模擬仿真”兩種模式在實驗教學中應與時俱進，不斷完善，在實踐中找到*結合方式，更好完成教學任務。
四、虛擬仿真實驗教學中心的建設實踐
學校虛擬仿真實驗教學中心建設工作以全面提高高校學生創新精神和實踐能力為宗旨，以“科學規劃、共享資源、突出重點、提益、持續發展”為指導，以共享實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，本著充分體現虛實結合、相互補充、能實不虛的原則，持續推進，逐步完善，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，使學生在虛擬環境中開展實驗，達到教學大綱所要求的教學效果。
（一）虛擬仿真實驗教學資源建設方面
以培養學生綜合設計和創新能力為出發點，發揮學校學科專業優勢，利用企業提供資源，豐富教學內容，拓展實驗領域，提高教學能力，降低成本和風險，開展綠色實驗教學。
（二）虛擬仿真實驗教學的管理和共享平臺建設方面
建設具有擴展性、兼容性管理和共享平臺，管理實驗教學資源，實現校內相關學科實驗教學資源共享。
（三）虛擬仿真實驗教學和管理隊伍建設方面：
學校虛擬仿真實驗教學和管理隊伍主要由教育理念先進，學術水平高，教學科研能力強，實踐經驗豐富，勇于創新的教師、科研、實驗技術人員組成。
（四）虛擬仿真實驗教學中心的管理體系建設方面
學校系統制定并有效實施了《虛擬仿真實驗教學的教師工作績效考核辦法》、《虛擬仿真實驗教學經費使用管理制度》、《實驗教學中心維護管理規定》，《提高學生創新能力的教學效果考核辦法》等虛擬仿真實驗教學中心的管理制度。
五、模擬仿真與實操相結合的實驗教學模式實踐
模擬仿真實驗教學雖然具有很大優勢，但也具備局限性，畢竟學生在未來的工作崗位上，不能只是輕點鼠標就能完成工作任務，只有與實操實驗教學有機結合起來，優勢互補，才能收到良好效果，全面提高教學質量，滿足社會對人才需求條件。
在環境工程專業實驗課中，我們引進了與環境工程專業實驗相對應的由北京東方仿真公司開發的仿真軟件，主要有化工原理實驗、流體力學實驗、環境工程水處理實驗、大氣污染控制設備單元、垃圾焚燒廢氣處理、AAO 工藝、SBR 工藝、WASB 工藝等全流程的仿真培訓軟件用于實驗教學，學生在校內就可以充分得到大型貴重儀器使用、垃圾和污水處理流程的訓練，真正將環境監測實驗室、污水處理廠、垃圾填埋場搬進教室，在操作技能掌握上更加系統和全面。具體實踐中：
1. 對涉及基本實驗操作技能的實驗項目，如環境分析監測的實驗中的藥品配制、滴定操作、水樣的采集等，學生必須實際操作，反復演練，直至達到熟練操作；實際操作前，學生利用仿真實驗，反復觀看實驗操作技巧，促進實操水平提升。
2. 對實驗中涉及先進大型貴重儀器設備的，如儀器分析實驗，首先理論課講解實驗儀器原理，接著讓學生到學校的教育部環境生態工程重點實驗室對氣象色譜、液相色譜等貴重儀器實物觀察，對使用儀器有感官的了解，在此過程中，教師實際操作演示儀器使用，講解儀器操作方法、注意事項，學生觀看學習，此后，學生再利用大型儀器分析模擬軟件學習設備構造、原理，進行反復模擬操作，直至運用模擬軟件考核合格。
3. 對實驗中試劑藥品昂貴或涉及有毒有害試劑的實驗，實驗中容易引起爆炸產生環境污染的實驗項目，如環境化學、環境監測實驗部分項目，利用模擬仿真教學，讓學生在計算機上做實驗，不但能達到實驗目的，而且綠色安全、無環境污染。又如環境工程微生物實驗中微生物觀察與計數，學生每人一臺顯微鏡利用無毒害的酵母菌，反復實際操作，直至掌握顯微鏡操作技巧、微生物計數方法，而對有危害的金黃葡萄球菌、大腸桿菌等形態觀察，則利用虛擬軟件在機房操作，從而完成實驗教學。
4. 針對校內不具備的如固體廢棄物焚燒裝置、SBR 水處理裝置等，采用模擬仿真實驗，通過模擬仿真，實驗原理、裝置、流程、過程展現在學生面前，一目了然，學生通過設置、更改相關流程參數，取得*結果，完成實驗。緩解了傳統實驗方式場地占用大、實驗裝置昂貴、實驗周期長，耗材耗時，實驗效果不理想，不能很好達到實驗教學目的的矛盾。
水污染控制工程是高等學校環境工程專業必修的一門理論性和實踐性都很強的學科，其中的理論、原理，工程設計等都離不開實驗。而其實驗項目氣浮實驗，傳統“實操”模式，或受實驗場地、時間、設備裝置的限制，無法很好完成，而采用仿真實驗模式，學生通過仿真模擬壓力溶氣氣浮工藝，虛擬儀器面板設計氣浮工藝構筑物參數，如接觸池的長、寬、深，分離池的長、寬、深，溶氣罐的直徑、填料層高等，在實驗過程中，調整介質間張力系數、進水流量、回流溶氣水量、水溫等主要參數，觀察其對氣浮效果的影響，加深理解氣浮法的工作原理和工藝組成；掌握氣浮處理系統的設計運行參數；掌握氣浮工藝處理廢水時，不同運行參數對運行效果的影響。城市污水綜合處理方案設計實驗，學生利用所學理論知識，針對城市污水，進行方案設計，并通過仿真模擬對設計的工藝流程進行運行，對處理單元作用、參數、工藝特點、效率等進行評價和分析。了解城市污水的特點；設計了城市污水處理方案；掌握污水處理工藝單元的作用和工作參數；計算出各個處理單元的分級效率；評價、總結該處理方案的特點及效率。激發了學生學習興趣，達到了教學大綱的要求。
5. 對實驗室具有簡易裝置又有模擬仿真軟件的實驗項目，如化工原理、流體力學在學生接授過理論教學后，到實驗室參觀了解實驗裝置，再利用模擬仿真教學，讓學生觀察現象，找準參數，再到實驗室實際操作。
“實操結合模擬仿真”模式在環境工程專業實驗教學中近2 年的試用，不但緩解當前實驗經費與場地的不足，而且調動學生的主動性，更好地達到實驗教學的目的。
六、結束語
與傳統實驗教學方式相比，虛擬仿真實驗教學能實現真實實驗不具備或難以完成的教學功能，具有生動形象、操作簡便，投資少，使用及維護方便，實驗結果考核公正便利，實驗環境綠色安全的優勢。發揮仿真實驗優勢，再結合實操實驗，緩解當前環境工程實驗教學的困境，增強教師和學生的參與感，能很好地達到實驗教學的目的。
只有堅持以學生為主體的教學理念，將模擬仿真實驗教學與傳統實驗教學方法緊密地結合起來，實行優勢互補，在教學實踐中不斷地探索，在探索中不斷地改進，才能充分發揮模擬仿真加實操實驗教學的優勢，提高課堂效率，提升教