大氣污染控制工程信息化實驗教學(xué)模式的構(gòu)建

劉 濤, 李照海, 羌 寧, 徐 斌, 施鼎方, 徐竟成

(同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程國家實驗教學(xué)示范中心，上海 200092)

大氣污染控制工程信息化實驗教學(xué)模式的構(gòu)建

劉 濤, 李照海, 羌 寧, 徐 斌, 施鼎方, 徐竟成

(同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程國家實驗教學(xué)示范中心，上海 200092)

針對在大氣污染控制工程專業(yè)實驗教學(xué)中課前預(yù)習(xí)不足、實驗條件難于控制、課后開放程度不夠等問題，采用計算機、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)構(gòu)建以課前在校園網(wǎng)上預(yù)習(xí)3D虛擬仿真實驗，課上數(shù)字化監(jiān)控實驗過程和課后網(wǎng)上在線實驗的開放為核心的三位一體的大氣污染控制工程信息化實驗教學(xué)模式。實現(xiàn)了課前沉浸式預(yù)習(xí)、課上精確監(jiān)控、課后遠程開放，充分共享實驗教學(xué)資源，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

大氣污染控制； 信息化； 3D虛擬仿真； 網(wǎng)絡(luò)在線實驗

0 引 言

根據(jù)教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020)》[1]，高等教育信息化的主要任務(wù)是：“進一步加強基礎(chǔ)設(shè)施和信息資源建設(shè)。重點推進信息技術(shù)與高等教育的深度融合，促進教育內(nèi)容，教學(xué)手段和方法現(xiàn)代化，促進高等教育質(zhì)量全面提高[2-3]?！痹诖髿馕廴究刂乒こ绦畔⒒瘜嶒灲虒W(xué)改革中，使大氣污染控制工程理論知識與3D虛擬仿真技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，建立了多維度立體化的高效教學(xué)空間，使大氣污染控制工程實驗的課前預(yù)習(xí)、課上實驗教學(xué)監(jiān)控[4]和課后開放實踐教學(xué)無縫對接。通過互聯(lián)網(wǎng)共享大氣污染控制實驗教學(xué)資源，為師生提供開放型的實驗教學(xué)環(huán)境，使得實驗教學(xué)在內(nèi)容、時間及空間等方面得到多維化延伸和融合[5-6]。

1 信息化實驗教學(xué)的應(yīng)用

構(gòu)建以課前在校園網(wǎng)上預(yù)習(xí)3D虛擬仿真實驗，課上數(shù)字化監(jiān)控實驗過程和課后網(wǎng)上在線實驗的開放式三位一體的信息化大氣污染控制工程實驗教學(xué)模式。下面以有機污染氣體活性炭吸附與脫附實驗為例[7-8]，介紹該信息化實驗教學(xué)模式的構(gòu)建。

1.1 課前3D虛擬仿真實驗

教師根據(jù)有機污染氣體活性炭吸附與脫附實驗制作顆?；钚蕴课絻艋宜嵋阴?D虛擬仿真實驗軟件并發(fā)布到實驗教學(xué)中心網(wǎng)站上。學(xué)生課前通過校園網(wǎng)上進入3D虛擬實驗室并在虛擬的場景下按照該實驗步驟完成整個實驗并網(wǎng)上遞交實驗報告。教師通過仿真實驗室管理平臺進入教師考評系統(tǒng)來查看每位學(xué)生操作記錄和點評學(xué)生預(yù)習(xí)的情況，如圖1所示。

1.2 課上數(shù)字化監(jiān)控實驗

在有機污染氣體活性炭吸附與脫附實驗中有8套實驗裝置，每次實驗可以供24名學(xué)生分成8組每組3人進行實驗。發(fā)現(xiàn)該實驗在脫附環(huán)節(jié)時，因?qū)W生手動控制脫附溫度，造成脫附溫度波動比較大，導(dǎo)致實驗結(jié)果不理想，無法繪制穿透曲線。故在計算機上編程溫度精確軟件控制實驗裝置的溫控儀實現(xiàn)一臺電腦可以控制8臺實驗裝置的溫度并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，輔助學(xué)生了解實驗過程中數(shù)據(jù)監(jiān)測的重要性，便于大家對吸附與脫附過程有更深入的了解。實驗過程如圖2所示。

1.3 課后開放網(wǎng)絡(luò)在線實驗

等比例放縮了揮發(fā)性有機氣體循環(huán)脫附分流回收吸附凈化實際工程[9-10]，建設(shè)了有機污染氣體活性炭吸附與脫附的在線實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含網(wǎng)上遠程控制模塊、線上虛擬操作模塊、實驗室現(xiàn)場操作模塊、在線監(jiān)測與監(jiān)控模塊和線上教師幫助模塊。學(xué)生根據(jù)在線工程化實驗裝置，自主設(shè)計、確定實驗?zāi)繕?biāo)，自主選擇實驗內(nèi)容，現(xiàn)場準備實驗，通過網(wǎng)絡(luò)遠程控制實驗過程，在線監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)，驗證自己的實驗設(shè)想。同時在實驗過程中，學(xué)生通過線上教師幫助系統(tǒng)與教師互動來解決實驗中出現(xiàn)問題。實驗系統(tǒng)的控制圖和實物圖如圖3所示。

圖3 揮發(fā)性有機氣體循環(huán)脫附分流回收吸附凈化在線實驗系統(tǒng)

2 信息化實驗教學(xué)改革的意義

通過利用先進的計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等信息加工處理傳播技術(shù)，將大氣污染控制工程實驗資源數(shù)字化，然后通過互聯(lián)網(wǎng)和計算機構(gòu)建了課前網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)、實驗課堂實時監(jiān)控和課后在線開放創(chuàng)新的三位一體的一種新興的實驗教學(xué)模式。數(shù)字化實驗教學(xué)具有多方面的非常突出的優(yōu)勢，利用信息化可以解決目前實驗教學(xué)中存在的很多問題[11-12]。

2.1 實驗教學(xué)資源開放與共享

信息化實驗教學(xué)的最大優(yōu)點之一就是可以真正實現(xiàn)實驗資源共享。是因為信息化大氣污染控制工程實驗通過服務(wù)器發(fā)布在Internet，任何一個學(xué)生，在任何時候，任何一個有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境，都可以通過計算機調(diào)用大氣污染控制工程實驗教學(xué)軟件和其他資源，從而達到該實驗教學(xué)不受課堂、課時和經(jīng)費的任何限制，真正實現(xiàn)教學(xué)資源的開放與共享。如把揮發(fā)性有機氣體吸附與脫附的3D虛擬仿真實驗的軟件共享到Internet，學(xué)生課前在校園網(wǎng)中提前學(xué)習(xí)理解和掌握該實驗的目的和原理，演練實驗步驟，帶著問題在實際實驗中驗證，從而解決了僅3～4學(xué)時的實驗無法達到充分訓(xùn)練動手、觀察和思考等實驗技能，提高實驗教學(xué)的趣味和效果。

2.2 工程實驗條件精準控制

信息化大氣污染控制工程實驗不僅在教學(xué)資源Internet網(wǎng)上開放和共享得到充分體現(xiàn)，也能利用計算機達到軟硬件相結(jié)合精準控制實驗條件，使工程實驗課中得到的數(shù)據(jù)準確，加深學(xué)生通過實驗現(xiàn)象來理解實驗原理，利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究的能力。如活性炭吸附與脫附實驗在信息化改造前，因每組學(xué)生手動控制脫附溫度使各組間的脫附溫度差別很大，所以各組間的實驗數(shù)據(jù)差別很大，甚至有些組無法繪制脫附的穿透線，影響實驗效果；現(xiàn)在利用計算機統(tǒng)一控制8組脫附溫度，使脫附溫度恒定在160 ℃，上下浮動溫度在1 ℃的范圍內(nèi)，確保實驗數(shù)據(jù)的準確性，提高實驗效果。

2.3 緊密結(jié)合工程實踐

大氣污染控制工程實驗每學(xué)年僅有10幾學(xué)時,無法有效培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。但信息化實驗教學(xué)通過網(wǎng)絡(luò)中可以把設(shè)計實驗和工程實驗結(jié)合在一起，避免工程設(shè)備難保養(yǎng)、高消耗、高耗能以及危險性等問題，促使實驗原理與工程實踐完美統(tǒng)一，解決現(xiàn)有理論學(xué)習(xí)與生產(chǎn)實踐相脫節(jié)的現(xiàn)實問題。例如，揮發(fā)性有機氣體活性炭吸附與脫附在線實驗系統(tǒng)，把工程實際操作引入實驗教學(xué)當(dāng)中，學(xué)生利用自己的課余時間虛實結(jié)合的場景下完成實驗，師生在線上互動，有助于學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的提高[13]。現(xiàn)已經(jīng)完成的創(chuàng)新實驗項目有“氣態(tài)揮發(fā)性有機物污染控制實驗研究”“活性碳流化床吸附揮發(fā)有機物”“合成革混合有機廢氣一步法吸附回收研究”“氣體循環(huán)再生干式吸附凈化工藝裝備試驗裝置開發(fā)”等。其中“合成革混合有機廢氣一步法吸附回收研究”獲國家級創(chuàng)新實驗項目。

3 結(jié) 語

在一個全時空、開放式、可互動的大氣污染控制工程信息化實驗教學(xué)環(huán)境中學(xué)生不僅可以通過網(wǎng)絡(luò)提前預(yù)習(xí)相關(guān)實驗并發(fā)現(xiàn)問題，帶著問題去實驗并解決，也可以根據(jù)在線工程化實驗裝置，自主設(shè)計、確定實驗?zāi)繕?biāo)，自主選擇實驗內(nèi)容，在工程實踐中驗證自己的工程設(shè)想[14]。這樣的環(huán)境為學(xué)生提供了個性化發(fā)展的條件和空間，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，形成了教與學(xué)之間的良性互動[15]。

[1] 中華人民共和國教育部.教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》的通知[EB/OL].[2012年3月13日].

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Construction of Informatization Experimental Teaching Mode in Air Pollution Control Engineering

LIU Tao, LI Zhaohai, QIANG Ning, XU Bin, SHI Dingfang, XU Jingcheng

(College of Environmental Science and Engineering, Experimental Teaching Demonstration Center of Environmental Science and Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China)

The technologies of computer, multimedia, network communication and so on are used to solve the problems of the lack of preview before class, difficult control of experimental conditions, the diversity of activities after class in the experimental teaching of air pollution control. The combination of previewing 3D virtual simulation experiment on campus network before class, digital monitoring experiment process in the class and experimenting online after classis are used to build up as the core of three-in-one air pollution control engineering experiment informatization teaching mode. Thus, the immersion preview before class, accurate monitoring in the class and remote open after class are realized, experimental teaching resources are fully shared. The students' learning enthusiasm is improved, students’ practical ability and innovation ability are cultivated at the same time.

air pollution control； information technology； 3D virtual simulation； online experiment

2016-07-26

劉 濤(1976-)，男，山東棗莊人，碩士，高級工程師，主要從事大氣污染控制實驗教學(xué)及揮發(fā)性有機物減排工作。

Tel.：13918717147；E-mail：liutao@#edu.cn

X 51；G 642.0

A

1006-7167(2017)08-0234-03