高職院校環境監測虛擬仿真軟件在教學中的實踐探索

［摘 要］ 虛擬仿真技術是指在計算機上實現對物理世界的仿真模擬，能夠讓使用者在任何地點、任何時間通過各種媒介進行體驗。目前，虛擬仿真技術主要應用于教育教學中，如虛擬仿真教學軟件。虛擬仿真教學軟件是利用計算機、網絡、多媒體、虛擬現實技術等手段，將教學中的物理實驗與實踐操作模擬再現出來，給使用者提供一個可以進行自主學習的平臺。系統具有開放性，不受時間和空間限制，能夠實現實驗課、理論課和實踐課的有機結合，為學生提供一個具有良好交互性和參與性的學習環境。虛擬仿真技術有利于培養學生解決問題的能力。

［關鍵詞］ 高職院校；環境監測；虛擬仿真；教學軟件

［基金項目］ 2023年度云南林業職業技術學院雙高計劃三級任務“‘環境監測實訓教學改革’課堂革命典型案例”（LZSGJH-2022297）

［作者簡介］ 熊唯唯（1990—），女，四川成都人，學士，云南林業職業技術學院林業學院環境監測虛擬仿真軟件實驗室管理員，主要從事環境監測虛擬仿真軟件操作研究；李雪娟（1981—），女，云南宜良人，碩士，云南林業職業技術學院林業學院副教授（通信作者），主要從事污染生態研究；唐宗英（1979—），女，云南麗江人，碩士，云南林業職業技術學院林業學院副教授，主要從事林學研究。

［中圖分類號］ G712 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）07-0117-04 ［收稿日期］ 2023-12-01

引言

云南林業職業技術學院生態環境工程學院的環境監測虛擬仿真實訓中心創建時間雖然在2018年年底，但因多年以來的積累，加之當時環境類的校外實訓基地資源非常豐富，虛擬仿真實訓軟件在教學實訓中運用較少。第一個轉折點是在2019年12月初，校內的師生實行全封閉管理政策，校外實訓基地無法開展實訓。授課教師和實驗指導教師進一步深入探討課程與虛擬仿真軟件的結合，環境虛擬仿真軟件實訓中心使用頻率越來越高。第二個轉折點也是在2019年12月底，首次組織開展“1+X”水環境監測與治理職業技能等級證書考試。此證書由教育部委托北控水務（中國）投資有限公司開發、組織實施，全國統一考試，其中的實操部分，虛擬仿真操作所占比例較大。參賽帶隊教師和實驗指導教師帶領參賽學生精益求精地鉆研虛擬仿真軟件。

一、研究背景

我校從2018年建立環境虛擬仿真軟件至今，已有將近5年的經驗，總結了一些經驗與大家分享，并探討教學過程中的使用經驗和意見。

二、高職院校學生學情

以云南林業職業技術學院為例，分析環境監測類專業的學生學情，一是普高生班級人數占比有所下降，二是單招生班級人數占比逐年增加，三是五年制轉段生班級人數占比逐年增加。學校采用的是合班制，三類不同招生途徑的學生都在同一個班，普高生、單招生、五年制轉段生三種類型的學生學習習慣差異較大，學習基礎參差不齊。教師在授課過程中要兼顧不同學情基礎的學生來開展教學，具有更高的挑戰性和全局性［1］。

三、環境監測虛擬仿真軟件的教學實踐

1.教學觀念的轉變。前期，以教師教授為主、學生自學為輔；后期，以學生自學為主、教師教授為輔。由于一些實踐教學沒有辦法開展，因此學校實行封閉式的教學管理，學生不能外出實訓。這對環境類的課程來說較為困難。虛擬仿真實習有效解決了這個問題，在教學方式上，教師通過仿真平臺發布任務，學生登入自己的賬號，接收任務，完成自主理論學習和實訓操作。教師在后臺導出學生成績，分析問題，解決問題。鼓勵學生自學，幫助學生在自主自律、獨立思考、溝通交流等方面獲得成長，并指引教師不斷優化育人方式，探索智慧教育［2］。

2.學生對虛擬仿真軟件的接受層次不一樣。“90后”“00后”學生中接觸電子虛擬游戲的人越來越多，現在的學生對虛擬仿真軟件的上手能力越來越強。這是趨勢，是優勢，也是好事。隨著科技的不斷發展，虛擬仿真技術已經被廣泛應用于各種領域，甚至是日常生活之中，人們在虛實交互中身臨其境感受技術的魅力。當下的學生接觸的虛擬仿真游戲越來越多，具備的虛擬仿真意識越來越強，計算機操作能力越來越熟練，虛擬仿真教學極大地展示出了他們這方面的特長，增強了學生的自信和成就感，讓他們在學習上更身臨其境，學習積極主動性更強［3］。

3.教師隊伍越來越年輕化，對虛擬仿真軟件的接受能力越來越強，在運用軟件時與教學過程的結合也越來越緊密。在教學過程中，教師可以根據學生在虛擬仿真平臺上的數據分析進行教學評估，了解學生對相關知識點的理解深度和技能方面的掌握程度。虛擬仿真平臺包括教師端、學生端，具備理論實操教學、虛擬仿真教學、課程管理、考試管理、統計分析等功能，結合配套虛實結合模擬測試，將理論教學、虛擬仿真與實踐技能充分融合，實現“理虛實”一體化混合教育模式。

4.虛擬現實技術具有豐富的圖像、聲音、視頻等信息資源，能夠為學生提供一個逼真的學習環境。虛擬教學具有沉浸性、交互性、真實性、虛幻性。區別于動畫的單一視覺角度，具有全方位觀察和更加真實的交互性，給學生提供一種身臨其境的學習體驗。此外，還可以通過模擬仿真實驗解決理論知識與實踐相結合過程中出現的問題，促進學生解決實際問題能力的提高。在此過程中，教師要加強引導與督促，使學生充分發揮主觀能動性，對知識進行探索和研究，激發學生學習的熱情與興趣。

教學實訓課程中，虛擬仿真軟件改變了傳統的實驗教學方式，突破了學習過程的時間和空間的限制，有助于輔助教學活動開展，提高實訓效果。將“教、學、做”合而為一，能有效培養學生的技術綜合應用能力。

5.虛擬仿真技術可以節省實驗設備資金投入和實驗時間，提高實驗效率。我國高校的實驗設備總體數量較少，且普遍存在“投入大、使用率低”的問題，尤其是一些高科技設備更是少之又少。同時，由于經費不足等原因，實驗室建設成本較高、周期長，實驗教學效果又受實驗設備的制約，導致一些高校的實驗教學存在資源浪費和利用率較低的問題。利用虛擬實訓代替實物實訓教學，可以解決實訓的設備成本高、不易觀察等難題，對降低成本、提高效率具有重要意義［4］。

6.虛擬仿真教學軟件利用計算機模擬出一個仿真化學實驗室。近些年，高校化學實驗室安全事故頻發。實驗室安全問題是各高校安全教學生產中的重中之重。虛擬仿真教學軟件可以幫助學生通過仿真模擬的方式來學習，避免了因操作失誤造成的事故。因此，利用虛擬仿真技術可以解決物理實驗教學資源浪費問題和實驗時間問題，從而減少了高校實驗室的高頻率實驗教學，使發生事故的可能性降低。虛擬仿真軟件從根本上減少了實驗室安全事故的發生，將危險的化學實驗從實際操作中轉到虛擬仿真平臺。并且，學生可以反復鍛煉自己的操作技能，養成規范良好的操作習慣，減少了因操作不當造成的實驗事故［5］。

7.環境類專業屬于實操類專業，在大型儀器的使用操作過程中，不能做到每名學生都有動手操作的機會。虛擬仿真軟件完美解決了這一問題，每個學生都可以通過自己的賬號在電腦上進行實操，更好地激發了學生的學習積極性、探索性、主動性和求勝心。為環境類實訓提供真實場景模擬，培養學生的實踐操作和應用能力。3D虛擬仿真情景實訓系統可以模擬真實場景，如緊急事件處理等，讓學生在虛擬環境中進行綜合實踐操作，提高實際工作能力。因操作步驟分模塊進行，學生在操作學習的過程中，為得到自己滿意的分數，會激發內在的驅動力，提高興趣，鉆研問題，解決問題，獲得學習的快樂和成就感［6］。

四、學情的提高

1.學生專注能力提高，專注時間更長。在教室中學習理論知識，學生的專注時間在40分鐘左右；使用虛擬仿真軟件，學生可以體驗沉浸式的學習過程，專注時間在60分鐘左右。

2.通過3D虛擬仿真情景實訓系統，可以模擬多種不同的工作場景，讓學生分組協作，共同解決問題，培養團隊合作意識和能力。學生談論問題更積極主動，相互幫助，團隊協作更加緊密。借助虛擬仿真教學軟件，在教學過程中，學生可以與教師和其他學生進行互動，促進學習共享和合作。

3.我們學校的學情是：一部分學生存在學習熱情不高、學習主動性不夠等問題。學習熱情不高，課堂存在個別學生玩手機的現象；學生積極主動性不強，學生課上獲得知識主要以教師教授為主、學生自學為輔。學習虛擬仿真軟件轉變了主體，由教師轉變為學生。學生放下手機，專心致志地進行電腦操作，在培養學生專注力的同時，能夠激發學生的學習興趣，提高學習效率和質量［7］。

4.關于“1+X”水環境監測與治理職業技能等級證書考試的指導，虛擬仿真軟件給學生提供了訓練平臺。學生通過虛擬平臺，登錄自己的賬號，進行相關虛擬仿真的學習和練習。課上，授課教師先講解理論知識，再讓學生進行操作，理論與實踐相結合，學生掌握知識點更加深刻。課下，學生可以登入自己的賬號，進行反復練習虛擬仿真操作，提高了自己的學習能力和專業能力。學生考證的過級率有所提高，從2020年較低的過級率，到2021年和2022年的過級率呈增長趨勢［8］。

5.全國使用率典型概況。從全國的數據統計情況來看，使用率在第一檔的是內蒙古自治區，雖然內蒙古自治區的教育水平在全國不算高，但是近幾年教育實力增長較快，可能是特殊的地理區位原因，虛擬仿真軟件使用率全國最高。使用率排在第二檔的是山東省，山東省的教育實力比較強，從古至今都是非常注重教育的地區。使用率排在第三檔的是新疆維吾爾自治區、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.實驗實訓安全。環境類化學實驗潛在的化學實驗風險較大，如試劑消耗大、成本高、實驗條件苛刻、難以進行真實實驗等。虛擬仿真軟件在改善實驗實訓條件的同時，實現了實驗教學的立體化，提高了實驗成功率，拓寬了學生的知識面，減少了實驗中的試劑消耗和化學實驗污染物的排放。因此，能更安全更高效地完成一些有毒、危害性大和污染嚴重的環境化學實驗。

7.生態環保理念。環境類化學實驗，由于實驗目的和類型不同，會使用到各種各樣的化學試劑，對應的實驗室排放的污染物類型也多種多樣，有有機污染物、無機污染物。大氣污染物直接排放到空氣中，對學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，處理起來費時、費事、費錢。在虛擬仿真教學過程中，虛擬仿真軟件實驗可以減少有毒有害試劑的使用率，減少污染物的產生和排放，從而從根本上減少對生態環境的污染，保護了生態環境，節約了自然資源，貫徹落實了“綠水青山就是金山銀山”的理念。

在虛擬仿真教學及實訓過程中，教師也會給學生傳達環保理念，將生態環境保護和治理引入課堂，讓環保意識融入學生的心靈，從而培養一代又一代的環保接班人。

五、不足和建議

1.受教學設備、電腦內存和機房網速的影響，上課時，難免出現網絡卡頓和電腦死機的情況，影響了學生的學習積極性。建議各高校在布置虛擬仿真實訓中心時，充分考慮學校的硬件設施，如電腦配置、電腦內存和寬帶網速，保障虛擬仿真實訓實驗室的有序教學。

2.學校招生人數增加，班級人數增加，但是機房電腦機位沒有增加，導致有的班級上課時兩個學生或多個學生同時使用一臺電腦。建議各高校在布置虛擬仿真實訓中心時，充分考慮班級人數，設計好機位，給予學生平等操作軟件的機會。

參考文獻

［1］羅舒君，陳育中，沈瑾.“三教”改革背景下立體化教材建設與應用研究：以五年制高職“環境監測實訓”課程為例［J］.江蘇教育，2022（44）：52-56，69.

［2］王燕子.淺析高職學生學情現狀［J］.南方農機，2019，" " " "50（9）：187-188.

［3］吳金嬌.創新創業環境下高職學生學情探析：以武漢外語外事職業學院財經類專業為例［J］.科技創業月刊，2017，30（23）：64-66.

［4］裘姍姍，劉潔，黃進剛.高校《儀器分析》課程在環境監測教學改革中的幾點探索［J］.科教導刊（電子版），2020（28）：191-192.

［5］林娜.高職學生學情分析及教學改革應用研究［J］.知識經濟，2019（13）：121-122.

［6］仝玉琴，席尚君，王博.高職學生學情調查分析與對策研究：以咸陽職業技術學院為例［J］.陜西教育（高教），2015（6）：56-58.

［7］萬田英，熊雙蓮，邱國紅，等.農業院校環境監測實驗課程改革與實踐［J］.湖北工程學院學報，2021，41（3）：74-76.

［8］黃卉，劉振楠，邱陽.“雙高計劃”背景下高職學生學情分析：以有色冶金技術專業群為例［J］.昆明冶金高等專科學校學報，2022，38（5）：1-6.

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