引進(jìn)仿真實驗 推進(jìn)高職環(huán)境專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)改革

引進(jìn)仿真實驗 推進(jìn)高職環(huán)境專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)改革

于淼

摘要：針對高職類院校環(huán)境專業(yè)傳統(tǒng)實訓(xùn)存在的問題，分析了引進(jìn)仿真實驗實訓(xùn)的優(yōu)勢、仿真實訓(xùn)可能帶來的問題與對策等，并列舉混凝沉淀仿真實訓(xùn)實例,闡述了引進(jìn)仿真實驗推進(jìn)高職環(huán)境專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)改革的必要性與客觀性。仿真實驗可以顯著提高環(huán)境類專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)效果，但同時仿真實驗并不能完全替代真實實驗。仿真實驗應(yīng)該作為傳統(tǒng)實訓(xùn)教學(xué)的必要補充和延伸，實訓(xùn)中應(yīng)充分發(fā)揮仿真實驗和傳統(tǒng)實驗的各自優(yōu)勢，正確把握仿真實驗在實訓(xùn)教學(xué)中的地位。

關(guān)鍵詞：高職；環(huán)境專業(yè)；實訓(xùn)教學(xué)；仿真實驗

作者簡介：于淼，男，蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程師，碩士，主要研究方向為水污染控制技術(shù)、環(huán)境類課程教學(xué)。

中圖分類號：G712

高等職業(yè)教育的培養(yǎng)目標(biāo)是為社會培養(yǎng)技術(shù)型、應(yīng)用型人才，能夠適合企業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)的需要，即人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位于面向生產(chǎn)一線。因此，高等職業(yè)教育的特點是以職業(yè)能力培養(yǎng)為主。高職院校環(huán)境專業(yè)如環(huán)境工程技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測技術(shù)、環(huán)境規(guī)劃等專業(yè)，培養(yǎng)的學(xué)生不但要有一定的環(huán)保類、工程類理論基礎(chǔ)，更重要的是還需具備良好的實踐能力、創(chuàng)新能力和知識的綜合應(yīng)用能力，畢業(yè)后能在環(huán)保類企業(yè)的設(shè)備生產(chǎn)、環(huán)保設(shè)施運營、環(huán)境工程施工、環(huán)境實地監(jiān)測中擔(dān)當(dāng)起技術(shù)方面的工作，并有改進(jìn)創(chuàng)新的思路，在工作崗位上有所擔(dān)當(dāng)。許多環(huán)境類的高職課程如水污染控制技術(shù)、大氣污染控制技術(shù)、固廢污染控制技術(shù)等都有相當(dāng)數(shù)量的實訓(xùn)教學(xué)，這恰是實現(xiàn)這一培養(yǎng)目標(biāo)不可替代的教學(xué)環(huán)節(jié)。但目前高職院校的環(huán)境類專業(yè)實訓(xùn)還存在著許多與高職教育發(fā)展不相適應(yīng)的地方，如何改進(jìn)環(huán)境類實訓(xùn)教學(xué)改革成為高職院校教改面臨的一個重要課題。

一、傳統(tǒng)環(huán)境專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)的特點與存在問題

(一)環(huán)境專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)特點

高職院校環(huán)境專業(yè)要求學(xué)生具有較強的實踐動手能力，實訓(xùn)環(huán)節(jié)應(yīng)占有較大的比重。根據(jù)操作的難易程度和實驗本身的性質(zhì)，環(huán)境專業(yè)課程實訓(xùn)通常包括3個層次。[1]

1.基礎(chǔ)實訓(xùn)。該層次實訓(xùn)主要用于訓(xùn)練學(xué)生的通識基礎(chǔ)實驗、學(xué)科基礎(chǔ)實驗技能，是學(xué)生后續(xù)專業(yè)實踐的基礎(chǔ)，需要提供足夠的實驗設(shè)備，并保證充足的實驗課時，為學(xué)生打牢基礎(chǔ)。

2.專業(yè)實訓(xùn)。該層次實訓(xùn)伴隨專業(yè)課開設(shè)，是對課堂所學(xué)專業(yè)知識的鞏固和實踐，是專業(yè)的核心技能，主要訓(xùn)練學(xué)生掌握環(huán)境污染治理的基本工藝流程、設(shè)備的運行方式和操作方法等。該層次實訓(xùn)涉及的實驗設(shè)備通常比較昂貴、體積較大，而且實訓(xùn)中伴隨著污染物處理過程，容易產(chǎn)生二次污染。

3.綜合設(shè)計性實訓(xùn)。該層次實訓(xùn)是基礎(chǔ)實訓(xùn)和專業(yè)實訓(xùn)的進(jìn)一步延伸，用于訓(xùn)練學(xué)生綜合運用所學(xué)專業(yè)知識，設(shè)計并實際運行環(huán)境污染處理工藝的能力，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段。

綜上所述，環(huán)境專業(yè)實驗具有四個特點：實驗復(fù)雜，綜合性強；分析實驗儀器昂貴；專業(yè)實驗內(nèi)容更新快；實訓(xùn)過程存在一定的污染性與安全性。

(二)傳統(tǒng)環(huán)境專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)存在的問題

1.實驗結(jié)果誤差較大。傳統(tǒng)的實訓(xùn)系統(tǒng)以實物為主，在實訓(xùn)過程中，用各種測試儀器及電子元器件、處理設(shè)備連接成實際運行設(shè)施來完成，實驗誤差較大。一方面，主要是電子儀器設(shè)備易磨損老化、設(shè)備故障率較高、外來干擾因素(溫度、有毒物質(zhì)影響微生物活性等)較多，使實驗的固有誤差增大；另一方面，學(xué)生操作不準(zhǔn)確、不仔細(xì)等，導(dǎo)致人為的操作誤差增大。

2.學(xué)生人數(shù)過多，無法人人參與。由于財力及實驗室面積的局限，特別是一些專業(yè)實訓(xùn)和綜合設(shè)計性實訓(xùn)的設(shè)備比較復(fù)雜并有一定的占地面積(如一套污水處理中試設(shè)施)，而當(dāng)學(xué)生人數(shù)又較多時，不可能每個學(xué)生人手一臺設(shè)備進(jìn)行操作或調(diào)試，只能分組進(jìn)行實訓(xùn)。結(jié)果可能一個組只有一個或幾個學(xué)生在動手操作，大部分人只是旁觀者，在主觀或客觀上根本不參與實訓(xùn)。

3.不利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計和創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)實訓(xùn)系統(tǒng)受到設(shè)備、時間等因素的限制，在實訓(xùn)過程中不允許學(xué)生自行設(shè)計或改變實驗參數(shù)、反復(fù)調(diào)整后觀察實驗現(xiàn)象、分析實驗結(jié)果,達(dá)不到預(yù)期的實驗教學(xué)效果。因此，通過實訓(xùn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力的目標(biāo)難以實現(xiàn)。

4.不利于實驗考核。傳統(tǒng)實驗受到設(shè)備、時間、學(xué)生人數(shù)等方面的限制，一般教師僅僅根據(jù)實驗結(jié)果判定實驗成績，較少考慮學(xué)生的自我思考能力和設(shè)計能力、研究能力和綜合能力。

二、環(huán)境專業(yè)課程仿真實驗及引進(jìn)仿真實驗進(jìn)行實訓(xùn)的優(yōu)勢

針對環(huán)境專業(yè)課程實訓(xùn)教學(xué)的特點，傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)手段明顯存在局限性。將仿真實驗技術(shù)引入實訓(xùn)教學(xué)中，與傳統(tǒng)實訓(xùn)有機結(jié)合，成為近年來的重要發(fā)展趨勢。

(一)環(huán)境專業(yè)課程仿真實驗

仿真實驗是利用計算機創(chuàng)建一個可視化的實驗操作環(huán)境，通過這些虛擬實驗儀器或設(shè)備開展實驗，達(dá)到與真實實驗相一致的教學(xué)目的和要求。[2]目前，環(huán)境專業(yè)開設(shè)的仿真實驗項目有自由沉淀實驗、過濾實驗、混凝實驗、氣浮實驗、曝氣充氧實驗、活性污泥實驗、堿液吸收SO2實驗、旋風(fēng)除塵器性能實驗、污水處理實習(xí)仿真等，涉及的專業(yè)課程包括“環(huán)境工程原理”、“環(huán)境工程學(xué)”、“水污染控制工程”、“水處理設(shè)備設(shè)計與應(yīng)用”、“大氣污染控制工程”、“流體力學(xué)”。

(二)引進(jìn)仿真實驗進(jìn)行實訓(xùn)的優(yōu)勢

針對傳統(tǒng)的實訓(xùn)教學(xué)模式所存在的問題及仿真實驗的特點，引進(jìn)仿真實驗進(jìn)行實訓(xùn)的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下七個方面。

1.使用便捷，可以靈活開展實驗并節(jié)省實驗成本。仿真實驗只需要一臺電腦和一套實驗仿真系統(tǒng)軟件即可，學(xué)生可以隨時隨地完成相關(guān)實驗?？梢話侀_以儀器、化學(xué)藥品等為測量工具的傳統(tǒng)實驗方法，仿真實訓(xùn)成本低、功能全，仿真實訓(xùn)時不消耗器材、藥品，不損壞設(shè)備、安全可靠。相關(guān)課程所有實驗在虛擬的實驗平臺上完成，大幅度的降低了實驗設(shè)備的投資和實驗室維護(hù)費用的投入。

2.操作簡單，交互性好，實驗效果好，成功率高。仿真實驗具有良好的人機交互界面和幫助文檔，能隨時對學(xué)生給予提示和幫助，學(xué)生可以大幅度的降低實驗操作誤差和固有誤差。另外，通過對虛擬實驗平臺的仿真實驗，學(xué)生對環(huán)保設(shè)施運行等有了較深的了解，胸有成竹，在實際環(huán)保設(shè)施運行中也會上手較快，提高了工作能力。

3.可以重復(fù)開展實驗，不存在損壞儀器問題，不受設(shè)備藥品等因素限制，進(jìn)一步提高了實驗層次，激發(fā)了學(xué)生求知欲。虛擬實驗平臺不受測試儀器、設(shè)備的限制，很容易實現(xiàn)實驗實施方案的設(shè)計改造，仿真實驗是虛擬環(huán)境下的實驗，即使操作不當(dāng)，也不會損壞儀器，只要重啟一下實驗軟件即可重復(fù)實驗，可自行組織、自由操作和調(diào)試，不必?fù)?dān)心因參數(shù)設(shè)置錯誤等問題致系統(tǒng)崩潰導(dǎo)致不可逆的后果。學(xué)生可以大膽操作反復(fù)嘗試新的方法，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。同時，由于某些真實實驗所需的實驗儀器、實驗材料、測試費用比較昂貴而常常無法開展，仿真實驗則起到了較好的替代或補充，不但提升了實驗檔次，更主要的是使學(xué)生畢業(yè)后能盡快地適應(yīng)社會需求。

4.采用人手一機的方案，這樣可以強制性地幫助學(xué)生克服惰性和依賴性，督促每個同學(xué)都能更好地進(jìn)行實驗技能訓(xùn)練，拓展了學(xué)生參加實驗的積極性、主動性，一定程度培養(yǎng)了學(xué)生勤于思考、勇于創(chuàng)新的精神，較好地鍛煉了學(xué)生綜合實踐能力，實驗技能有了較大的提高。

5.實驗教學(xué)改革能促進(jìn)實驗指導(dǎo)教師不斷提升自身理論水平，提高了教學(xué)效率和教師的教學(xué)科研能力，促進(jìn)了教師業(yè)務(wù)知識的更新，使實驗教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容豐富多樣。[3]

6.便于開放性實驗室的具體實施。仿真實驗系統(tǒng)受到時間、場地等因數(shù)的影響小，易于實現(xiàn)開放實驗室，使學(xué)生可以在課余時間能夠充分利用實驗室開放，從事一些小設(shè)計、小制作，甚至參與一些科技項目研究。

7.可以開展在實際情況下無法實現(xiàn)的某些特殊故障查找與運行，提高學(xué)生的實踐能力。

三、實驗仿真系統(tǒng)的實施——以混凝沉淀實訓(xùn)為例

(一)傳統(tǒng)實訓(xùn)步驟與存在問題分析

混凝沉淀實訓(xùn)是水污染控制技術(shù)課程的一個專業(yè)實訓(xùn)，通過向平行原水水樣中投藥以確定已知混凝劑最佳投藥量和最佳pH值。所用設(shè)備為六聯(lián)攪拌器，測量設(shè)備為光電濁度計、酸度計、主要耗材有硫酸鋁、鹽酸、氫氧化鈉，確定最佳投藥量的步驟為：6個燒杯中的原水與不同量的混凝劑混合后，用6臺攪拌器同時對6個燒杯中混合物同時進(jìn)行攪拌，靜止沉淀后測濁度確定最佳投藥量。在傳統(tǒng)的實際實訓(xùn)中，從開始到結(jié)束包括藥品稱量配制、混合液投加、攪拌沉淀、數(shù)據(jù)處理等步驟大約需要2-3個小時，耗時較長，6臺攪拌器實際轉(zhuǎn)速不會完全一致，實驗有一定誤差，且設(shè)備使用時間越長，因磨損、器件老化、鹽酸與氫氧化鈉對攪拌器葉輪的腐蝕性等原因會使誤差持續(xù)增大。如若混凝劑投加有誤，則需將燒杯中混合物全部倒空重新配制，對實驗藥品造成浪費。實訓(xùn)過程中學(xué)生人數(shù)較多的話不會人手一臺攪拌器，按人數(shù)進(jìn)行分組就會出現(xiàn)旁觀者較多的現(xiàn)象。

(二)混凝沉淀實訓(xùn)仿真實驗的優(yōu)勢

1.混凝沉淀實訓(xùn)若采用仿真實驗，在計算機有一個可視化的實驗操作環(huán)境，通過這些虛擬實驗儀器或設(shè)備開展實驗(圖1)，在機房就可完成，學(xué)生可人手一機，每個人都可以按完整的步驟進(jìn)行實訓(xùn)，不存在旁觀者的現(xiàn)象。

圖1　混凝沉淀仿真實訓(xùn)界面

2.實訓(xùn)中的藥品配制、儀器測量、原水與混凝劑投加、pH調(diào)節(jié)等步驟都可以在交互式界面中完成(圖2)，比較形象直觀，能讓學(xué)生清楚地操作每一個步驟。如果操作錯誤可以重來，不存在藥品消耗等問題。

圖2　混凝沉淀仿真實訓(xùn)交互式界面

3.進(jìn)行攪拌和沉淀可以在仿真模擬的攪拌器控制面板中進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置(圖3)，與實際的操作并無區(qū)別，可以讓學(xué)生熟悉一些電氣、機械設(shè)備使用的基本常識。

圖3　混凝沉淀仿真實訓(xùn)攪拌器控制面板

4.最后實驗數(shù)據(jù)的處理與數(shù)據(jù)曲線的生成可直接由仿真實驗系統(tǒng)完成，沒有誤差的問題，縮短了實驗時間(圖4、圖5)。

圖4　混凝沉淀仿真實訓(xùn)數(shù)據(jù)處理

圖5　混凝沉淀仿真實訓(xùn)數(shù)據(jù)曲線

5.對學(xué)生的考核。每個實驗步驟及結(jié)果都會比較清楚地由仿真系統(tǒng)模擬并記錄，教師可以根據(jù)仿真系統(tǒng)記錄的結(jié)果，對每個學(xué)生的完成實驗情況進(jìn)行比較客觀的考核打分。

四、引進(jìn)仿真實驗后實訓(xùn)教學(xué)可能存在的問題與應(yīng)對措施

(一)引進(jìn)仿真實驗后實訓(xùn)教學(xué)可能存在的問題

1.過于依賴仿真實驗?；诜抡鎸嶒灥慕?jīng)濟(jì)性、快捷性、安全性等優(yōu)點，引進(jìn)仿真實驗后，其在實驗教學(xué)中的比重可能更為突出。然而過于依賴仿真實驗，會削弱學(xué)生對實驗儀器、藥品的認(rèn)知程度，減弱學(xué)生對實驗儀器操作的熟練程度，降低學(xué)生解決實際問題的能力。[4]

2.仿真實驗與真實實驗相互獨立。從環(huán)境專業(yè)開設(shè)的實驗項目來看，仿真實驗與真實實驗幾乎都是獨立進(jìn)行的，即如果同一種實訓(xùn)有仿真實驗就不開展真實實驗，可能很少將仿真實驗與真實實驗聯(lián)合起來作為一個實驗項目進(jìn)行開設(shè)，從而無法發(fā)揮仿真實驗“預(yù)演”的優(yōu)勢。

3.學(xué)生重視程度不夠。仿真實驗幾乎都是計算機設(shè)定程序下的驗證性實驗，通過簡單的鼠標(biāo)點擊或鍵盤輸入即可完成，學(xué)生無論操作好壞對實驗結(jié)果影響不大。其結(jié)果是很多學(xué)生對仿真實驗不重視，認(rèn)為實驗過程簡單，隨便操作一下便可得到實驗結(jié)果，對實驗原理、數(shù)據(jù)分析也是一知半解，并未主動分析思考問題，最終導(dǎo)致實驗教學(xué)效果較差。

(二)仿真實訓(xùn)教學(xué)中應(yīng)采取的改進(jìn)措施

1.加強仿真實驗與真實實驗的結(jié)合。雖然仿真實驗具有諸多優(yōu)點，但是與真實實驗還存在一定的差距，若過于依賴仿真實驗，則不利于學(xué)生動手能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。[5]因此，仿真實驗不能完全替代真實實驗，其不應(yīng)成為專業(yè)實驗教學(xué)的主體，而應(yīng)作為真實實驗的有效補充和延伸。

2.仿真實驗可為真實實驗做準(zhǔn)備。利用仿真實驗為真實實驗、生產(chǎn)實習(xí)等實踐課作好“預(yù)演”，可以使學(xué)生深入理解實驗原理、熟悉實驗過程、掌握實驗操作步驟，從而提前發(fā)現(xiàn)真實實驗過程中可能遇到的問題，減少實驗錯誤，提高實驗效率，節(jié)約實驗成本。同時，通過仿真實驗預(yù)演和真實實驗驗證，還可以進(jìn)一步強化學(xué)生實驗技能，提高實驗教學(xué)效果。加強仿真實驗與真實實驗的結(jié)合，不僅有利于強化學(xué)生的工程意識，改進(jìn)學(xué)生的思維模式，還有利于學(xué)生樹立全局觀念，預(yù)先對真實實驗形成整體認(rèn)識。[6]

3.改進(jìn)仿真實驗軟件。為了提高學(xué)生對仿真實驗的興趣和重視程度，應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有仿真實驗軟件，增加一些設(shè)計性操作或考查試題?？稍趯嶒炘?、實驗內(nèi)容、數(shù)據(jù)處理、實驗結(jié)果等之后設(shè)置若干考查試題，要求學(xué)生正確回答后才能進(jìn)行下一步操作，從而促使學(xué)生深入理解、認(rèn)真對待仿真實驗。

4.建立仿真實驗網(wǎng)絡(luò)開放式實驗室。通過仿真實驗網(wǎng)絡(luò)開放式實驗室，學(xué)生可以用指定賬號密碼登陸到學(xué)校仿真實驗系統(tǒng)，自行在線完成指定的仿真實驗項目，也可根據(jù)自己的興趣開展其他仿真實驗。這不僅有效解決了實驗課時偏少的問題，而且激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使實驗教學(xué)內(nèi)容在時間和空間上得到延伸。[7]

高職院校環(huán)境專業(yè)課程普遍具有實踐性強、對學(xué)生動手操作能力要求高的特點，加強實訓(xùn)教學(xué)具有至關(guān)重要的作用。對于高職類院校來說，仿真實驗的出現(xiàn)有效緩解了硬件資源的不足，顯著提高了環(huán)境專業(yè)實訓(xùn)教學(xué)效果。但同時，應(yīng)清楚地認(rèn)識到，仿真實驗并不能完全替代真實實驗，傳統(tǒng)實驗教學(xué)還具有采用真實的設(shè)備儀器、儀表能給學(xué)生很深的感性認(rèn)識等優(yōu)點,所以仿真實驗應(yīng)該作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的必要補充和延伸。因此，在實訓(xùn)教學(xué)中，只有充分發(fā)揮仿真實驗和傳統(tǒng)實驗的各自優(yōu)勢，正確把握仿真實驗在實訓(xùn)教學(xué)中的地位，才能既加強學(xué)生基本技能的訓(xùn)練，又提高學(xué)生的動手能力，為其將來走上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯陳國平]