地方高校環(huán)境工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)模式改革與實踐

俞果 游少鴻 蔣萍萍

摘 ?要：生態(tài)文明建設(shè)是我國的千年大計，社會迫切需要高校培養(yǎng)出滿足新時代下生態(tài)環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需的德才兼?zhèn)涞膹?fù)合型環(huán)境工程專業(yè)技術(shù)人才。文章針對現(xiàn)階段環(huán)境工程專業(yè)實踐教學(xué)過程中“做不了、做不好、做不起”的實踐教學(xué)問題，從教學(xué)體系、教學(xué)平臺、教學(xué)方法、教學(xué)資源等方面，對環(huán)境工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)模式改革途徑進(jìn)行了探索，以期為其他高校的虛擬仿真教學(xué)實踐提供參考，提升廣西環(huán)境類專業(yè)建設(shè)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量，推動廣西邊疆民族地區(qū)高等教育的高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：環(huán)境工程;虛擬仿真;生態(tài)文明

中圖分類號：G640 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1673-7164（2022）02-0097-04

生態(tài)文明建設(shè)是我國的重要任務(wù)，是關(guān)系到民族未來的大事[1]。環(huán)境類專業(yè)在貫徹生態(tài)文明建設(shè)理念方面具有很大的優(yōu)勢[2]。黨和國家對生態(tài)文明建設(shè)的高度重視和新經(jīng)濟(jì)下大量新技術(shù)、新業(yè)態(tài)的發(fā)展，對環(huán)境類工程技術(shù)人才提出了新的更高要求。環(huán)境工程專業(yè)是一門覆蓋了水污染控制、大氣污染控制、土壤修復(fù)等多個研究方向的綜合性學(xué)科，多學(xué)科交叉融合所要求的知識儲量較大，具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性[3]。環(huán)境工程學(xué)科培養(yǎng)人才的主要目標(biāo)是能解決挑戰(zhàn)性較高的實際工程問題，對畢業(yè)生的工程實操能力提出了高要求，因而對學(xué)生的動手實踐能力的培養(yǎng)成為本學(xué)科非常關(guān)鍵的教學(xué)內(nèi)容。目前國家環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度很快，用人單位需要大量環(huán)境工程專業(yè)的優(yōu)秀人才，但目前的應(yīng)屆畢業(yè)生大多都存在創(chuàng)新能力不足、工程實踐能力差、難以快速適應(yīng)崗位工作等諸多不足。建立符合時代要求的虛擬仿真實踐教學(xué)體系，增加實踐訓(xùn)練的比重，掌握工程實踐和應(yīng)用技能，提高解決復(fù)雜工程問題和主動創(chuàng)新的能力是當(dāng)下高校環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)的重點需求。

桂林理工大學(xué)擁有廣西唯一的環(huán)境科學(xué)與工程博士學(xué)位授權(quán)點和博士后科研流動站，是中央與地方共建的高校，建設(shè)有水污染控制國家級實驗教學(xué)示范中心和環(huán)境污染防治與生態(tài)保護(hù)虛擬仿真國家級實驗教學(xué)中心。在此基礎(chǔ)上，桂林理工大學(xué)堅持“虛實結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實不虛”的原則，以加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)培養(yǎng)為核心，建立了“一核心、三層次、五結(jié)合、七庫源”的實驗教學(xué)體系。緊密結(jié)合廣西地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，依托完成的科研課題和工程項目，將部分研究成果轉(zhuǎn)化為特色實驗教學(xué)項目，采用先進(jìn)的開發(fā)技術(shù)，建設(shè)一批獨具特色、共享的仿真教學(xué)資源，降低實驗成本、風(fēng)險和環(huán)境污染，基本覆蓋了環(huán)境類專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課。通過將桂林理工大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)課程目標(biāo)與“金課”標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，將虛擬仿真技術(shù)融入專業(yè)教學(xué)過程中，對為當(dāng)?shù)厥袌雠囵B(yǎng)符合實際需求的環(huán)境工程專業(yè)畢業(yè)生，加速廣西環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)廣西地方經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

一、我國虛擬仿真實驗教學(xué)研究現(xiàn)狀

我國虛擬仿真技術(shù)研究的應(yīng)用相比于西方發(fā)達(dá)國家相對滯后，20世紀(jì)90年代才剛剛起步，各方面差距都比較明顯。近年來，為深入貫徹《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)的通知》等文件的重要精神，全國各地各高校相繼開展了虛擬仿真實驗教學(xué)平臺和資源的建設(shè)[4]。歷經(jīng)數(shù)年的發(fā)展，在中央和地方財政的大力支持下，我國近年來先后在浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等數(shù)百所高校組建了國家級虛擬仿真實驗教學(xué)基地。公開數(shù)據(jù)表明，這些國家級虛擬仿真實驗室所支持的專業(yè)絕大多數(shù)都是材料科學(xué)、化學(xué)、機(jī)械制造等理工科專業(yè)。教育部于2019年下半年正式發(fā)布了《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》，指出一流本科課程建設(shè)就是要建立一種全新的課程理念，改革課程評價體系，消滅“水課”，形成多類型、多樣化的教學(xué)內(nèi)容與課程體系[5]。通過三年的大力投入和建設(shè)，目前已有超過10000門的國家級和省部級一流本科課程，其中有1000門以上為國家虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程。虛擬仿真“金課”的目標(biāo)是解決實際運(yùn)行困難，如某些涉及極端或者危險環(huán)境，成本高、消耗多、操作不可逆等問題。2020年11月，教育部高等教育司公布首批國家級一流本科課程公示名單，327門虛擬仿真實驗教學(xué)一流課程（“金課”）在列。

廣西壯族自治區(qū)政府大力支持虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)，已經(jīng)在包括桂林理工大學(xué)、廣西大學(xué)在內(nèi)的多所區(qū)內(nèi)高校建立了虛擬仿真實驗教學(xué)中心，目前，桂林理工大學(xué)已建立包括環(huán)境污染防治與生態(tài)保護(hù)、化學(xué)工程與工藝在內(nèi)的兩個國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心以及五個省部級虛擬仿真實驗教學(xué)中心。不同類型的虛擬仿真實驗教學(xué)中心在建設(shè)理念、教學(xué)實踐等方面各具特色，建設(shè)過程中的指導(dǎo)思想都是習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想，且最終目的都是培養(yǎng)能解決復(fù)雜工程問題的復(fù)合型創(chuàng)新人才，滿足國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要。

二、地方高校環(huán)境工程專業(yè)實踐教學(xué)的問題

（一）綜合性實踐項目較少

環(huán)境工程專業(yè)的實驗教學(xué)內(nèi)容一般主要包括對于環(huán)境污染物的檢測和分析以及后續(xù)的處理。然而由于場地和實驗設(shè)備的限制，很多環(huán)境類專業(yè)實踐教學(xué)項目實驗內(nèi)容較為單一，驗證性及綜合性實驗較少，無法培養(yǎng)學(xué)生在實際污染治理場地處理多因素融合復(fù)雜問題的能力，且在實驗過程中，學(xué)生動手操作和主動思考的機(jī)會很少，難以滿足社會對應(yīng)用型綜合人才的迫切需求。

（二）部分實驗項目存在健康風(fēng)險

環(huán)境類實驗存在與化學(xué)實驗類似的試劑污染、爆、毒、腐、火、水和電等安全隱患。如在除塵器除塵效率測定實驗中，如果實驗室的通風(fēng)效果不佳或儀器存在故障，將對參與實驗學(xué)生的身體健康帶來很大的威脅;在活性污泥的相關(guān)實驗項目中，曝氣不足時可能產(chǎn)生硫化氫等惡臭氣體，造成安全隱患。再如桂林理工大學(xué)填料吸收塔吸收效率測定項目，原本要用二氧化硫作為試驗氣體進(jìn)行吸收試驗，但由于二氧化硫的惡臭和對人體的危害，只能用二氧化碳代替，導(dǎo)致教學(xué)效果大打折扣。

（三）現(xiàn)場設(shè)備操作不易實現(xiàn)

環(huán)保設(shè)備的操作和維護(hù)也是環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)需求之一，理論教學(xué)中對于相關(guān)設(shè)備的介紹也是學(xué)習(xí)重點之一。大型儀器設(shè)備的使用授課大多存在預(yù)熱耗時長、上機(jī)訓(xùn)練耗材費用高、儀器設(shè)備自損較大以及授課設(shè)備分析精度恢復(fù)難度大等問題。由于購置設(shè)備的費用非常高，高校的實驗教學(xué)項目通常只購置模型給學(xué)生觀察學(xué)習(xí)，由于設(shè)備不具備實際功能，學(xué)生的操作能力無法得到培養(yǎng)，對所涉及的專業(yè)知識的理解程度也十分有限。如在指導(dǎo)本科生學(xué)習(xí)電感耦合等離子體質(zhì)譜的原理和操作時，由于設(shè)備昂貴且容易被損害，只能由教師代替學(xué)生上機(jī)操作，將實操實驗教學(xué)改為演示實驗。

（四）實習(xí)工作較少深入一線

一般來說，當(dāng)學(xué)生進(jìn)入環(huán)保企業(yè)進(jìn)行實習(xí)時，生產(chǎn)企業(yè)很難提供設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)等真實的教學(xué)條件，學(xué)生現(xiàn)場參觀多流于“走馬觀花式”的實習(xí)。由于存在安全隱患，生產(chǎn)單位基本只會提供現(xiàn)場參觀的機(jī)會，而不會安排實習(xí)的學(xué)生到生產(chǎn)一線去參加培訓(xùn)和實踐操作。缺乏親身體驗的生產(chǎn)實習(xí)讓學(xué)生無法產(chǎn)生深刻印象，學(xué)到的知識僅浮于表面，無法真正將理論知識與工程實踐相結(jié)合，不能實現(xiàn)實習(xí)的真正目標(biāo)。如經(jīng)常組織學(xué)生到當(dāng)?shù)氐拇笮臀鬯幚韽S開展實習(xí)，雖然能極大地開拓學(xué)生的視野和見識，但出于學(xué)生人數(shù)與安全方面的考慮，無法讓每個學(xué)生都體驗一線生產(chǎn)的操作流程。

三、基于“金課理念”的環(huán)境工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)模式改革策略

（一）構(gòu)建環(huán)境工程專業(yè)多維度的虛擬仿真實驗教學(xué)體系

針對“金課”建設(shè)的目標(biāo)和要求，建立適合環(huán)境類專業(yè)教學(xué)特點的層次豐富的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，構(gòu)建覆蓋基礎(chǔ)實驗、綜合實驗、創(chuàng)新實驗的全方位虛擬仿真實驗教學(xué)體系，完成多維度的人才培養(yǎng)。建立的虛擬仿真實驗教學(xué)體系從多個角度回應(yīng)“金課”建設(shè)的目標(biāo)和要求，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。高階性指的是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜環(huán)境工程問題的能力，創(chuàng)新性是指對于課程內(nèi)容、教學(xué)形式、考核方式及學(xué)習(xí)效果展示等方面多維度的課程創(chuàng)新，挑戰(zhàn)度指在虛擬仿真實踐教學(xué)過程中設(shè)置梯度學(xué)習(xí)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力和實踐實操能力。

（二）搭建環(huán)境類專業(yè)多平臺的虛擬仿真實驗教學(xué)模式

分別構(gòu)建基礎(chǔ)實驗虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、綜合實驗虛擬仿真實驗教學(xué)平臺、創(chuàng)新實驗虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，其中，基礎(chǔ)性實驗虛擬仿真平臺包含原理類實驗?zāi)K、認(rèn)知類實驗?zāi)K和設(shè)計類實驗?zāi)K，工程型實驗仿真平臺包含制造類實驗?zāi)K、專業(yè)實習(xí)模塊和工程訓(xùn)練模塊，創(chuàng)新性實驗虛擬仿真平臺包括綜合創(chuàng)新類實驗?zāi)K和競賽創(chuàng)新類實驗?zāi)K，實現(xiàn)多媒體技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的深度融合，推進(jìn)虛擬仿真教學(xué)平臺的校內(nèi)共享、校際共享和社會化共享。

（三）創(chuàng)新環(huán)境工程專業(yè)“多維度+項目驅(qū)動”的虛擬仿真實驗教學(xué)方法

采用探究式、反思式、交互式、問題式、沉浸式的實踐教學(xué)手段，主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和思考的能力，培養(yǎng)學(xué)生勇于質(zhì)疑權(quán)威、勇于挑戰(zhàn)的能力。依托國家級虛擬仿真實驗教學(xué)項目的開發(fā)，讓學(xué)生在完成虛擬仿真教學(xué)項目的過程中提升學(xué)習(xí)能力和認(rèn)知能力，讓課堂的中心由教師向?qū)W生轉(zhuǎn)移，真正讓學(xué)生自己掌握課堂的主動權(quán)。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺解決了部分實驗操作困難、展示度低、實踐能力培養(yǎng)不足等問題，把學(xué)生的基礎(chǔ)知識和應(yīng)用技能整合起來，把填鴨式的知識灌輸方式改為對學(xué)生求知欲的主動引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生獨立解決實驗過程中遇到的各類問題。虛擬仿真教學(xué)過程中通過實驗項目的推進(jìn)分別考查學(xué)生在面對工程問題時的細(xì)節(jié)觀察能力、問題判斷能力、方案設(shè)計能力和實操處置能力。

（四）完善環(huán)境工程專業(yè)面向社會開放的虛擬仿真實驗教學(xué)資源庫

依托環(huán)境類專業(yè)課程教學(xué)，整合現(xiàn)代化信息技術(shù)和傳播技術(shù)，建設(shè)數(shù)字化時代的虛擬仿真教學(xué)資源庫。主要包括環(huán)境安全事件應(yīng)急管理及虛擬仿真教學(xué)資源庫、單體實驗教學(xué)項目模擬動畫庫、大型儀器模擬操作軟件庫、野外實習(xí)模擬資源庫、大型工程實體模擬教學(xué)資源庫、微生物仿真教學(xué)資源庫和單體實驗教學(xué)項目教學(xué)視頻庫等七大類型虛擬實驗教學(xué)資源庫。虛擬仿真實驗教學(xué)資源庫的多個資源互相配置、連接、調(diào)節(jié)，將基本覆蓋環(huán)境類專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課（見圖1）。

四、結(jié)語

桂林理工大學(xué)依托國家級虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心，面向“金課”建設(shè)的目標(biāo)和要求，立足學(xué)校環(huán)境類專業(yè)學(xué)科優(yōu)勢，以構(gòu)建“兩性一度”視域下環(huán)境類專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)模式為總體目標(biāo)，秉承“以學(xué)生為本的人文環(huán)境，堅持把知識傳授、能力培養(yǎng)和素質(zhì)提高貫穿于實驗教學(xué)始終”的虛擬實驗教學(xué)理念，以加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)培養(yǎng)為核心，構(gòu)建“多層次+階梯式”的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，搭建“三平臺+八模塊”的虛擬仿真實驗教學(xué)矩陣，創(chuàng)新“多維度+項目驅(qū)動”的虛擬仿真實驗教學(xué)方法，完善“整合式+可共享”的虛擬仿真實驗教學(xué)資源庫，建立“三邊+雙控”的虛擬仿真實驗教學(xué)評價體系，探索以“教、學(xué)、研、做”合一為核心的“課內(nèi)外一體、開放互動”的虛擬仿真實驗教學(xué)新模式，并在相關(guān)專業(yè)進(jìn)行推廣，不僅能夠豐富學(xué)科專業(yè)教學(xué)的內(nèi)容，也能讓學(xué)科專業(yè)內(nèi)容更有深度，為培養(yǎng)適應(yīng)新時代需要的環(huán)保人才添磚加瓦。

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（責(zé)任編輯：汪旦旦）