基于OBE模式的環境工程虛擬仿真實驗中心建設探索

張 珂, 鄭賓國, 崔節虎, 牛俊玲

(鄭州航空工業管理學院 土木建筑工程學院, 河南 鄭州 450046)

實踐教學是環境工程專業本科教學環節的重要組成部分。環境工程專業具有特殊的學科特點,它涵蓋的知識面寬,知識跨度大、交叉性強。然而,環境工程專業在實踐教學過程中面臨著一些工程類專業的共性問題,以及由其專業本身特性所帶來的技術難題[1-2]:包括：(1)實踐教學僅機械地完成理論配套實驗,與社會需求脫節,難以建立有效的“理論—實踐—應用”反饋機制；(2)實踐教學體系培養模式過于單一,缺少設計性、綜合性和創新型實驗；(3)環境學科發展迅猛,新儀器、新方法不斷涌現,傳統實驗手段難以同步適應；(4)課程綜合實驗儀器體積大、成本高,實驗周期長,場地、學時和經費條件限制了學生對實驗的參與度；(5)化學類實驗項目涉及劇毒化學品,危險性高、管理難度大。

成果導向教育(outcome-based education，OBE)是指教育教學過程中一切教學活動都圍繞學生實現預期學習成果進行開展的教學過程[3-5]。OBE 強調學生的主體作用,將工程教育認證標準作為指導性綱領,以社會需求為導向,注重培養學生把學術知識轉化為解決實際問題的能力。該理念下的各個環節都是緊緊圍繞學生進行設計并實施的,在創新應用型人才培養方面具有十分重要的意義[6-7]。

虛擬仿真實驗是以計算機為基礎的虛擬現實技術,利用動態教學模型實時模擬實體實驗的場景、儀器設備、操作流程,產生和實體實驗一致的實驗現象和結果[8]。虛擬仿真實驗能夠克服實體實驗周期長、危險性大、參與度低、靈活性小等諸多缺點,實現低成本、全天候的實驗教學和即時的實驗反饋[9-11]。引入虛擬仿真實驗,有助于開展基于OBE模式的實踐教學,二者的有機結合,能夠較好地解決環境工程專業實踐教學環節中的共性及個性問題,全面培養學生的自主學習能力、創新意識和工程實踐能力。

1 建設理念與思路

圍繞OBE模式,根據應用型人才創新實踐能力培養的需要,將虛擬仿真實驗引入環境工程專業實驗教學,開發和豐富環境工程虛擬仿真實驗教學資源,實現與理論教學、實體實驗教學的有機結合,貫徹“能實不虛、虛實結合、互為補充”的建設原則,進一步強化學生的實踐能力,培養和鍛煉創新思維,構建綜合性強、開放度高、互動豐富的實踐教學體系[12-14]。

(1) 以學生為主體,以社會對環境工程人才的需求為導向,重點培養學生工程執業能力,突出培養創新應用意識。以激發學生主觀能動性為前提,以培養學生將理論知識轉化為實踐應用的能力為目的,以提高學生環境工程專業素養為目標,構建高度仿真、虛實結合、開放共享的虛擬仿真實驗系統,探索理論知識學習與實踐能力培養的最優結合方式,創新實踐教學體系。

(2) 以實驗項目驅動為主導,倡導“做中學”方式,重視科研成果向實驗項目有效轉化,實現教學與科研的有機結合和有效反饋,強化創新、研究意識,促進學生科學研究能力培養。

(3) 大力推動校企合作實踐教學基地建設,實行校企合作、協同創新,開發面向環境工程實際的“多層次、立體化、模塊化”的虛實結合虛擬仿真教學資源體系。

(4) 注重實驗管理與教學師資隊伍建設,不斷優化師資隊伍結構，提升水平；健全虛擬仿真實驗教學資源管理,建立共享機制與兼容平臺,重視平臺維護,保障虛擬仿真實驗教學的安全高效運行。

2 實踐教學體系設計

以OBE模式為建設理念,以“能實不虛、虛實結合、互為補充”為建設原則,以“理論教學與實踐教學相輔相成、實驗教學與科研創新有機轉化、實體實驗與虛擬仿真虛實結合、實驗中心與對口企業緊密聯合”為建設目標,設計構建環境工程虛擬仿真實踐教學體系，見圖1。

圖1 環境工程虛擬仿真實踐教學體系

2.1 改革培養方案,創新實驗課程設置

打破實驗課依附理論課的教學輔助模式,對實驗課單獨設課,單計學分。借助虛擬仿真實驗技術,實現實踐教學主體遷移,即引導實踐教學由教師演示、灌輸,向學生思考、探索轉變；由模仿操作向設計創新轉變；由驗證理論到運用理論轉變。發揮虛擬仿真實踐教學優勢,增加綜合型和創新型實驗項目比重。

2.2 豐富實驗項目,進行層次化實踐教學

根據工程認證標準和社會人才需求,將實踐教學分為基礎型、綜合型和創新型?；A型實驗以課程實驗為主,增強學生對所學理論的理解,幫助學生掌握科學的實驗方法和基本的實驗技能。綜合型實驗以專業實驗和綜合性實驗為主,培養和提高學生應用所學理論解決問題的能力。創新型實驗以課外開放實驗、課程設計和畢業設計為主,鼓勵學生組建興趣組,參與教師科研課題、競賽項目和校企聯合項目,培養學生科研創新精神和實踐應用能力,培育高素質復合型專業人才。

2.3 整合實驗平臺,虛擬仿真與實踐教學有機結合

在層次化教學的前提下,依托虛擬仿真實驗平臺,實現與教學的有機結合。將基礎型、綜合型虛擬仿真實驗與專業基礎理論課程、專業核心理論課程、專業綜合訓練課程配套,對理論課程和虛擬仿真實驗課程作統籌安排,使學生在掌握理論知識后通過虛擬仿真實驗進一步掌握其應用的領域和方法,實現“虛、理結合”。將虛擬仿真實驗平臺引入本科生課外創新實驗項目,開展綜合型、設計型虛擬仿真實驗,進行探索性、創新性的實驗研究工作,實現“虛、創結合”。在借助虛擬仿真平臺輔助理論學習和能力培養的基礎上,依托實驗中心實體實驗平臺和校企合作實踐基地,進行科學研究和應用孵化,并將研究及應用成果反饋于教學過程中,實現 “虛、實結合”。

3 虛擬仿真實驗資源建設

環境工程虛擬仿真實驗資源建設應遵循由基礎理論知識運用到專業應用能力培養，進而實現綜合創新能力鍛煉的“進階式”發展思路,圍繞“水、氣、固、聲”四大要素,構筑環境工程專業課程群。注意認知感受、操作技能、設計管理等不同實驗方式的體現,借助虛擬仿真平臺優勢,對復雜性高、專業性強、危險性高的實體實驗項目進行重點補充與有效輔助,全面培養學生專業實踐技能,為培養環境工程專業高素質、復合型應用人才提供重要支撐。

3.1 基礎型虛擬仿真實驗資源

建設化學化工類虛擬仿真實驗平臺，對于危險性高、污染大、操作條件苛刻、成本高和理論復雜的化學化工類實驗項目設置虛擬仿真模塊，通過人機交互完成教學實驗過程的各個環節,實現經濟、安全、高效的實踐教學目標。

(1) 有機化學實驗仿真模塊。選擇具有操作難度大(無水無氧操作)、易燃易爆(格氏反應)及大型儀器臺件數少(微波合成、光化學反應)等特點的項目進行虛擬仿真。通過反復演練實驗過程,排除學生對高危實驗的恐懼,激發學習興趣,提升教學效果。

(2) 物理化學實驗仿真模塊。選擇操作要求較高的實驗科目,如 “液體飽和蒸汽壓測定”“乙酸乙酯皂化反應速率常數測定”“鎳在不同電解質中的陽極極化曲線測定”等實驗,學生可以預先通過虛擬實驗學習,了解儀器結構及使用技巧、進行儀器設備的安裝、拆卸練習,并可反復模擬演練實驗的全過程,掌握分析和處理數據的方法,然后進行實體實驗,達到更好的教學效果。

(3) 儀器分析實驗仿真模塊。擺脫儀器成本、場地條件等限制,利用虛擬仿真平臺構建大型精密儀器多維實驗教學環境,實現樣品前處理、儀器參數的設置、儀器測試操作、數據處理等全過程實驗模擬。大幅增加實驗分組,將演示型實驗拓展為驗證型、綜合型實驗,使學生通過身臨其境的模擬操作,掌握大型儀器的工作原理及操作規范。

(4) 環境工程原理實驗仿真模塊。開設單元仿真操作與項目仿真實驗,使學生通過單元操作建立一定的工程概念,分析工藝過程與數學模型之間的關系,掌握理論知識的運用能力、實驗操作能力、儀器儀表的使用能力、實驗數據的處理和分析能力。

3.2 專業型虛擬仿真實驗資源

專業型虛擬仿真實驗教學平臺主要面向高年級本科生的專業課程和實踐課程學習,提升學生從事大型工程的應用能力和對大型工程技術問題的綜合解決能力。圍繞環境工程核心課程群,開發虛擬仿真實驗實訓軟件。

(1) 水處理仿真實訓軟件。針對氣浮工藝、氧化溝工藝、SBR工藝、UASB工藝、生物接觸氧化工藝等常用水處理工藝,建立虛擬仿真實驗模塊,模擬工藝中泵房、沉砂池、初沉池、曝氣池、二沉池、污泥濃縮池等水處理構筑物的正常運行操作,模擬污水處理廠常見設備故障操作,模擬污水處理廠常見工藝事故處理操作,并可通過參數調整產生相應的正常或故障響應。

(2) 大氣污染控制仿真實訓軟件。利用三維虛擬現實技術,提供脫硫和脫硝場景各個系統的連接關系,以典型工業過程(300 MW火電機組煙氣脫硫系統)為仿真對象,準確建立脫硫系統數學模型,包括煙氣參數模型、脫硫塔模型、脫硝反應模型等，并且提供后臺數據支撐,支持閥門、泵等設備操作和壓力、溫度等參數的實時計算和顯示。脫硫塔設備的內部結構可以清晰呈現,內部工質的狀態配有3D特效。通過半剖設備模型、動漫演示等手段形象展示設備工作原理。

(3) 噪聲污染控制仿真實訓軟件。全頻段噪聲分析軟件,用于對結構及設備振動響應、全頻段噪聲響應、結構聲振耦合分析和瞬態沖擊響應進行預估,并指導減振降噪、結構布局及材料等方面的優化設計和仿真模擬。

(4) 固體廢棄物處理與處置仿真實訓軟件。針對堆肥技術和垃圾焚燒發電工藝建立虛擬仿真模塊,模擬堆肥前處理、發酵、后處理、脫臭等多個環節,模擬垃圾焚燒處理廠廢氣處理工藝中急冷塔、反應塔、布袋除塵器等單元設備結構與操作現象,幫助學生熟悉設備流程,學習設備閥門、設備和儀表的正確操作步驟,也可用于對典型工藝過程的認知實習。

3.3 綜合型虛擬仿真實驗資源

綜合型虛擬仿真實驗主要引導高年級本科生將各種虛擬仿真、數值模擬實驗技術與創新型、探索型實體實驗有機結合,延伸實體實驗范疇,為拓展學生視野、培養創新意識和工程實踐創新應用能力提供新途徑。綜合型虛擬仿真實驗立足學生創新項目與學科競賽項目,建立以項目和課題為核心的學習模式,倡導以學生為主體的創新性實驗改革。

4 改革實驗中心管理模式

OBE模式強調對實踐教學的要求,虛擬仿真實驗平臺則增強了實踐教學的即時性、靈活性。在模式改革、資源到位的情況下,若要最大程度地貫徹OBE教育模式,最充分地利用虛擬仿真實驗資源,就需要大幅增加實驗室管理的開放性與自主性[15]。

(1) 實行校、院兩級管理,并構建完善的考核制度。學院對接實驗中心實踐教學隊伍、教學任務及實驗教學項目的開設與管理；學校對接實驗中心平臺建設、教學及科研資源建設、安全及日常維護管理。學校、學院應制定對實驗中心及中心工作人員的健全完善的考核機制。

(2) 實行主任負責制,按崗聘任實驗教師。實驗中心主任作為第一責任人,在實驗課程設置、教學改革、人員聘用、實驗室管理和經費管理等方面應具有較大的自主權,以保證教學資源的充分合理利用。實驗教師各司其職,在實驗室日常管理、實驗儀器設備的維護與保養、承擔實驗教學任務和運行虛擬仿真實驗教學等方面進行詳細分工。

(3) 儀器設備、實驗用房均由中心統一管理。實驗室根據功能和學科特點進行重組和建設,減少重復投資；對實驗室儀器設備和虛擬仿真實驗教學資源進行實時動態管理；實現資源共享,提高實驗儀器設備和軟件平臺的使用效率。

(4) 提高實踐教學隊伍信息化水平,延伸虛擬仿真實驗教學范圍。虛擬仿真實驗教學網絡覆蓋校內外網絡及移動終端,將實驗教學拓展到無限的網絡實驗空間,實現虛擬仿真教學和校外實習教學的互補,逐步形成“理論教學、實體實驗教學和虛擬仿真實驗教學相結合”的立體化實驗教學模式。

5 結語

面對專業認證與高校審核性評估的要求,基于OBE教育模式,引入虛擬仿真實踐教學手段,對實踐教學內容與體系進行改革,設計以學生為主體,層次化、多元化的實踐教學體系,構建高度仿真、虛實結合、開放共享的虛擬仿真實驗平臺,建設相對獨立、自主性強、靈活度高的信息化實驗管理隊伍。積極開展、合理融入虛擬仿真實驗教學,在理論教學、實體實驗教學與虛擬仿真實驗模擬三位一體、有機結合的基礎上,以成果為導向,結合社會需求,激發學生學習興趣,強化學生專業實踐能力,鍛煉學生綜合素質與科研創新素養,培養高素質復合型應用人才。