高職院校環(huán)境監(jiān)測(cè)虛擬仿真軟件在教學(xué)中的實(shí)踐探索

［摘 要］ 虛擬仿真技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的仿真模擬，能夠讓使用者在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間通過(guò)各種媒介進(jìn)行體驗(yàn)。目前，虛擬仿真技術(shù)主要應(yīng)用于教育教學(xué)中，如虛擬仿真教學(xué)軟件。虛擬仿真教學(xué)軟件是利用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等手段，將教學(xué)中的物理實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐操作模擬再現(xiàn)出來(lái)，給使用者提供一個(gè)可以進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的平臺(tái)。系統(tǒng)具有開放性，不受時(shí)間和空間限制，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)課、理論課和實(shí)踐課的有機(jī)結(jié)合，為學(xué)生提供一個(gè)具有良好交互性和參與性的學(xué)習(xí)環(huán)境。虛擬仿真技術(shù)有利于培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

［關(guān)鍵詞］ 高職院校；環(huán)境監(jiān)測(cè)；虛擬仿真；教學(xué)軟件

［基金項(xiàng)目］ 2023年度云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院雙高計(jì)劃三級(jí)任務(wù)“‘環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革’課堂革命典型案例”（LZSGJH-2022297）

［作者簡(jiǎn)介］ 熊唯唯（1990—），女，四川成都人，學(xué)士，云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院林業(yè)學(xué)院環(huán)境監(jiān)測(cè)虛擬仿真軟件實(shí)驗(yàn)室管理員，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)虛擬仿真軟件操作研究；李雪娟（1981—），女，云南宜良人，碩士，云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院林業(yè)學(xué)院副教授（通信作者），主要從事污染生態(tài)研究；唐宗英（1979—），女，云南麗江人，碩士，云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院林業(yè)學(xué)院副教授，主要從事林學(xué)研究。

［中圖分類號(hào)］ G712 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2025）07-0117-04 ［收稿日期］ 2023-12-01

引言

云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院的環(huán)境監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心創(chuàng)建時(shí)間雖然在2018年年底，但因多年以來(lái)的積累，加之當(dāng)時(shí)環(huán)境類的校外實(shí)訓(xùn)基地資源非常豐富，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)軟件在教學(xué)實(shí)訓(xùn)中運(yùn)用較少。第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是在2019年12月初，校內(nèi)的師生實(shí)行全封閉管理政策，校外實(shí)訓(xùn)基地?zé)o法開展實(shí)訓(xùn)。授課教師和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師進(jìn)一步深入探討課程與虛擬仿真軟件的結(jié)合，環(huán)境虛擬仿真軟件實(shí)訓(xùn)中心使用頻率越來(lái)越高。第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)也是在2019年12月底，首次組織開展“1+X”水環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理職業(yè)技能等級(jí)證書考試。此證書由教育部委托北控水務(wù)（中國(guó)）投資有限公司開發(fā)、組織實(shí)施，全國(guó)統(tǒng)一考試，其中的實(shí)操部分，虛擬仿真操作所占比例較大。參賽帶隊(duì)教師和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師帶領(lǐng)參賽學(xué)生精益求精地鉆研虛擬仿真軟件。

一、研究背景

我校從2018年建立環(huán)境虛擬仿真軟件至今，已有將近5年的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)與大家分享，并探討教學(xué)過(guò)程中的使用經(jīng)驗(yàn)和意見。

二、高職院校學(xué)生學(xué)情

以云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例，分析環(huán)境監(jiān)測(cè)類專業(yè)的學(xué)生學(xué)情，一是普高生班級(jí)人數(shù)占比有所下降，二是單招生班級(jí)人數(shù)占比逐年增加，三是五年制轉(zhuǎn)段生班級(jí)人數(shù)占比逐年增加。學(xué)校采用的是合班制，三類不同招生途徑的學(xué)生都在同一個(gè)班，普高生、單招生、五年制轉(zhuǎn)段生三種類型的學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣差異較大，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)參差不齊。教師在授課過(guò)程中要兼顧不同學(xué)情基礎(chǔ)的學(xué)生來(lái)開展教學(xué)，具有更高的挑戰(zhàn)性和全局性［1］。

三、環(huán)境監(jiān)測(cè)虛擬仿真軟件的教學(xué)實(shí)踐

1.教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變。前期，以教師教授為主、學(xué)生自學(xué)為輔；后期，以學(xué)生自學(xué)為主、教師教授為輔。由于一些實(shí)踐教學(xué)沒有辦法開展，因此學(xué)校實(shí)行封閉式的教學(xué)管理，學(xué)生不能外出實(shí)訓(xùn)。這對(duì)環(huán)境類的課程來(lái)說(shuō)較為困難。虛擬仿真實(shí)習(xí)有效解決了這個(gè)問(wèn)題，在教學(xué)方式上，教師通過(guò)仿真平臺(tái)發(fā)布任務(wù)，學(xué)生登入自己的賬號(hào)，接收任務(wù)，完成自主理論學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)操作。教師在后臺(tái)導(dǎo)出學(xué)生成績(jī)，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題。鼓勵(lì)學(xué)生自學(xué)，幫助學(xué)生在自主自律、獨(dú)立思考、溝通交流等方面獲得成長(zhǎng)，并指引教師不斷優(yōu)化育人方式，探索智慧教育［2］。

2.學(xué)生對(duì)虛擬仿真軟件的接受層次不一樣?！?0后”“00后”學(xué)生中接觸電子虛擬游戲的人越來(lái)越多，現(xiàn)在的學(xué)生對(duì)虛擬仿真軟件的上手能力越來(lái)越強(qiáng)。這是趨勢(shì)，是優(yōu)勢(shì)，也是好事。隨著科技的不斷發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，甚至是日常生活之中，人們?cè)谔搶?shí)交互中身臨其境感受技術(shù)的魅力。當(dāng)下的學(xué)生接觸的虛擬仿真游戲越來(lái)越多，具備的虛擬仿真意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，計(jì)算機(jī)操作能力越來(lái)越熟練，虛擬仿真教學(xué)極大地展示出了他們這方面的特長(zhǎng)，增強(qiáng)了學(xué)生的自信和成就感，讓他們?cè)趯W(xué)習(xí)上更身臨其境，學(xué)習(xí)積極主動(dòng)性更強(qiáng)［3］。

3.教師隊(duì)伍越來(lái)越年輕化，對(duì)虛擬仿真軟件的接受能力越來(lái)越強(qiáng)，在運(yùn)用軟件時(shí)與教學(xué)過(guò)程的結(jié)合也越來(lái)越緊密。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以根據(jù)學(xué)生在虛擬仿真平臺(tái)上的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行教學(xué)評(píng)估，了解學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解深度和技能方面的掌握程度。虛擬仿真平臺(tái)包括教師端、學(xué)生端，具備理論實(shí)操教學(xué)、虛擬仿真教學(xué)、課程管理、考試管理、統(tǒng)計(jì)分析等功能，結(jié)合配套虛實(shí)結(jié)合模擬測(cè)試，將理論教學(xué)、虛擬仿真與實(shí)踐技能充分融合，實(shí)現(xiàn)“理虛實(shí)”一體化混合教育模式。

4.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有豐富的圖像、聲音、視頻等信息資源，能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境。虛擬教學(xué)具有沉浸性、交互性、真實(shí)性、虛幻性。區(qū)別于動(dòng)畫的單一視覺角度，具有全方位觀察和更加真實(shí)的交互性，給學(xué)生提供一種身臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。此外，還可以通過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)解決理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力的提高。在此過(guò)程中，教師要加強(qiáng)引導(dǎo)與督促，使學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，對(duì)知識(shí)進(jìn)行探索和研究，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情與興趣。

教學(xué)實(shí)訓(xùn)課程中，虛擬仿真軟件改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，突破了學(xué)習(xí)過(guò)程的時(shí)間和空間的限制，有助于輔助教學(xué)活動(dòng)開展，提高實(shí)訓(xùn)效果。將“教、學(xué)、做”合而為一，能有效培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)綜合應(yīng)用能力。

5.虛擬仿真技術(shù)可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)設(shè)備資金投入和實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率。我國(guó)高校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備總體數(shù)量較少，且普遍存在“投入大、使用率低”的問(wèn)題，尤其是一些高科技設(shè)備更是少之又少。同時(shí)，由于經(jīng)費(fèi)不足等原因，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本較高、周期長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果又受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制約，導(dǎo)致一些高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在資源浪費(fèi)和利用率較低的問(wèn)題。利用虛擬實(shí)訓(xùn)代替實(shí)物實(shí)訓(xùn)教學(xué)，可以解決實(shí)訓(xùn)的設(shè)備成本高、不易觀察等難題，對(duì)降低成本、提高效率具有重要意義［4］。

6.虛擬仿真教學(xué)軟件利用計(jì)算機(jī)模擬出一個(gè)仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。近些年，高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室安全事故頻發(fā)。實(shí)驗(yàn)室安全問(wèn)題是各高校安全教學(xué)生產(chǎn)中的重中之重。虛擬仿真教學(xué)軟件可以幫助學(xué)生通過(guò)仿真模擬的方式來(lái)學(xué)習(xí)，避免了因操作失誤造成的事故。因此，利用虛擬仿真技術(shù)可以解決物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源浪費(fèi)問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)時(shí)間問(wèn)題，從而減少了高校實(shí)驗(yàn)室的高頻率實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使發(fā)生事故的可能性降低。虛擬仿真軟件從根本上減少了實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生，將危險(xiǎn)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)從實(shí)際操作中轉(zhuǎn)到虛擬仿真平臺(tái)。并且，學(xué)生可以反復(fù)鍛煉自己的操作技能，養(yǎng)成規(guī)范良好的操作習(xí)慣，減少了因操作不當(dāng)造成的實(shí)驗(yàn)事故［5］。

7.環(huán)境類專業(yè)屬于實(shí)操類專業(yè)，在大型儀器的使用操作過(guò)程中，不能做到每名學(xué)生都有動(dòng)手操作的機(jī)會(huì)。虛擬仿真軟件完美解決了這一問(wèn)題，每個(gè)學(xué)生都可以通過(guò)自己的賬號(hào)在電腦上進(jìn)行實(shí)操，更好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、探索性、主動(dòng)性和求勝心。為環(huán)境類實(shí)訓(xùn)提供真實(shí)場(chǎng)景模擬，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作和應(yīng)用能力。3D虛擬仿真情景實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)可以模擬真實(shí)場(chǎng)景，如緊急事件處理等，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行綜合實(shí)踐操作，提高實(shí)際工作能力。因操作步驟分模塊進(jìn)行，學(xué)生在操作學(xué)習(xí)的過(guò)程中，為得到自己滿意的分?jǐn)?shù)，會(huì)激發(fā)內(nèi)在的驅(qū)動(dòng)力，提高興趣，鉆研問(wèn)題，解決問(wèn)題，獲得學(xué)習(xí)的快樂和成就感［6］。

四、學(xué)情的提高

1.學(xué)生專注能力提高，專注時(shí)間更長(zhǎng)。在教室中學(xué)習(xí)理論知識(shí)，學(xué)生的專注時(shí)間在40分鐘左右；使用虛擬仿真軟件，學(xué)生可以體驗(yàn)沉浸式的學(xué)習(xí)過(guò)程，專注時(shí)間在60分鐘左右。

2.通過(guò)3D虛擬仿真情景實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，可以模擬多種不同的工作場(chǎng)景，讓學(xué)生分組協(xié)作，共同解決問(wèn)題，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和能力。學(xué)生談?wù)搯?wèn)題更積極主動(dòng)，相互幫助，團(tuán)隊(duì)協(xié)作更加緊密。借助虛擬仿真教學(xué)軟件，在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生可以與教師和其他學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，促進(jìn)學(xué)習(xí)共享和合作。

3.我們學(xué)校的學(xué)情是：一部分學(xué)生存在學(xué)習(xí)熱情不高、學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠等問(wèn)題。學(xué)習(xí)熱情不高，課堂存在個(gè)別學(xué)生玩手機(jī)的現(xiàn)象；學(xué)生積極主動(dòng)性不強(qiáng)，學(xué)生課上獲得知識(shí)主要以教師教授為主、學(xué)生自學(xué)為輔。學(xué)習(xí)虛擬仿真軟件轉(zhuǎn)變了主體，由教師轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生。學(xué)生放下手機(jī)，專心致志地進(jìn)行電腦操作，在培養(yǎng)學(xué)生專注力的同時(shí)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量［7］。

4.關(guān)于“1+X”水環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理職業(yè)技能等級(jí)證書考試的指導(dǎo)，虛擬仿真軟件給學(xué)生提供了訓(xùn)練平臺(tái)。學(xué)生通過(guò)虛擬平臺(tái)，登錄自己的賬號(hào)，進(jìn)行相關(guān)虛擬仿真的學(xué)習(xí)和練習(xí)。課上，授課教師先講解理論知識(shí)，再讓學(xué)生進(jìn)行操作，理論與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)更加深刻。課下，學(xué)生可以登入自己的賬號(hào)，進(jìn)行反復(fù)練習(xí)虛擬仿真操作，提高了自己的學(xué)習(xí)能力和專業(yè)能力。學(xué)生考證的過(guò)級(jí)率有所提高，從2020年較低的過(guò)級(jí)率，到2021年和2022年的過(guò)級(jí)率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)［8］。

5.全國(guó)使用率典型概況。從全國(guó)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，使用率在第一檔的是內(nèi)蒙古自治區(qū)，雖然內(nèi)蒙古自治區(qū)的教育水平在全國(guó)不算高，但是近幾年教育實(shí)力增長(zhǎng)較快，可能是特殊的地理區(qū)位原因，虛擬仿真軟件使用率全國(guó)最高。使用率排在第二檔的是山東省，山東省的教育實(shí)力比較強(qiáng)，從古至今都是非常注重教育的地區(qū)。使用率排在第三檔的是新疆維吾爾自治區(qū)、吉林省、湖北省、浙江省。云南省的使用率排在第四檔，使用率總體較低。

6.實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)安全。環(huán)境類化學(xué)實(shí)驗(yàn)潛在的化學(xué)實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較大，如試劑消耗大、成本高、實(shí)驗(yàn)條件苛刻、難以進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)等。虛擬仿真軟件在改善實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的立體化，提高了實(shí)驗(yàn)成功率，拓寬了學(xué)生的知識(shí)面，減少了實(shí)驗(yàn)中的試劑消耗和化學(xué)實(shí)驗(yàn)污染物的排放。因此，能更安全更高效地完成一些有毒、危害性大和污染嚴(yán)重的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

7.生態(tài)環(huán)保理念。環(huán)境類化學(xué)實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮皖愋筒煌?，?huì)使用到各種各樣的化學(xué)試劑，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室排放的污染物類型也多種多樣，有有機(jī)污染物、無(wú)機(jī)污染物。大氣污染物直接排放到空氣中，對(duì)學(xué)生和教師的健康不利，需要找專門的處理公司處理水體污染物，處理起來(lái)費(fèi)時(shí)、費(fèi)事、費(fèi)錢。在虛擬仿真教學(xué)過(guò)程中，虛擬仿真軟件實(shí)驗(yàn)可以減少有毒有害試劑的使用率，減少污染物的產(chǎn)生和排放，從而從根本上減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，節(jié)約了自然資源，貫徹落實(shí)了“綠水青山就是金山銀山”的理念。

在虛擬仿真教學(xué)及實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，教師也會(huì)給學(xué)生傳達(dá)環(huán)保理念，將生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理引入課堂，讓環(huán)保意識(shí)融入學(xué)生的心靈，從而培養(yǎng)一代又一代的環(huán)保接班人。

五、不足和建議

1.受教學(xué)設(shè)備、電腦內(nèi)存和機(jī)房網(wǎng)速的影響，上課時(shí)，難免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)卡頓和電腦死機(jī)的情況，影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。建議各高校在布置虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心時(shí)，充分考慮學(xué)校的硬件設(shè)施，如電腦配置、電腦內(nèi)存和寬帶網(wǎng)速，保障虛擬仿真實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室的有序教學(xué)。

2.學(xué)校招生人數(shù)增加，班級(jí)人數(shù)增加，但是機(jī)房電腦機(jī)位沒有增加，導(dǎo)致有的班級(jí)上課時(shí)兩個(gè)學(xué)生或多個(gè)學(xué)生同時(shí)使用一臺(tái)電腦。建議各高校在布置虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心時(shí)，充分考慮班級(jí)人數(shù)，設(shè)計(jì)好機(jī)位，給予學(xué)生平等操作軟件的機(jī)會(huì)。

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Practical Exploration of Virtual Simulation Software of Environmental Monitoring in Teaching in Higher Vocational Colleges： Taking Yunnan Forestry Vocational and Technical College as an Example

XIONG Wei-wei， LI Xue-juan， TANG Zong-ying

（College of Forestry， Yunnan Forestry Technological College， Kunming， Yunnan 650224， China）

Abstract： Virtual simulation technology refers to the realization of the simulation of the physical world on the computer， so that users can experience in any place， any time through a variety of media. At present， the virtual simulation technology is mainly used in the education and teaching， such as the virtual simulation teaching software. Virtual simulation teaching software can reproduce the teaching of physics experiment and practical operation by means of computer， network， multimedia， virtual reality technology and other means， to provide users with a platform for independent learning. The system is open， not limited by time and space， and can realize the organic combination of experimental course， theory course and practice course， and provide students with a good interactive and participatory learning environment. Virtual simulation technology is conducive to cultivating students’ problem-solving ability.

Key words： higher vocational colleges; environmental monitoring; virtual simulation; teaching software