孫也 王海寧 孟淑娟

摘? ? 要：iLAB-X和智慧教育平臺作為教育部主推的實(shí)驗(yàn)共享平臺，其優(yōu)質(zhì)資源公益性地對全世界開放。文章基于平臺46個環(huán)境類項(xiàng)目，對分類特點(diǎn)、建設(shè)特征和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，為高校共享使用兩大共享平臺實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供參考，并為其設(shè)計(jì)開發(fā)具有特色的環(huán)境類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供指導(dǎo)。提出通過“共享與特色”的組合拳強(qiáng)化環(huán)境類虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用常態(tài)化，以期推動“雙一流”課程建設(shè)和環(huán)境類實(shí)驗(yàn)教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞：環(huán)境類；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；iLAB-X實(shí)驗(yàn)空間；智慧高教平臺；共享

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2024）02-0075-03

“建設(shè)一流本科課程”、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的人才培養(yǎng)是我國“十四五”高等教育發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù)[1]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為一流本科課程建設(shè)五大類型之一，是完善現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、更好地服務(wù)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要手段[2-3]。2017年，教育部啟動國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作，截至2022年10月，已有42個專業(yè)大類、746門虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程被認(rèn)定為國家級課程，仍有19個專業(yè)大類、549門課程正在認(rèn)證中[4]。各高校積極開展建設(shè)工作，但對其他高校的建設(shè)現(xiàn)狀、建設(shè)內(nèi)容高階性設(shè)計(jì)、支撐產(chǎn)出、課程受益面等問題思考不足，出現(xiàn)了“重建設(shè)輕應(yīng)用、重復(fù)建設(shè)而融合共享不夠”的現(xiàn)象。為了解決上述問題，提高現(xiàn)有虛擬仿真“金課”的應(yīng)用與受益面，教育部推進(jìn)建設(shè)了國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺——iLAB-X實(shí)驗(yàn)空間（www.ilab-x.com），并于2022年6月在國家高等教育智慧教育平臺推出了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)板塊，旨在將優(yōu)質(zhì)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源公益性地進(jìn)行推廣和使用，擴(kuò)大課程受益面，促進(jìn)教育公平，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)欠發(fā)達(dá)地區(qū)高校高質(zhì)量發(fā)展[5-6]。

環(huán)境類實(shí)驗(yàn)具有成本高、占地大、不可逆過程和大型綜合訓(xùn)練等特點(diǎn)與需求，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往存在實(shí)驗(yàn)條件不具備或運(yùn)行困難等難題，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可很好地解決上述問題，對環(huán)境類人才培養(yǎng)極為重要[7-8]?；趪姨摂M仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺和智慧教育平臺中46個環(huán)境類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，本研究對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分類特點(diǎn)、建設(shè)特征和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為環(huán)境類高校使用共享平臺實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供指導(dǎo)，也為其設(shè)計(jì)自己特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供建設(shè)性參考，對推動環(huán)境類虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用常態(tài)化具有實(shí)際意義。

一、環(huán)境類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的分類特點(diǎn)

雙一流課程建設(shè)和工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)均強(qiáng)調(diào)環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的重要性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平對“雙一流”課程建設(shè)具有重要意義。環(huán)境類實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包括基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)訓(xùn)三大類[9-10]，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)可貫穿整個實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖1所示。

（一）基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理等能力，通常以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式為主。但是部分儀器分析類實(shí)驗(yàn)由于儀器成本高、操作要求高、環(huán)境工程原理實(shí)驗(yàn)器材龐大，部分高校無法將其應(yīng)用于本科生教學(xué)中，例如質(zhì)譜儀、X射線衍射分析儀、透射電子顯微鏡等大型儀器、煙氣CO2捕集純化等，三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更加直觀地幫助學(xué)生了解環(huán)境樣品分析過程中儀器的原理、結(jié)構(gòu)，或?qū)嶒?yàn)反應(yīng)的整個過程[11-12]。目前，市場上部分公司針對環(huán)境類基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)也開發(fā)出相關(guān)成品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，例如水中COD、BOD5、揮發(fā)酚、懸浮物、總磷、溶解氧的測定等，但是對于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，高校一般具備線下實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)條件?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，建議條件允許情況下優(yōu)先選擇傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

（二）綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)涉及多門基礎(chǔ)課程原理、方法和技術(shù)，包含學(xué)科或行業(yè)科學(xué)技術(shù)前沿問題，旨在通過綜合性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生融會貫通地解決復(fù)雜的實(shí)際工程問題，探索環(huán)境科學(xué)前沿問題。該類型具有設(shè)計(jì)和特色兩大特點(diǎn)，也是各高校建設(shè)虛擬仿真項(xiàng)目時(shí)關(guān)注的熱點(diǎn)。目前已具有成熟的綜合設(shè)計(jì)型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，例如同濟(jì)大學(xué)建設(shè)的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)，在基本實(shí)驗(yàn)操作上增加工程設(shè)計(jì)和工藝搭建環(huán)節(jié)，從虛仿實(shí)驗(yàn)角度強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)“兩性一度”的探索。高校在建設(shè)虛擬仿真項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)“特色”先行，避免與共享平臺中現(xiàn)有的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重復(fù)，依據(jù)本高校教學(xué)特色進(jìn)行選題和設(shè)計(jì)。

（三）綜合實(shí)訓(xùn)

環(huán)境綜合實(shí)訓(xùn)包括環(huán)境工程認(rèn)識實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等課程，需要到企業(yè)進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)，是最適合虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式的課程之一，特別是針對高危環(huán)境、大型企業(yè)或不可逆實(shí)驗(yàn)過程[13-14]，教學(xué)過程中可優(yōu)先進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生對現(xiàn)場具有一定的認(rèn)識后進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐還原，這種方式極大提高了教學(xué)效果[15]，起到事半功倍的效果。例如垃圾焚燒發(fā)電資源化利用技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真利用VR和3D技術(shù)高度逼真地還原了現(xiàn)場垃圾焚燒、發(fā)電、廢氣治理等過程，強(qiáng)化了學(xué)生對理論知識的理解，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)訓(xùn)效果；此外，污染場地修復(fù)3D虛擬仿真項(xiàng)目本身是無法在教學(xué)過程中還原實(shí)現(xiàn)，但虛擬仿真可幫助學(xué)生體會不可逆操作污染和修復(fù)全過程，學(xué)生身臨其境地學(xué)習(xí)設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理，也有利于提高學(xué)生的實(shí)踐興趣和實(shí)踐教學(xué)效果。

二、共享平臺環(huán)境類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

建設(shè)特征

iLAB-X實(shí)驗(yàn)空間和智慧教育平臺作為教育部主推的實(shí)驗(yàn)共享平臺，其優(yōu)質(zhì)資源公益性地對全世界開放。iLAB-X中涉及的46個環(huán)境類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要來自2018年以來各高校申報(bào)國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。而國家高等教育智慧教育平臺目前包括iLAB-X優(yōu)選出的4個國家一流課程。環(huán)境類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按照學(xué)科可分為環(huán)境科學(xué)、環(huán)境工程、環(huán)境生態(tài)保護(hù)和大氣科學(xué)四大類。其中，自然保護(hù)與環(huán)境生態(tài)類有13個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，4個被認(rèn)定為國家級項(xiàng)目；大氣科學(xué)類有3個和生態(tài)與環(huán)境類相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；環(huán)境科學(xué)類有4個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，2個被認(rèn)定為國家級；環(huán)境工程類有26個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，9個被認(rèn)定為國家級。此外，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也可按照實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)和特點(diǎn)或?qū)I(yè)方向分類，不同分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，環(huán)境類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中以環(huán)境工程和環(huán)境生態(tài)學(xué)科為主，環(huán)境工程類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的占比最大，占總體的56.5%，主要解決了環(huán)境工程實(shí)訓(xùn)中設(shè)備龐大、周期長、不可逆過程、操作困難、展示度低、實(shí)際動手能力培養(yǎng)不足等問題。從項(xiàng)目性質(zhì)和特點(diǎn)方面看，項(xiàng)目主要圍繞綜合實(shí)訓(xùn)進(jìn)行選題，占比約63%；從專業(yè)方向看，項(xiàng)目主要圍繞水污染控制、大氣污染控制和固體廢物資源化三大方面進(jìn)行建設(shè)，申報(bào)項(xiàng)目和認(rèn)定國家級項(xiàng)目均占總項(xiàng)目數(shù)的80%。

統(tǒng)計(jì)共享平臺中46個環(huán)境類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)數(shù)據(jù)，分析項(xiàng)目高校、高校區(qū)域性、項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)等因素，發(fā)現(xiàn)具有以下特征。一是項(xiàng)目建設(shè)的院校層次廣泛。高校包括第四輪環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科評估結(jié)果前70%的院校22所和非學(xué)科評估結(jié)果前70%的院校19所。其中“雙一流”建設(shè)院校有14所；同濟(jì)大學(xué)和中山大學(xué)分別建設(shè)2個和3個項(xiàng)目，其他院校均建設(shè)1個項(xiàng)目，其中同濟(jì)大學(xué)建設(shè)的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)和農(nóng)田土壤重金屬污染生態(tài)修復(fù)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)兩項(xiàng)均認(rèn)定為國家級項(xiàng)目。二是項(xiàng)目建設(shè)院校區(qū)域性明顯。建設(shè)項(xiàng)目主要集中在華東（12個）、華南（10個）、華中（7個）、西南（6個）。東北（3個）、華北（4個）、西北（4個）相對較少。國家級認(rèn)定項(xiàng)目中東北（2個）、華北（3個）、華東（6個）、華南（2個）、華中（2個），說明東北、華北、華東的項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量比較高，盡管西南地區(qū)申報(bào)了6個項(xiàng)目，但均未獲得國家認(rèn)定。三是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)水平較高。國家級項(xiàng)目負(fù)責(zé)人均具備副高以上職稱，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、理論扎實(shí)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中均有開發(fā)公司參與，主要包括歐倍爾、東方仿真、英福、先極、拓博、象心力等，其中歐倍爾、東方仿真各有3個項(xiàng)目被認(rèn)定為國家級。

三、共享平臺環(huán)境類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）iLAB-X實(shí)驗(yàn)空間的推廣和共享均不夠理想

環(huán)境類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在iLAB-X實(shí)驗(yàn)空間共享率有限。調(diào)查問卷結(jié)果顯示，iLAB-X實(shí)驗(yàn)空間的共享推廣力度非常有限，僅有43%的高校了解iLAB-X實(shí)驗(yàn)空間，57%的高校不了解或未聽說，這也說明了推廣的必要性。

基于平臺數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目瀏覽量較高，環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程類的11個國家級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的瀏覽次數(shù)從3 289次到26 619次不等；然而做實(shí)驗(yàn)人數(shù)相對較低，以污水處理工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為例，其瀏覽次數(shù)為26 619，而做實(shí)驗(yàn)人數(shù)為1 357人，僅占瀏覽次數(shù)的5.1%，且在1 357人中實(shí)驗(yàn)優(yōu)秀有803人，達(dá)標(biāo)有120人，不達(dá)標(biāo)有434人；典型煙氣處理工藝3D虛擬現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)瀏覽次數(shù)為15 457，而做實(shí)驗(yàn)人數(shù)為981人，僅占瀏覽次數(shù)的6.35%，且在981人中實(shí)驗(yàn)優(yōu)秀有1人，達(dá)標(biāo)0人，不達(dá)標(biāo)有980人。上述數(shù)據(jù)表明，iLAB-X實(shí)驗(yàn)空間的推廣和共享均不夠理想，運(yùn)用iLAB-X實(shí)驗(yàn)空間做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，也有很大一部分沒有按照項(xiàng)目設(shè)置全程完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?？傮w上來說，目前iLAB-X實(shí)驗(yàn)空間的推廣和共享成果均不夠理想，教育部未來應(yīng)加大宣傳，提升優(yōu)質(zhì)資源共享的效果。

（二）用戶友好性共享虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

為確保虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程質(zhì)量和運(yùn)行穩(wěn)定，教育部高教司組織高校和“實(shí)驗(yàn)空間”共同分批次推薦有質(zhì)量的虛仿課程，要求課程有效鏈接網(wǎng)址應(yīng)直接指向該實(shí)驗(yàn)，且保持鏈接始終暢通，這解決了實(shí)驗(yàn)空間中部分實(shí)驗(yàn)鏈接不暢通的弊病，將來該平臺必定作為精品課程共享的主陣地。經(jīng)驗(yàn)證與分析，目前環(huán)境類用戶友好性較好的共享課程如下：膜生物反應(yīng)器水處理工藝及動態(tài)分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（天津工業(yè)大學(xué)，國家級一流課程）、揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)（同濟(jì)大學(xué)，國家級一流課程）、農(nóng)田土壤重金屬污染生態(tài)修復(fù)虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)（同濟(jì)大學(xué)，國家級一流課程）、湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（湖北大學(xué)，省級一流課程）、污染事件中大氣環(huán)境監(jiān)測預(yù)警虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（南京信息工程大學(xué)，省級一流課程）和不同通風(fēng)條件下長途巴士環(huán)境中熱舒適及飛沫擴(kuò)散的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（中山大學(xué)）。此外，針對水污染控制工程、環(huán)境認(rèn)識實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、水污染課程設(shè)計(jì)課程，可選擇西安建筑科技大學(xué)建設(shè)的污水生物處理過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、桂林理工大學(xué)建設(shè)的城市生活污水凈化AAO工藝調(diào)試虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目使用非常友好，學(xué)生上手快，教學(xué)效果好。相信未來在教育部強(qiáng)力推廣下，國家高等教育智慧教育平臺將成為未來共享主戰(zhàn)場，優(yōu)質(zhì)資源共享會為實(shí)驗(yàn)教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展提供強(qiáng)大助力。

四、結(jié)論與建議

環(huán)境類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融入教學(xué)是保證高質(zhì)量人才培養(yǎng)發(fā)展的必要手段，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)開放平臺共享和應(yīng)用是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)“從建設(shè)轉(zhuǎn)到應(yīng)用”的有效手段，高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共享使用和共享平臺推廣是未來必然趨勢。本文基于教育部推薦的兩大共享平臺數(shù)據(jù)，對46個環(huán)境類項(xiàng)目建設(shè)分類特點(diǎn)、建設(shè)特征和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，為環(huán)境類高校虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用常態(tài)化提供參考。高校一是可積極共享現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)虛擬仿真資源，二是建設(shè)具有自己特色的虛仿課程，三是購買成熟的商業(yè)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目補(bǔ)充提高虛仿課程教學(xué)水平。深入挖掘環(huán)境類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容聯(lián)系和知識要點(diǎn)，精選套餐式項(xiàng)目，將“多層次+階梯式”虛擬仿真項(xiàng)目融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，打出“共享+特色”的組合拳是強(qiáng)化環(huán)境類實(shí)驗(yàn)教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展的最優(yōu)路徑。

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