实操结合仿真模式在环境工程专业实验教学中应

随着科学技术的进步，特别是计算机、多媒体技术、网络技术的发展，传统的教学思想、教学方法、教学手段都面临着前所未有的挑战，仿真实验已成为一种新的发展趋势，在高等学校的实验教学中崭露头角[1， 2]。虚拟实验室已经能够在特定数值模型的基础之上，对现实中的物理化学过程、生命过程、实验过程、操作流程等实现软件模拟，接受虚拟场景中的输入并经过模型计算，对操作结果和实验现象进行呈现或再现，从而达到对真实实验系统的模拟[3]。应对目前社会对应用技能型人才需求，高校深化供给侧改革，环境工程专业实验课学时增加，涉及面更广，随着实验项目的增多，需要的仪器设备更繁杂、占用实验场地更多，实验材料消耗更大，从而总体实验费用升高，所有这些弊端都迫切需要改变传统的实验教学模式，模拟仿真实验手段则恰好弥补了传统实验教学模式的不足。
一、传统“实操”模式在实验教学中局限性
在环境工程实验教学中，传统“实操”模式下，学生在实验现场，直接接触各类实验仪器设备、药品、实验材料，身临其境，实际操作，提高动手能力，很好地完成教学大纲对实验基本操作能力训练的要求。虽然传统“实操”模式在实验教学中有着不可替代的作用，但也存在一定的局限性：
（一）实验总体费用高
满足当前应用型人才培养对学生动手能力的要求，学生数量增大，实验项目增多，采用传统“实操”模式，需要的仪器设备多，种类繁杂，维护工作量极大，实验材料消耗也不小，实验场地紧张，实验总体费用高。
（二）实验环境不环保
环境工程专业的实验中，经常使用有毒有害、易燃易爆危险化学药品及影响实验人员健康的菌种，实验过程中，不可避免产生毒害气体、污染环境废水、废渣，实验环境不环保，长期累积对大环境也存在污染。
（三）部分实验大纲要求难满足
实验中涉及先进大型贵重仪器设备，很难让学生人手一台，亲自操作，学生往往走马观花，了解皮毛；校内不具备固体废弃物焚烧装置、SBR 水处理装置等，更难满足学生需求；即便购买一些实验装置，学生也很难观察其内部结构，在有限的学时内，反复操作，寻找最佳实验参数。
（四）实验考核操作不方便、结果不理想
在实验考核过程中，实验指导教师在短时间内考核学生实验操作、批改实验报告、给出实验成绩，不但工作量大，也很难做到公平公正。
二、模拟仿真在实验教学中优势
模拟仿真实验软件在显示整个实验的过程中，将仪器设备、装置及所呈现的现象形象真实展示出来，模拟的实验过程科学、得出的数据可靠性高、实验结果真实。模拟仿真能够多次重复展示实验现象，对现象的规律、规则、理论进行详细深入的探索和研究方面较为有利。实际实验中难以或根本观察不到的实验发生过程和微观内部机制，学生通过智能化的模拟仿真形象的表现，便于揭示其中内涵、规律；在理解抽象的概念、掌握或探索有关的规则、定理或定律方面，学生通过模拟仿真改变实验条件、参数或仪器进行对照类比，方便瞬间观察感兴趣的现象或量值，揭示现象背后的实质问题。与传统的实操实验相比，模拟仿真实验教学有以下优点：
（一）仿真实验投资少，使用及维护方便
仿真实验只需将软件安装在计算机上即可运行，利用学校已有的计算机资源，使用较少的投资，即可开展实验，且方便学生使用，满足大批量学生实验的教学需求，化解了学生多而实验装置少的矛盾。同时，缩短了教师实验前的准备工作时间，日常维护负担也较维护多种实验设备轻。
（二）仿真实验生动形象，操作简便
仿真实验工艺流程形象逼真，实验的操作只需使用鼠标和键盘就可完成，操作极其简便，且无材料消耗，仪器损耗。在实验过程中，整个工艺流程出现在屏幕上，一目了然，还具有局部放大功能；学生可纵观全局，更好地把握实验过程，树立工程观念，有利于调动学生的学习积极性。
在有限的课程学时内，学生利用仿真软件短时间内可反复实验，可进行更多的开放式、综合性实验，提高了学习效率。
（三）仿真实验结果考核公正、便利
仿真实验过程中，教师利用模拟仿真软件的“操作评价功能”，对学生的实验操作动作、实验结果给出科学公正的评判。教师用机可以随时检查学生完成实验情况，解决学生实验中出现的问题，进行数据处理与统计，网上批改学生实验报告，考核学生实验效果，给出实验成绩。
（四）仿真实验绿色安全
采用常规的、传统的实验方式，环境工程专业的实验教学不可避免使用一些昂贵、容易引起爆炸或有毒有害试剂\ 药品。模拟仿真实验不但化学试剂和仪器装置“零投入”而且“废弃物零排放”，在涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等情况时，可提供可靠、安全和经济的实验项目，既节约资金又安全可靠，还可防止环境污染，创造绿色学习环境。
教师利用模拟仿真软件进行模拟违规操作，将产生的后果展示给学生，让学生看到误操作的严重后果，时刻警醒学生科学、严谨的工作态度在未来工作中的重要性，提高了学生科研素养。
三、“实操结合模拟仿真”模式在环境工程专业实验教学中应用原则
（一）注重能力培养，能“实”勿“虚”
尽管模拟仿真实验教学存在诸多优势，但“实操”模式在实验教学中的地位不可替代。否则学生纸上谈兵，轻点鼠标，动手能力得不到培养，无法适应未来实际工作需要。
因此，在实验教学中，应注重能力培养，能“实”勿“虚”，“实操”模式必须保持主要地位。
（二）有机结合，互为补充
“实操”与“模拟仿真”两种模式在实验教学中有机结合，各出所长，相互取长补短，而不是以此代彼，只有如此，才能获得更好的效果。
二者的这种结合体现在具体实践中，可以是某个独立的实验项目，如仪器分析实验中的气象色谱仪、液相色谱的使用，学生参观了解仪器实物，观察教师实验操作演示后，再进行仿真操作。也可以是某课程的几个实验项目，例如固体废弃物处理与处置这门课设置了固体废物的水分与灰分测定实验、粉煤灰分子筛的制备与性能研究、垃圾焚烧过程模拟、有机垃圾生物处理四个实验项目，前两项，采用实操模式，学生了解固废水分的存在形式与灰分的组成，掌握不同固体废物中水分与灰分的测定方法、碱熔法或固相法合成粉煤灰分子筛的基本原理及实验方法、紫外-可见分光光度计的构造原理以及操作方法、吸附试验操作原理与方法；后两项，受实验室条件限制，实操无法完成，采用仿真模拟模式，学生通过仿真实验进行生活垃圾的收集与热值测定，在回转窑焚烧约5 公斤生活垃圾，注意观察炉体温度变化，记录相关焚烧参数，从而掌握热值测定方法，回转窑或焚烧炉工作原理及结构组成，垃圾焚烧操作技术；有机垃圾生物处理过程模拟实验中，学生通过仿真实验，以学校食堂收集厨余垃圾为模型，进行好氧堆肥/厌氧发酵处理，调节含水率及C/N 比，控制通气流量和时间，记录温度变化，测定含水率、总固体、挥发性固体、碳氮比等，观察到了有机固体废物在生物处理过程中的变化，加深对堆肥和厌氧消化概念的理解；掌握好氧堆肥和厌氧消化工艺过程和控制方法；及好氧堆肥和厌氧消化工艺影响因素与控制措施，弥补了实操的缺憾，较好达到了实验目的。
（三）适应需求，发展完善
适应社会对创新应用型人才培养的需求，“实操”与“模拟仿真”两种模式在实验教学中应与时俱进，不断完善，在实践中找到最佳结合方式，更好完成教学任务。
四、虚拟仿真实验教学中心的建设实践
学校虚拟仿真实验教学中心建设工作以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”为指导，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，本着充分体现虚实结合、相互补充、能实不虚的原则，持续推进，逐步完善，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，使学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。
（一）虚拟仿真实验教学资源建设方面
以培养学生综合设计和创新能力为出发点，发挥学校学科专业优势，利用企业提供资源，丰富教学内容，拓展实验领域，提高教学能力，降低成本和风险，开展绿色实验教学。
（二）虚拟仿真实验教学的管理和共享平台建设方面
建设具有扩展性、兼容性管理和共享平台，高效管理实验教学资源，实现校内相关学科实验教学资源共享。
（三）虚拟仿真实验教学和管理队伍建设方面：
学校虚拟仿真实验教学和管理队伍主要由教育理念先进，学术水平高，教学科研能力强，实践经验丰富，勇于创新的教师、科研、实验技术人员组成。
（四）虚拟仿真实验教学中心的管理体系建设方面
学校系统制定并有效实施了《虚拟仿真实验教学的教师工作绩效考核办法》、《虚拟仿真实验教学经费使用管理制度》、《实验教学中心维护管理规定》，《提高学生创新能力的教学效果考核办法》等虚拟仿真实验教学中心的管理制度。
五、模拟仿真与实操相结合的实验教学模式实践
模拟仿真实验教学虽然具有很大优势，但也具备局限性，毕竟学生在未来的工作岗位上，不能只是轻点鼠标就能完成工作任务，只有与实操实验教学有机结合起来，优势互补，才能收到良好效果，全面提高教学质量，满足社会对人才需求条件。
在环境工程专业实验课中，我们引进了与环境工程专业实验相对应的由北京东方仿真公司开发的仿真软件，主要有化工原理实验、流体力学实验、环境工程水处理实验、大气污染控制设备单元、垃圾焚烧废气处理、AAO 工艺、SBR 工艺、WASB 工艺等全流程的仿真培训软件用于实验教学，学生在校内就可以充分得到大型贵重仪器使用、垃圾和污水处理流程的训练，真正将环境监测实验室、污水处理厂、垃圾填埋场搬进教室，在操作技能掌握上更加系统和全面。具体实践中：
1. 对涉及基本实验操作技能的实验项目，如环境分析监测的实验中的药品配制、滴定操作、水样的采集等，学生必须实际操作，反复演练，直至达到熟练操作；实际操作前，学生利用仿真实验，反复观看实验操作技巧，促进实操水平提升。
2. 对实验中涉及先进大型贵重仪器设备的，如仪器分析实验，首先理论课讲解实验仪器原理，接着让学生到学校的教育部环境生态工程重点实验室对气象色谱、液相色谱等贵重仪器实物观察，对使用仪器有感官的了解，在此过程中，教师实际操作演示仪器使用，讲解仪器操作方法、注意事项，学生观看学习，此后，学生再利用大型仪器分析模拟软件学习设备构造、原理，进行反复模拟操作，直至运用模拟软件考核合格。
3. 对实验中试剂药品昂贵或涉及有毒有害试剂的实验，实验中容易引起爆炸产生环境污染的实验项目，如环境化学、环境监测实验部分项目，利用模拟仿真教学，让学生在计算机上做实验，不但能达到实验目的，而且绿色安全、无环境污染。又如环境工程微生物实验中微生物观察与计数，学生每人一台显微镜利用无毒害的酵母菌，反复实际操作，直至掌握显微镜操作技巧、微生物计数方法，而对有危害的金黄葡萄球菌、大肠杆菌等形态观察，则利用虚拟软件在机房操作，从而完成实验教学。
4. 针对校内不具备的如固体废弃物焚烧装置、SBR 水处理装置等，采用模拟仿真实验，通过模拟仿真，实验原理、装置、流程、过程展现在学生面前，一目了然，学生通过设置、更改相关流程参数，取得最佳结果，完成实验。缓解了传统实验方式场地占用大、实验装置昂贵、实验周期长，耗材耗时，实验效果不理想，不能很好达到实验教学目的的矛盾。
水污染控制工程是高等学校环境工程专业必修的一门理论性和实践性都很强的学科，其中的理论、原理，工程设计等都离不开实验。而其实验项目气浮实验，传统“实操”模式，或受实验场地、时间、设备装置的限制，无法很好完成，而采用仿真实验模式，学生通过仿真模拟压力溶气气浮工艺，虚拟仪器面板设计气浮工艺构筑物参数，如接触池的长、宽、深，分离池的长、宽、深，溶气罐的直径、填料层高等，在实验过程中，调整介质间张力系数、进水流量、回流溶气水量、水温等主要参数，观察其对气浮效果的影响，加深理解气浮法的工作原理和工艺组成；掌握气浮处理系统的设计运行参数；掌握气浮工艺处理废水时，不同运行参数对运行效果的影响。城市污水综合处理方案设计实验，学生利用所学理论知识，针对城市污水，进行方案设计，并通过仿真模拟对设计的工艺流程进行运行，对处理单元作用、参数、工艺特点、效率等进行评价和分析。了解城市污水的特点；设计了城市污水处理方案；掌握污水处理工艺单元的作用和工作参数；计算出各个处理单元的分级效率；评价、总结该处理方案的特点及效率。激发了学生学习兴趣，达到了教学大纲的要求。
5. 对实验室具有简易装置又有模拟仿真软件的实验项目，如化工原理、流体力学在学生接授过理论教学后，到实验室参观了解实验装置，再利用模拟仿真教学，让学生观察现象，找准参数，再到实验室实际操作。
“实操结合模拟仿真”模式在环境工程专业实验教学中近2 年的试用，不但缓解当前实验经费与场地的不足，而且调动学生的主动性，更好地达到实验教学的目的。
六、结束语
与传统实验教学方式相比，虚拟仿真实验教学能实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，具有生动形象、操作简便，投资少，使用及维护方便，实验结果考核公正便利，实验环境绿色安全的优势。发挥仿真实验优势，再结合实操实验，缓解当前环境工程实验教学的困境，增强教师和学生的参与感，能很好地达到实验教学的目的。
只有坚持以学生为主体的教学理念，将模拟仿真实验教学与传统实验教学方法紧密地结合起来，实行优势互补，在教学实践中不断地探索，在探索中不断地改进，才能充分发挥模拟仿真加实操实验教学的优势，提高课堂效率，提升教学质量，培养高素质人才。