環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)探索

盧彥越 劉細(xì)祥 黎克純 劉紹剛 朱偉偉 胡玉平 吳葉宇

[摘 要]環(huán)境工程是一門工程性和應(yīng)用性很強的專業(yè)，教學(xué)中加強學(xué)生的實際操作能力、動手能力訓(xùn)練非常重要。仿真實驗教學(xué)是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的必要補充和延伸，可以實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，為學(xué)生提供一個實踐實訓(xùn)平臺。我校環(huán)境工程專業(yè)從建設(shè)思路、建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)可行性等方面研究探索建設(shè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心，著力構(gòu)建真實實驗與虛擬實驗有機結(jié)合的實驗教學(xué)體系。

[關(guān)鍵詞] 環(huán)境工程;仿真實驗;實踐教學(xué);人才培養(yǎng);創(chuàng)新能力

一、引言

隨著我國提出“綠色發(fā)展”新戰(zhàn)略，社會對高素質(zhì)環(huán)境保護人才的需求也隨之增加。作為地方高校的環(huán)境工程專業(yè)，人才培養(yǎng)的目標(biāo)就是要適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的需要，為廣西環(huán)境保護與環(huán)保產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才。為了適應(yīng)社會需求，環(huán)境工程專業(yè)的學(xué)生除了要掌握基本理論知識外，還要具備較強的實踐動手能力和創(chuàng)新精神。通過完善課程實驗、仿真實驗、課程設(shè)計、認(rèn)識實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力[1]。

為了提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，本專業(yè)教師進行了一系列教學(xué)改革的研究和探索。除了提高課堂教學(xué)質(zhì)量外，還加強和改進了實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。例如，、加強不同學(xué)科專業(yè)實驗的聯(lián)系，增加綜合性專業(yè)實驗的比例;課程實驗與科研課題相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的研究探索能力;充分利用虛擬仿真實驗，促進學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。目前我校化工系已經(jīng)建立了仿真實驗室，借助這個仿真平臺，可為環(huán)境工程專業(yè)的學(xué)生開設(shè)環(huán)境工程原理、固廢污染控制等課程的仿真實驗。例如開設(shè)了旋風(fēng)除塵器性能實驗、吸收二氧化硫?qū)嶒灐㈦x心泵特性曲線測定、流體阻力系數(shù)測定、吸收（氨—水）實驗等仿真實驗。這些仿真實驗彌補了由于條件不具備，無法開設(shè)實驗的不足，減少了由于臺套數(shù)不夠，有些學(xué)生無法動手實踐的情況。

仿真實驗教學(xué)是傳統(tǒng)實驗教學(xué)的必要補充和延伸，仿真實驗可以將一些在真實實驗過程中做不到的，或無法觀察實驗整個過程的問題，通過在計算機上的模擬實驗來解決。仿真實驗的這些特點有助于培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和提高學(xué)生參與實驗的積極性。因此建設(shè)環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心十分必要[2-5]。

二、仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思路

環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)堅持“科學(xué)規(guī)劃，注重創(chuàng)新，突出特色，資源共享”的指導(dǎo)思想，以提高學(xué)生創(chuàng)新實踐能力為宗旨，建設(shè)真實實驗、仿真實驗相互補充、相互促進的完善的實踐教學(xué)體系[6，7]。

仿真實驗教學(xué)中心依托廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的整體學(xué)科優(yōu)勢，在區(qū)級基礎(chǔ)化學(xué)實驗教學(xué)示范中心的基礎(chǔ)上，聯(lián)合化學(xué)工程與工藝、應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)等相關(guān)學(xué)科的學(xué)科優(yōu)勢，以環(huán)境污染控制研究平臺和環(huán)境監(jiān)測與評價研究平臺為支撐點，將實驗教學(xué)資源與信息技術(shù)進行融合，建立環(huán)境工程和工程實訓(xùn)虛擬仿真實驗教學(xué)體系。通過不斷完善建設(shè)內(nèi)容，推進實驗教學(xué)信息化建設(shè)和實驗教學(xué)資源開放共享。使環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心成為促進環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)改革創(chuàng)新、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效途徑。

三、仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)

環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)是為了實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，在涉及高危、極端環(huán)境或現(xiàn)有實驗條件不足時，提供給學(xué)生的一個實踐實訓(xùn)平臺。也可為學(xué)生自主開展實驗、進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練提供條件支撐。虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)必須充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則，著力構(gòu)建真實實驗與虛擬實驗有機結(jié)合的實驗教學(xué)體系[8，9]。

（一）虛擬仿真實驗教學(xué)資源

以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，建設(shè)環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心，提高實驗教學(xué)能力，豐富實驗教學(xué)內(nèi)容。主要有以下建設(shè)內(nèi)容：

1.建立仿真實驗室。建設(shè)容納一個標(biāo)準(zhǔn)班的多媒體機房，購買環(huán)境工程專業(yè)仿真實驗軟件單機版、網(wǎng)絡(luò)版，建立網(wǎng)絡(luò)開放式仿真實驗室。

2.基礎(chǔ)實驗虛擬仿真平臺。主要用于訓(xùn)練學(xué)生的通識基礎(chǔ)實驗、學(xué)科基礎(chǔ)實驗技能，掌握分析方法，學(xué)習(xí)分析儀器的操作。包括氣相色譜仿真軟件、液相色譜仿真軟件、原子吸收仿真軟件、氣質(zhì)聯(lián)用仿真軟件等。可開設(shè)的實驗有氣相色譜分析混合物中苯、甲苯、二甲苯的含量，氣質(zhì)聯(lián)用分析蔬菜中農(nóng)藥的殘留，液相色譜分析色素中檸檬黃、胭脂紅、日落黃的含量，原子吸收分析未知樣中Ca、Mg、Cu、Zn的含量等。

3.專業(yè)實驗虛擬仿真平臺。包括水處理單元仿真軟件、大氣污染治理仿真軟件、固廢污染治理仿真軟件、環(huán)境監(jiān)測與評價仿真軟件等，訓(xùn)練學(xué)生掌握水環(huán)境、大氣環(huán)境中各項環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測和分析方法。開設(shè)的仿真實驗項目有自由沉淀實驗、過濾實驗、混凝實驗、氣浮實驗、曝氣充氧實驗、活性污泥實驗、堿液吸收SO2實驗、旋風(fēng)除塵器性能實驗等。

4.工程實訓(xùn)虛擬仿真平臺。學(xué)生在計算機上通過模擬真實現(xiàn)場操作，從而產(chǎn)生和真實實驗一樣的操作結(jié)果。訓(xùn)練學(xué)生掌握水、大氣、固廢污染治理的原理、方法和工藝，直觀了解治理的過程和效果。通過工程實訓(xùn)，學(xué)生了解環(huán)境工程設(shè)備的運行過程，學(xué)會管理和運行一個完整的污染治理項目。培訓(xùn)的工藝有氧化溝工藝、SBR工藝、UASB工藝、AB工藝、氣浮工藝、A2O工藝、反滲透工藝等。

5.仿真平臺管理系統(tǒng)。提供練習(xí)、培訓(xùn)、考核等模式，設(shè)置隨機事故擾動、自動收取成績等功能，使仿真實驗操作過程和技能考核納入規(guī)范化管理，加強學(xué)生的操作技能訓(xùn)練，有效提高教學(xué)和培訓(xùn)的質(zhì)量。

（二）虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺

建設(shè)具有擴展性、兼容性的共享平臺，高效管理實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)校內(nèi)外實驗教學(xué)資源共享，滿足多個學(xué)校和多學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實驗教學(xué)的需求。環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心將建設(shè)如下范圍的共享：

1.校內(nèi)共享。面向環(huán)境工程、化學(xué)工程與工藝、應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)等相關(guān)專業(yè)開放大型分析儀器仿真系統(tǒng)、氣相色譜仿真軟件、水處理工藝流程工程實訓(xùn)仿真系統(tǒng)、大氣處理工藝流程工程實訓(xùn)仿真系統(tǒng)等。

2.企業(yè)共享。與企業(yè)開展合作，針對污染治理開發(fā)虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)共享平臺，建設(shè)污染治理企業(yè)培訓(xùn)管理系統(tǒng)，服務(wù)企業(yè)技能培訓(xùn)和管理培訓(xùn)。

3.同行高校共享。建設(shè)的環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心將向我區(qū)高校同行開放共享，服務(wù)相關(guān)專業(yè)的本科理論教學(xué)和實驗教學(xué)。

（三）虛擬仿真實驗教學(xué)師資隊伍

建設(shè)教學(xué)、科研、實驗技術(shù)人員相結(jié)合、人員相對穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理的虛擬仿真實驗教學(xué)團隊，形成一支教育理念先進、學(xué)術(shù)水平高、教學(xué)科研能力強、實踐經(jīng)驗豐富、勇于創(chuàng)新的虛擬仿真實驗教學(xué)和管理隊伍。

（四）虛擬仿真實驗教學(xué)中心的管理

以虛擬仿真實驗教學(xué)資源的開放共享和充分使用為目標(biāo)，制定管理措施，實施教師工作績效考核，合理使用經(jīng)費，保障實驗教學(xué)中心維護與可持續(xù)發(fā)展。建立有利于激勵學(xué)生學(xué)習(xí)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力的考核、評價和反饋機制。

四、建設(shè)仿真實驗教學(xué)中心的可行性

我校環(huán)境工程專業(yè)設(shè)置了水污染控制實驗室、固廢及大氣污染控制實驗室、環(huán)境監(jiān)測實驗室。教學(xué)實驗所需的儀器設(shè)備基本齊全，擁有500m2實驗教學(xué)場地，能夠滿足本專業(yè)培養(yǎng)計劃對實踐教學(xué)的要求。這些實驗條件為環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

目前，我校化工系已經(jīng)建立了仿真實驗室，借助這個仿真平臺，可為環(huán)境工程專業(yè)的學(xué)生開設(shè)環(huán)境工程原理、固廢污染控制等課程的仿真實驗。例如，開設(shè)了旋風(fēng)除塵器性能實驗、吸收二氧化硫?qū)嶒灐㈦x心泵特性曲線測定、流體阻力系數(shù)測定、吸收（氨—水）實驗等仿真實驗。在此基礎(chǔ)上建設(shè)和完善環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心，可以實現(xiàn)環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心與現(xiàn)有的化學(xué)教學(xué)實驗中心、化學(xué)工程與工藝教學(xué)實驗中心進一步的資源共享。同時可以聯(lián)合全區(qū)高校相關(guān)環(huán)境院系實現(xiàn)共建共享，建設(shè)虛擬仿真實驗資源的網(wǎng)絡(luò)共享平臺。

本專業(yè)教師隊伍結(jié)構(gòu)合理，各有專長。近年來開展了一系列教育教學(xué)改革研究，以及本專業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)研究，取得了許多成果，形成一支教學(xué)、科研、實驗技術(shù)人員相結(jié)合、教學(xué)科研能力強、勇于創(chuàng)新的虛擬仿真實驗教學(xué)團隊。這些條件為環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)提供了很好的基礎(chǔ)。

五、結(jié)語

環(huán)境工程是一門工程性和應(yīng)用性很強的專業(yè)，教學(xué)中加強學(xué)生的實際操作能力、動手能力訓(xùn)練非常重要。利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗和實習(xí)實訓(xùn)環(huán)境，滿足實驗教學(xué)和實習(xí)實訓(xùn)的要求，對提高本科人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的意義。因此，環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)對于提高學(xué)生創(chuàng)新實踐能力、推進實驗教學(xué)信息化建設(shè)和實驗教學(xué)資源開放共享十分必要。

參考文獻

[1]周世杰，吉家成，王華.虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)與實踐[J].計算機教育，2015（9）：5-11.

[2]胡今鴻，李鴻飛，黃濤.高校虛擬仿真實驗教學(xué)資源開放共享機制探究[J].實驗室研究與探索，2015（2）：140-145.

[3]陳國輝，劉有才，劉士軍，等.虛擬仿真實驗教學(xué)中心實驗教學(xué)體系建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2015（34）：169-173.

[4]王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，（32）：5-8.

[5]王曉迪.虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)中八項關(guān)系的理解與探討[J].實驗技術(shù)與管理2014（31）：9-11.

[6]陶敏，鐘松，張文革.地方院校環(huán)境工程專業(yè)仿真實驗教學(xué)現(xiàn)狀與對策分析[J].中國電力教育，2013，（28）：149-150.

[7]宋建爭，李建軍，張永強.化工虛擬仿真實驗教學(xué)探索與實踐[J].教學(xué)研究，2014（3）：107-109.

[8]孫雷，韓承輝.高職院校環(huán)境監(jiān)測與治理技術(shù)專業(yè)虛擬實驗室的構(gòu)建與應(yīng)用研究[J].湖北廣播電視大學(xué)學(xué)報，2014（12）：43.

[9]廖文超，徐蘇，李元高，等.基于Flash的仿真實驗在環(huán)境工程實驗中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2013（18）：62.