高危環(huán)境事件中大氣污染探測虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

安俊琳，項 磊，呂晶晶，朱 彬

高危環(huán)境事件中大氣污染探測虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

安俊琳，項 磊，呂晶晶，朱 彬

（南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實驗教學(xué)中心，江蘇 南京 210044）

根據(jù)學(xué)科特點，定位實驗教學(xué)目標，綜合設(shè)計了高危環(huán)境事件中大氣污染探測虛擬仿真實驗課程結(jié)構(gòu)，通過互動式、自主式和探究式學(xué)習(xí)方式，形成了覆蓋預(yù)習(xí)、設(shè)計、實施、考核全過程的虛擬實驗教學(xué)體系。該系統(tǒng)包括18個知識點，分為實驗原理及技術(shù)規(guī)范、環(huán)境污染事件發(fā)生特征、環(huán)境探測方法選擇要點、大氣環(huán)境探測操作和環(huán)境事件中獲得污染物、氣象數(shù)據(jù)計算分析及預(yù)測預(yù)警響應(yīng)服務(wù)等5個模塊。

大氣污染探測；大氣科學(xué)；虛擬仿真；實驗教學(xué)

高校實驗室是高校教學(xué)、科研的重要基地[1-4]。虛擬仿真實驗教學(xué)是我國高等教育實驗教學(xué)的重要發(fā)展方向，該教學(xué)方式為學(xué)生開展探究式自主實驗、合作式學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實踐提供了先進的手段和開放的平臺[5-6]。虛擬仿真實驗綜合運用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信等多種技術(shù)，通過逼真的可視化實驗環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中進行高效、安全、經(jīng)濟的實驗活動，使沒有真實驗條件的實驗得以進行，并得到較好的教學(xué)效果[7-10]。

為了推動虛擬仿真實驗教學(xué)的開展，教育部于2017年啟動國家級示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目的認定工作。南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實驗教學(xué)中心2013年獲批國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心，是江蘇省唯一的國家級大氣科學(xué)類虛擬仿真實驗教學(xué)中心。該中心的建設(shè)和發(fā)展對于大氣科學(xué)和環(huán)境氣象創(chuàng)新型專業(yè)人才培養(yǎng)具有重要意義[11]。

高危環(huán)境事件中的大氣污染監(jiān)測實習(xí)課程教學(xué)具有高污染、高危險的特征，受實驗設(shè)備臺套數(shù)的限制，常常無法滿足每個學(xué)生都動手操作的需求；而虛擬仿真實驗可以有效彌補這些不足[12-13]，較好地幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)訓(xùn)練，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

1 虛擬仿真教學(xué)目標

高危環(huán)境事件是指由于污染物排放、自然災(zāi)害或生產(chǎn)安全事故等原因，導(dǎo)致污染物（包括放射性污染物）等進入大氣、水體、土壤等環(huán)境介質(zhì)，造成環(huán)境質(zhì)量下降、危及公眾身體健康和財產(chǎn)安全，需要采取緊急措施予以應(yīng)對的事件[14-15]。大氣環(huán)境探測是控制環(huán)境污染的重要工作之一，是制定應(yīng)對措施（污染研判、人員疏散等）和災(zāi)情評估的重要依據(jù)。社會對于大氣環(huán)境探測類人才具有迫切、持續(xù)的需求。

大氣環(huán)境探測是一門實踐性很強的課程，實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)造精神是環(huán)境類專業(yè)學(xué)生必備的基本素質(zhì)。環(huán)境科學(xué)類專業(yè)本科生教育的定位是培養(yǎng)高素質(zhì)環(huán)境科學(xué)技術(shù)人才，環(huán)境監(jiān)測、環(huán)保技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用單位對環(huán)境類專業(yè)畢業(yè)生的動手實踐能力和創(chuàng)新精神也有較高要求。與多數(shù)環(huán)境類專業(yè)課程相比，大氣環(huán)境類專業(yè)課程比較特殊，該專業(yè)的實踐教學(xué)平臺往往需要外場大型大氣環(huán)境探測和實驗材料消耗，建設(shè)和運行成本非常高，而且具有一定危險性，若操作失誤可能危及人身安全和空域航空安全。開發(fā)環(huán)境事件中大氣污染和氣象條件探測虛擬仿真實驗項目，可在很大程度上解決大氣環(huán)境類實驗實踐教學(xué)中高危環(huán)境事件難以重復(fù)、探測器飛行空域管制等難題，并且避免了使用易燃易爆氣體，保證實驗教學(xué)的安全。

本虛擬仿真實驗課程內(nèi)容是大氣環(huán)境監(jiān)測及實驗課程的重要組成，課程建設(shè)的目標是：

（1）以5種典型大氣環(huán)境觀測方法為例，了解并初步掌握大氣環(huán)境觀測儀器的結(jié)構(gòu)和操作方法，理解環(huán)境事件中污染物濃度分布特征與大氣擴散能力的關(guān)系；

（2）通過對大氣污染物和氣象條件觀測流程的在線學(xué)習(xí)與操作，掌握大氣環(huán)境探測的操作流程，增加學(xué)生對大氣環(huán)境實驗操作流程的感性認識；

（3）通過大氣環(huán)境和氣象要素觀測儀器的操作及資料分析，掌握環(huán)境事件下如何綜合利用觀測資料進行大氣污染程度和持續(xù)時間的計算；

（4）通過設(shè)置不同天氣背景類型和大氣擴散系數(shù)中污染物傳輸過程的對比分析，提升學(xué)生對環(huán)境事件中大氣污染監(jiān)測和趨勢研判協(xié)同工作的能力。

2 虛擬仿真教學(xué)設(shè)計思路

高危環(huán)境事件中大氣污染探測虛擬仿真實驗的內(nèi)容包括排放源強度對環(huán)境事件中污染物濃度分布的影響、天氣條件對環(huán)境事件中濃度擴散的作用、邊界層結(jié)構(gòu)對環(huán)境事件中污染物傳輸?shù)淖饔谩⒉煌h(huán)境事件中選取大氣環(huán)境監(jiān)測方法的原則、幾種典型大氣環(huán)境和氣象條件觀測方法、環(huán)境事件中污染物擴散濃度和持續(xù)時間計算、預(yù)測預(yù)警決策服務(wù)制定等內(nèi)容。如圖1所示，實驗項目包含18個知識點，按照功能分為5個模塊。

（1）實驗原理及技術(shù)規(guī)范介紹模塊：預(yù)習(xí)并掌握環(huán)境事件基本知識、本實驗儀器操作規(guī)范和資料計算方法等3個實驗內(nèi)容。

圖1 虛擬仿真實驗項目知識點

（2）環(huán)境污染事件特征研判模塊：掌握污染物排放源類型和氣象穩(wěn)定度條件對污染物擴散的影響特征，掌握環(huán)境事件時空特征、環(huán)境事件污染排放特征、天氣形勢對環(huán)境事件的影響和穩(wěn)定度對環(huán)境事件的影響。

（3）環(huán)境探測裝備和方法模塊：掌握大氣環(huán)境和氣象條件探測常用系留汽艇操作、無人機探空操作、雙經(jīng)緯儀測風(fēng)、照相法測煙云和小球探空操作等5種規(guī)范化實驗操作流程。

（4）大氣環(huán)境探測操作模塊：掌握不同觀測手段所獲取資料的差異，不同方法的優(yōu)勢互補、協(xié)同觀測的實驗設(shè)計思路，包括觀測點位選取和外場儀器操作。

（5）實驗結(jié)果分析與討論考核模塊：掌握大氣環(huán)境探測中5種基本探測方法和大氣穩(wěn)定度特征對污染物濃度和濃度超標持續(xù)時間的關(guān)系，掌握大氣環(huán)境和氣象探空資料的分析方法。

通過知識預(yù)習(xí)、探測方式設(shè)計、大氣環(huán)境探測實施、實驗報告及問答題，實現(xiàn)在線學(xué)習(xí)、設(shè)計實施和考核過程。

3 虛擬仿真教學(xué)特色

本虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)采用案例互動式、學(xué)生自主式和探究式學(xué)習(xí)，建立了覆蓋實驗預(yù)習(xí)、設(shè)計、實施、考核全過程的虛擬實驗教學(xué)流程，既可強化學(xué)生在開展實體實驗前對操作流程和儀器使用的感性認識，也可很好地解決環(huán)境污染事件重復(fù)難、實體觀測實驗成本高、危險系數(shù)大、示教效果差的問題，實現(xiàn)完整、低成本、安全的實驗過程全覆蓋。在實驗的實施中注重文字、圖片、動畫、視頻等各種媒介的教學(xué)準備，開通網(wǎng)站討論區(qū)和網(wǎng)絡(luò)討論群，開展線上討論、線下交流，使實驗教學(xué)效果得到提升。

以實驗系統(tǒng)教學(xué)過程中所涉及的環(huán)境事件設(shè)計、探測儀器設(shè)計和獲取數(shù)據(jù)計算分析為考點，按照各模塊在本實驗中的比例，形成虛實結(jié)合的考核評價指標體系，實現(xiàn)對實驗學(xué)習(xí)、練習(xí)、數(shù)據(jù)計算的全覆蓋。通過學(xué)生在虛擬仿真實驗操作過程中反映出自主性、探究性以及合作精神，綜合考量學(xué)生對實驗課程內(nèi)容掌握程度、對實驗儀器結(jié)構(gòu)和性能的熟悉程度、對儀器組合搭配的協(xié)調(diào)能力、實驗報告的完整性。

學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備，在線預(yù)習(xí)、操作、進行數(shù)據(jù)計算、答題，在線完成大氣環(huán)境探測實習(xí)中涉及的教學(xué)內(nèi)容，既解決了以往學(xué)生在進入實體實驗室前對實驗規(guī)范化操作流程認識不足的缺點，還為環(huán)境事件重復(fù)設(shè)計、比較各參數(shù)的變化提供了條件，大大提高了學(xué)生對大氣環(huán)境探測的深入理解。虛擬仿真實驗教學(xué)相比于傳統(tǒng)實體實驗教學(xué)，具有學(xué)生主動參與度高、學(xué)習(xí)時間和空間靈活等優(yōu)勢，減少了實體實驗的局限性。實驗內(nèi)容深度和廣度得以加強，減少了實體實驗教學(xué)中的高成本、高周期、具有危險性的弊端。此外，線上討論區(qū)和線下討論群的交流形式，極大地延伸了學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的空間、時間和交流途徑。

本虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)具有案例互動、學(xué)生進行自主和探究式學(xué)習(xí)的特色。

（1）案例互動式教學(xué)。通過準備大量實際樣本資料作為虛擬仿真系統(tǒng)環(huán)境事件個例，學(xué)生可以在虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)中進行案例虛擬仿真練習(xí)，借助線上討論區(qū)和線下討論群進行交流互動，在交流中加深對虛擬實驗環(huán)節(jié)的理解。例如在環(huán)境事件設(shè)計中提供不同類型的環(huán)境事件，提供學(xué)生開展大氣環(huán)境探測和預(yù)警預(yù)測服務(wù)，在指導(dǎo)教師的組織引導(dǎo)下，就爆炸點高度、污染物釋放強度和天氣條件等因素進行討論交流。

（2）學(xué)生自主式教學(xué)。通過設(shè)置大氣污染物、儀器選型、環(huán)境氣象條件等豐富多樣的參數(shù)設(shè)置選擇，培養(yǎng)學(xué)生進行虛擬仿真實驗的興趣，引導(dǎo)學(xué)生進行自主式學(xué)習(xí)，養(yǎng)成主動獲取知識的習(xí)慣，重點培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主實驗和自主創(chuàng)新能力。實驗教學(xué)內(nèi)容和考核方式體現(xiàn)學(xué)生的自主地位，開展多層次、多元化教學(xué)。例如在實驗項目預(yù)習(xí)階段，通過系統(tǒng)網(wǎng)站文字、圖片和視頻材料介紹本項目所用到的基本實驗原理、儀器操作方法和操作過程等，使學(xué)生時間靈活、空間方便地進行自主式學(xué)習(xí)，拓展了傳統(tǒng)教學(xué)的深度和廣度。

（3）探究式學(xué)習(xí)。在虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)的實施中，讓學(xué)生通過閱讀、觀察、實驗、思考、討論等途徑，主動探究、自行發(fā)現(xiàn)并掌握相應(yīng)的原理和得到實驗結(jié)論。以學(xué)生為主體，讓學(xué)生自覺、主動地探索，在探索中找出規(guī)律、形成概念，建立認知模型和學(xué)習(xí)方法架構(gòu)。例如：在環(huán)境事件設(shè)計中，針對不同的排放源高度進行單一參數(shù)敏感性實驗，檢驗排放源高度對污染物擴散的影響；在進行天氣類型和邊界層參數(shù)設(shè)置時，在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，開展熏煙型、扇型、環(huán)鏈型、錐型和屋脊型5種典型結(jié)構(gòu)的討論，增強學(xué)生對這方面的認識。

4 結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)及信息化教學(xué)引入高等教育教學(xué)，使教學(xué)方法多樣化，解決了教學(xué)中的瓶頸問題，在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)了教學(xué)資源的共享和教學(xué)質(zhì)量的提高。南京信息工程大學(xué)建設(shè)的高危環(huán)境事件中大氣污染探測虛擬仿真系統(tǒng)是對信息化教學(xué)的初步嘗試與探索，在教學(xué)過程中還要逐步完善，以建成全方位、立體式的虛擬仿真系統(tǒng)為目標，推動實習(xí)教學(xué)模式的創(chuàng)新與改革，促進創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。

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Design and realization of virtual simulation system for air pollution detection in high-risk environmental events

AN Junlin, XIANG Lei, Lü Jingjing, ZHU Bin

(Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Atmospheric Science and Meteorological Information, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

According to the characteristics of the discipline and the orientation of the experimental teaching objectives, the course structure of the virtual simulation experiment for air pollution detection in high-risk environmental events is designed comprehensively. Through the attempt of interactive, autonomous and inquiry learning methods, a virtual experimental teaching system covering the whole process of the preview, design, implementation and assessment is formed. The system consists of 18 knowledge points which are divided into five modules such as the experimental principles and technical specifications, the characteristics of environmental pollution incidents, the selection of environmental detection methods, the operation of atmospheric environmental detection and pollutant acquisition from environmental incidents, the calculation and analysis of meteorological data, prediction, early warning and response services, etc.

air pollution detection; atmospheric sciences; virtual simulation; experimental teaching

G482

A

1002-4956(2019)10-0123-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.029

2019-03-29

國家自然基金項目（91544229）；國家級虛擬仿真實驗中心建設(shè)項目（教高廳函[2014]6號）；南京信息工程大學(xué)實驗室開放項目（2017kf017）；江蘇省高校“青藍工程”項目

安俊琳（1978—），男，新疆塔城，博士，副教授，主要從事大氣科學(xué)實驗教學(xué)工作。E-mail: junlinan@nuist.edu.cn

朱彬（1969—），男，江蘇南京，博士，教授，國家級實驗教學(xué)示范中心主任，主要研究方向為大氣環(huán)境。E-mail: binzhu@nuist.edu.cn