虛擬仿真教學模式下大氣污染控制工程實驗教學*

鐘 欣

(北京師范大學珠海分校，環境科學與工程系，廣東 珠海 519000)

《大氣污染控制工程》是環境科學與工程專業學生的專業主干課程之一，起著從理論到實踐的橋梁作用，具有很強的理論性和實踐性[1]。大氣污染控制工程的主要教學目的之一就是讓學生熟練掌握大氣污染處理中的工藝流程和基本原理，培養學生的自主學習能力和動手實踐能力，并用來解決實際過程中的問題。其中，實驗教學在大氣污染控制課程中起著非常重要的作用，能夠深化課堂知識，提高分析和解決問題的綜合能力。但是，目前大氣污染控制實驗教學中仍然存在著許多問題，如學生動手能力不足，大型儀器和設備無法動手實操，涉及有毒物質實驗難以開展等問題，導致實驗教學沒能達到預期的教學效果[2-3]。

近年來，隨著虛擬仿真技術逐步引入到實驗教學的應用實踐中，能夠與化工原理[4]、大氣污染控制[5]、汽車教學[6]、生物工程[7]等課程融合，展現出廣闊的高等教育教學的應用前景。許多高校成功建立虛擬仿真實驗教學平臺，將虛擬仿真技術與實驗教學融合在一起，相輔相成，拓展了實驗教學的應用，深化課程體系內容的學習。與傳統的實驗教學模式相對比，虛擬仿真實驗教學能夠使大氣污染控制工程的課本理論知識與虛擬仿真技術和“互聯網+”相結合，建立“線上+線下”立體化的教學氛圍，使得大氣污染控制工程實驗教學能夠進一步深化開展[8]。為此，在已經建立的大氣污染控制工程虛擬仿真實驗教學資源的基礎上，分析大氣污染控制工程實驗教學的優勢與不足，對實驗教學體系進行更新，使得實驗教學資源能夠實現共享和延伸。

1 虛擬仿真實驗教學資源的構建與應用

通過計算機上的虛擬實驗設備的動態模型模擬，能夠使得原本空洞化的介紹說明形象化，讓學生操作和處理和真實實驗類似的操作，便于學生在課程時間段內了解并掌握大氣污染控制實驗工藝的操作流程[9]。以二氧化碳吸收與解吸實驗為例，介紹虛擬仿真實驗教學模式的運行與操作。

圖1 二氧化碳吸收與解吸實驗教學思維導圖

1.1 “慕課”式課前預習，提高實驗教學效率

傳統的實驗裝置由于設備占地面積大，觀察不便，而且實驗過程多為幾人一組，學生動手機會少，教學效果沒有達到預期要求[10]。而利用虛擬仿真實驗，在實驗教學之前，教師將二氧化碳吸收與解吸實驗的基本原理，公式等內容制作實驗預習報告并發布到網絡教學平臺上。學生在上課前通過網絡教學平臺查看并下載實驗預習報告并提前完成預習報告，將這部分原本由課堂多媒體講授的原理和公式介紹以“慕課”的形式進行，由學生自行學習課本上的相應知識，完成整個預習報告在網絡教學平臺提交預習報告，其中包括PPT演示內容。教師通過網絡教學平臺查看每位學生的預習報告，并給出預習報告的分數，此部分分數占整體成績的30%。

1.2 “翻轉課堂式”課堂虛擬仿真實驗，動手實際操作提高學習主觀能動性

圖2 3D場景仿真系統運行界面

在二氧化碳吸收與解吸實驗中有10套實驗裝置，學生根據課前預習內容登陸網絡教學平臺進入大氣污染工程虛擬教學資源進行虛擬仿真模擬實驗，按照該實驗步驟完成整個CO2吸收性能實驗并進行實驗數據收集與處理。教師通過教師工作站進入考評系統查看每個學生的操作記錄并對實驗報告進行現場打分。實驗界面如圖2所示。教師打分完成后，以學生為課堂主導對象進行“翻轉課堂”教學。學生根據實驗內容和預習內容進行個人PPT展示，闡述自己對二氧化碳吸收與解吸原理、工藝流程、操作注意事項的總結，教師承擔對學生匯報內容的指導任務，輔助學生對氣體吸收與解吸原理的深入理解，并規范學生的實驗操作過程，對匯報內容中的不足進行指正，便于學生對氣體吸收與解吸過程有更好的掌握與應用，此部分分數占整體成績的40%。

1.3 課后反饋，開放自媒體平臺進行線下鞏固溫習

從以往開設大氣污染控制工程課程的學生反饋來看，授課教師“一家之言”的純理論授課會導致課堂教學效果大打折扣，多元化教學手段與自媒體平臺相結合，利用課堂之外自媒體平臺的在線學習進行知識鞏固。自媒體不受時間和空間的限制，可以合理利用時間進行個性化的指導和幫助，確保每個學生都能完全掌握知識點[11]。學生根據課前預習，虛擬仿真實驗操作，自主設計，選擇實驗操作參數，驗證實驗結果和設想，課后練習以課程內容為主導，為后續課程和實踐環節打好充足的基礎，此部分分數占整體成績的30%。

2 大氣污染控制虛擬仿真實驗教學改革思考

通過利用校園局域網、網絡教學平臺、微信、播客等手段，將原本枯燥的大氣污染控制實驗內容具象化，構建課前“慕課”預習，課堂“翻轉式”教學和課后自媒體反饋的新興實驗教學模式，可以解決傳統大氣污染控制工程實驗教學中的不足之處，學生在計算機上進行仿真實驗可以身臨其境的體會實驗設備的操作與運行，并且可以縮短實際工程中耗時較長的實驗所耗費的時間，提高實驗教學效果。

2.1 實驗教學資源選擇與共享

大氣污染控制工程實驗教學目的是讓學生加深對書本理論的理解，深入掌握問題的處理和研究方法，提高學習能力和創新能力，而虛擬仿真實驗是傳統實驗教學在“互聯網+”大背景下的強有力補充，在虛擬仿真實驗的選擇和設計過程中，應該注重讓學生得到培養，通過對實驗的摸索，提高自身能力[12]。“慕課”式的課前預習使得時間和空間的距離進一步拉小，實現教學資源的真正意義上的共享。

2.2 結合實際項目，進一步拓展虛擬仿真實驗教學資源建設

借助智能手機、平板電腦、筆記本電腦等設備，初步構建了大氣污染控制工程實驗教學平臺，包括虛擬仿真實驗教學資源，在線學習，實驗考核，師生交流等功能在內的教學平臺，保證學生能夠親自動手操作原本實體實驗教學中不易開展的項目，提升學生整體的學習能力[13]。但是，教學平臺需要進一步加大投入與建設，才能保證虛擬仿真實驗與實際項目保持一致性，才能與實際項目相互印證，虛實結合，達到教學目的。

2.3 形成新的實驗教學改革模式，構建實驗教學考核體系

將虛擬仿真實驗引入大氣污染控制的實驗教學中，共享教學資源，并且優化虛擬仿真實驗的實驗條件，加深學生對實驗的基本原理，工藝流程的理解，培養學生的自主學習能力，與“慕課”、“翻轉課堂”一起構建新的大氣污染控制工程實驗教學改革模式，為學生提供個性化和自主化的學習課堂，激發學生的實踐創新能力[14]。同時，大氣污染控制實驗教學考核以虛擬仿真實驗為核心開展，以實驗預習報告，實驗過程，實驗結果，課堂匯報PPT，課后反饋與拓展為考核的主要組成部分，過程與結果并駕齊驅，實現考核過程的全覆蓋與合理性。

3 結 語

通過將虛擬仿真實驗教學引入到大氣污染控制課程中，形成與“慕課”“翻轉課堂”相結合的綜合創新教學改革體系，極大的培養學生自主學習能力與創新能力。大氣污染控制工程實驗教學效果影響著學生應用型人才的培養，傳統教學模式難以滿足學生的需要。虛擬仿真實驗教學模式下的大氣污染控制課程教學改革已經面向2017級環境科學與工程專業的學生開展，學生可以通過“慕課”預習，“翻轉課堂”增加學習主動性，課后驗證設想，激發學習興趣，學生普遍反饋教學體系效果優于多媒體授課，創新能力和解決問題能力增強。在傳統實驗教學的基礎上，增加虛擬仿真實驗作為輔助，可以提高大氣污染控制實驗教學效果，形成良好的學習氛圍。