新工科背景下“虛實結合”環境工程原理實驗教學探索與實踐

伍昌年 薛莉娉 馮少茹 劉常瑜 謝發之

［摘? ? ? ? ? ?要］? 實驗教學是環境工程原理相關課程教學環節中的重要組成部分，注重培養學生的工程實踐能力。傳統實驗教學易受到時間、空間、設備等限制，實體實驗的開設具有一定的局限性。為了提高學生的綜合創新實踐能力，將虛擬仿真實驗與實體實驗相結合，從實驗方案構建、教學方式、評價方式等方面構建虛實結合的環境工程原理實驗教學體系。實踐表明，該教學體系豐富了實驗教學資源，加深了學生對知識點的理解，增強了學生的主動學習興趣，解決了實驗受時空限制的問題。

［關? ? 鍵? ?詞］? 新工科；虛實結合；環境工程原理；實驗教學

［中圖分類號］? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文獻標志碼］? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文章編號］? 2096-0603（2024）09-0０49-04

2016年，自教育部正式提出“新工科”建設以來，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[1]。推動新工科建設，必須全面推進建設新模式、新結構、新理念的工程教育，以新工科的整體面貌迎接多重戰略機遇與挑戰交織并存的新形勢、 新任務， 加強對工科專業學生培養質量的把控，培養工程實踐能力強、具有創新和實干精神的工科人才。黨的二十大報告指出：“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐?！睂τ诠こ碳夹g人才來說，新工科人才培養模式的建設與發展具有十分重要的意義。

2024年1月11日，《中共中央? 國務院關于全面推進美麗中國建設的意見》發布，建設美麗中國全面推進。目前我國經濟快速發展，但與之相應環境治理呈現明顯滯后，隨著新污染物出現，各種復雜的環境污染問題日益突出，亟須先進的污染治理技術和環境工程高水平專業人才解決日前面臨的環境問題，進而全面推進生態文明建設。環境工程是一個實踐性和應用性非常強的多學科交叉學科，安徽建筑大學環境工程專業分別于2021年通過教育部工程教育認證和國家“雙萬計劃”一流本科專業建設點。

環境工程原理是環境工程專業九門核心課程之一，實驗教學是環境工程原理課程理論指導實踐的重要環節，相較于理論教學更具有直觀性、綜合性和創新性，有利于提高學生的綜合素質、工程實踐能力和科技創新能力[2]。在新工科人才培養的要求下，工科實驗課應以學生發展為中心，通過教學評價促進持續改進，推進信息技術與教育教學的深度融合[3]。傳統實驗教學受實際實驗教學條件的限制，很多綜合性實驗無法在實際授課過程中充分展現。因此，在環境工程原理實驗課程教學中要不斷地豐富教學手段，提高教學水平，滿足專業人才培養的具體要求。環境工程原理實驗目前開設了“伯努利方程”“恒壓過濾常數測定”“傳熱綜合實驗”“填料塔吸收實驗”“微濾超濾實驗”“光催化降解污水實驗”“微生物培養及降解污染物實驗”和“污泥消化實驗”8個實驗，通過實驗課程學習，使學生掌握傳熱基本方式和原理、分離和反應工程原理，熟練調控實驗參數和數據分析，解決復雜問題能力的培養和鍛煉，培養創新性思維、家國情懷和工程倫理觀。本文在總結傳統環境工程原理實驗教學模式存在的問題和“虛實結合”實驗教學方式優勢的基礎上，分析了環境工程原理“虛實結合”實驗教學體系的構建與實踐，探討了“虛實結合”教學方式的應用對提升實驗教學效果的現實意義。

一、傳統實驗教學模式存在的不足

傳統環境工程原理實驗教學采用“課前預習+課堂講解+學生實體操作+實驗報告”模式[4]（如圖1所示），學生與教師僅僅在線下做實驗時交流，多集中理論理解和實驗裝置的操作，特別是實驗結束后完成實驗報告時數據分析無法及時與教師交流，學生很難形成完整、全面的知識體系。傳統環境工程原理實驗教學不足總結有如下六點。

（一）教材和教學內容更新滯后

新污染物出現及日益復雜的環境污染問題和污染物治理理論和新技術，教材內容的更新跟不上，又由于教師實踐經驗有限，不能及時分享最新工程案例，難以建立“理論—實踐—應用”機制，導致學生獲取的信息量減少，不利于對知識點理解和掌握。

（二）課前備課工作量大，學生課前預習效果差

實驗教師需根據實驗項目準備相應試劑及儀器、裝置等，如果準備不充分，將影響實驗進程，導致實驗教師課前準備工作量大。另外，學生課前預習只是通過實驗教材或指導書中圖片了解實驗儀器，沒有接觸實驗儀器的機會，造成學生課前預習效果差。由于預習效果差，進行實驗操作時很難進行思考并提出問題，被動接受課堂信息，最終導致學習效果不好。

（三）課堂教學模式單一，學生體驗感差

目前，實驗課程教學多借助已購置實驗裝置對實驗項目原理和設備操作進行逐一介紹，學生自主操作機會少，導致部分學生有敷衍了事的心態，學習興趣不高，一定程度上抑制了學生的好奇心，造成學生主動學習能力弱，學習效果差，體驗感差。

（四）實驗課教學資源有限，學生參與度低

工程教育認證要求工科實驗項目每組人數為4～6人，受教學場地和經費限制，難以購買大量實驗設備，部分長學時實驗項目分組滿足工程教育認證要求，很多學生存在整個實驗中都沒有參與，這部分學生課后的實驗報告完成質量大打折扣，導致實驗教學效果難以保障。對于高危和高污染的實驗項目，實驗需要課前將試劑配制好，實驗過程產生的廢液或廢渣若不規范處置，將會造成嚴重的環境污染問題，受制于實驗?；钒踩芾砑皥龅?，無法滿足所有學生參與實驗，更有部分實驗項目無法開展，學生沒有實際操作的機會，這些都不利于學生實踐能力的培養和提升[5]。

（五）實驗教學體系中實驗類型比例不盡合理

由于實體實驗裝置及數量的限制，課程中有關設計性、綜合性和創新型實驗所占比例較少，驗證和演示性實驗較多，學生按照教師講的步驟進行操作，整個實驗過程學生處于被動地位，學生只有進行自主設計或參與綜合性和創新型實驗，才能進行獨立思考和提出相應的問題，不斷進行“實驗設計思考—提出問題—解決問題”反饋，學生的綜合實踐能力才能得到提高。而一旦缺少進行自主設計實驗的機會，將不利于學生主動思考和探索能力培養。

（六）課后復習難度高、操作遺忘率高

學生完成實驗課程學習后進入污染物檢測和治理相關崗位，會接觸污染指標測定和相關設備的操作，而這些需要他們利用學校學習的知識和實驗操作完成。傳統的實驗教學方式多存在做一遍就結束的現象，很難在有限時間內對實驗框架和實驗操作有完整和全面的理解和掌握，難以復盤復習，進而造成學生操作遺忘率高，不符合新工科對培養創新型人才的要求。

二、“虛實結合”教學模式的優勢

虛擬仿真技術是基于計算機用一個智能化的系統模仿現實世界中的實驗操作過程，實現可視化實驗操作環境的技術。虛擬仿真實驗教學是依托虛擬仿真云平臺，學生一方面可以在云平臺進行操作，另一方面可以自行設計和完成與實驗項目相關的實驗。學生可以從視覺、聽覺等層面的感知上帶給使用者身臨其境的感覺，體驗感很好。與傳統實驗教學相比，虛擬仿真實驗具備低成本、高效率、智能化等特點?！疤搶嵔Y合”教學模式是在保留實體教學優勢的前提下，由虛擬仿真實驗教學彌補其實踐教學的不足，有利于實現學生工程能力更為全面、系統的培養和鍛煉。

（一）與時俱進，更新教學內容

虛擬仿真云平臺能持續更新污染物治理檢測新技術和新方法，彌補教材內容更新滯后的不足，以便學生及時獲取、掌握新知識，提高學生主動學習的積極性，提升教學效果。

（二）打破時空限制，豐富教學形式

如“污泥消化”實驗持續時間長，線下實驗教學學時有限，無法將整個實驗過程充分呈現出來。學生在虛擬仿真云平臺觀看和操作，對污泥消化反應有全面、直觀的理解，然后在實驗裝置再進行實操，利用“虛實結合”的教學方式能夠較好地解決這類設計性和綜合性的實驗項目開設問題[6]。將虛擬仿真技術應用于實驗教學中，能夠將傳熱、分離過程中出現的問題在虛擬仿真軟件中完全呈現，增強實驗項目教學的可視性和可操作性，提升實驗教學水平和學生的創新實踐能力。

（三）降低教學成本，安全操作性增強

虛擬仿真實驗教學中危險化學品實驗均為電腦操作，避免了有毒有害物質的接觸。利用“虛實結合”的實驗教學方式可以減少傳統實驗教學實驗設備投入和?；肥褂昧?，學生能清楚地觀察不同工作狀態下反應裝置的內部狀態，有助于理解整個污染物控制技術。

（四）實驗類型比例合理，學生自主選擇性強

虛擬仿真云平臺實驗類型和比例更合理，驗證、設計、綜合及創新型實驗都有一定比例，學生在完成必修內容后，還可以根據自己的興趣自由選擇其他實驗項目，無需受限于教材內容。學生自由選擇綜合性強的實驗項目后可以自己設計，改變實驗參數，獲取自己期望的實驗結果，有利于學生統籌邏輯思維能力的培養和鍛煉。

（五）評價方式多樣化，考核更全面

虛擬仿真實驗考核多樣化，學生互動性更強，能增強學習效果?！疤搶嵔Y合”教學方式評價可采用線上（虛擬仿真實驗）和線下（傳統實驗教學）相結合，評價體系更完整。

（六）課后復習便捷，能增強學習效果

虛擬實驗項目開展，學生沒有時空限制，利用網絡或手機終端，隨時隨地開展實驗學習和操作。學生可以根據自己對知識掌握的程度自行調整進度，能夠實現有計劃學習，同時能實現隨時隨地復習，進而增強學習效果。

三、“虛實結合”實驗教學體系構建

“虛實結合”實驗教學體系將傳統實驗教學與虛擬仿真實驗相結合，構建的虛實結合環境工程原理實驗教學體系如圖2所示[7]?！疤搶嵔Y合”實驗教學方案分為課前預習、實體實驗和虛擬仿真實驗三個部分，課前預習包括虛擬仿真云平臺圖片和文獻資料介紹，熟悉實驗項目原理和影響因素；實體實驗是在實驗裝置進行實操；虛擬仿真實驗針對設計性、綜合性和創新型實驗，如污泥消化實驗等?！疤搶嵔Y合”實驗教學方式分為“虛實結合”教學方式、問題啟發式教學方法、案例式教學方法和研討互動式教學方法四個部分，其中問題啟發式和案例式教學中，教師提前將實驗相關環境熱點問題或案例錄入云平臺，學生提前熟悉和了解，實驗課程講解時，學生能帶著問題與教師互動討論，能激發學生的學習興趣和提升教學效果。實驗教學評價方式分為兩種：虛擬仿真評價（線上）和實體實驗評價（線下），根據學生線上對資料瀏覽學習、討論等參與情況進行線上評價，線下開展的實驗，根據學生參與度和實際操作能力給予評價，兩種評價方式相結合，能更全面地考核和評價學生對環境工程原理實驗課程內容的掌握情況及實踐能力。

四、“虛實結合”實驗教學實踐

基于實驗室現有實驗裝置和虛擬仿真平臺進行“虛實結合”實驗教學，我校在環境工程原理實驗課程教學中取得較好的教學效果，可以進一步提升學生理論聯系實際的知識運用能力，增強解決實際環境污染物控制工藝技術問題的綜合能力。

（一）傳熱綜合實驗

環境中部分廢水和廢氣治理需要熱交換進行加熱或冷卻，如廢水或污泥厭氧處理和污泥干燥、廢氣進吸附床前干燥等。本實驗采用“虛實結合”方式進行，其中普通管和強化管實驗在實驗室現有裝置進行，而列管式換熱通過虛擬仿真軟件進行，調整空氣和水流量，記錄數據處理再計算傳熱系數。虛擬仿真實驗增加了實體實驗教學內容（無列管換熱器），有助于學生對不同類型換熱設備的原理和參數調控有更深入的理解。

（二）光催化降解污水實驗

污水處理多以生物法為主，組分復雜的工業廢水依據其水質特點和排放要求，需要選擇不同的方法。印染廢水組分復雜，難處理，多數染料分子微生物降解能力弱，選擇高級氧化技術是一個很好的選擇。光催化降解污水實驗，在光催化實驗裝置上處理染料廢水，學生需要調控光類型（紫外/可見）、TiO2加入量和pH等反應條件，通過可見分光光度計和總有機碳分析儀分別測定污水的吸光度和總有機碳，根據記錄的數據分析光催化對染料廢水的脫色率和有機物礦化度。污水顏色變淺是由于污水中發色基團中化學鍵斷裂，發色基團濃度降低，總有機碳減小是由于光催化產生自由基攻擊發色基團后礦化為無機物。實際參與實驗后，多數學生通過該實驗對光催化降解污水機理和操作有了一定了解，增強了他們對污水處理的好奇心，激發了他們的學習興趣。

（三）填料塔吸收虛擬仿真實驗

吸收是環境中廢氣治理的一種常見方法，具有成本低、適應范圍廣等特點，如NH3、SO2和VOCs等治理。本實驗項目在虛擬仿真云平臺進行，吸收質（NH3或SO2）屬于?；?，在虛擬仿真軟件進行操作，實驗中可以選不同吸收質進行實驗，無需購買?；?，安全、環保。該過程操作涉及泵、風機和閥門等部件，實驗中需要調整氣液比、填料塔高度和進氣濃度，記錄實驗數據后處理得到總傳質系數。由于NH3和SO2分屬于兩種類型傳質控制，依托實驗結果，有助于提高學生的分析和歸納能力。

（四）污泥消化虛擬仿真實驗

污水處理廠剩余污泥含有大量有機質，將其進行消化處理，產生甲烷可回收利用，消化后的污泥進一步處理，污泥處理量大大減少，一方面可實現能源回收，另一方面可實現降碳。污泥消化實驗是通過虛擬仿真軟件進行的，該過程操作涉及污泥泵、加熱裝置、甲烷收集和預警、污泥脫水裝置等，實驗中需要調整污泥濃度、溫度和消化時間等參數，記錄實驗數據后處理得到甲烷產率、上清液中COD、TP和NH3-N及污泥脫水性能等數據。結合實驗數據和文獻，與學生就污泥消化后上清液如何處理及污泥脫水性能改變的原因等問題進行研討，有助于激發學生的學習興趣，提升教學效果。

五、結束語

從新工科背景下促進多學科知識交叉融合的教學理念出發，“虛實結合”環境工程原理實驗教學體系的構建拓展了環境工程原理學實驗教學的內容，構建“線上”+“線下”的學習方式，打破時間和空間的限制，減少實驗準備工作量，降低?；肥褂蔑L險和操作的安全隱患，“線上”實驗項目可進行多次復習和反復實驗，有效提升了學生的學習效率和對知識的掌握程度。學生通過虛擬仿真軟件，有利于設計性和綜合性實驗項目安全開展，“虛實結合”的實驗教學方式值得深入探索和推廣應用。

參考文獻：

［1］王文君，肖建輝，黎冬明，等.新工科和工程認證背景下工科專業建設探索［J］.教育教學論壇，2023（2）：7-10.

［2］周一卉，閆興清，任婧杰，等.化工安全工程專業實驗室建設與實踐［J］.實驗技術與管理，2018（9）：249-252.

［3］郭婉茜，郭亮，林楠，等.新工科背景下虛擬仿真實驗教學評價研究：以環境科學與工程專業為例［J］.中國現代教育裝備2022（13）：1-4.

［4］田文，吉俊懿，劉長軍，等.新工科時代化工原理實驗線上線下混合式教學［J］.實驗科學與技術2023，21（2）：88-91.

［5］呂慧，趙姍姍，孫連鵬，等.環境工程“新工科智慧教學”模式設計與探索［J］.高教學刊，2021，7（33）：6-10.

［6］張周，房月芹，張一波，等.虛實結合的水處理實驗教學探索與實踐［J］.實驗室研究，2023，26（2）：96-99.

［7］何磊，陳欣，唐建軍，等.虛實結合的生態學實驗教學體系構建［J］.實驗室研究與探索，2021，40（6）：187-190，196.

◎編輯 馬燕萍