“双一流”背景下环境类虚拟仿真实验建设现状与共享分析

摘

要：iLAB-X和智慧教育平台作为教育部主推的实验共享平台，其优质资源公益性地对全世界开放。文章基于平台46个环境类项目，对分类特点、建设特征和应用现状进行分析，为高校共享使用两大共享平台实验项目提供参考，并为其设计开发具有特色的环境类虚拟仿真实验项目提供指导。提出通过“共享与特色”的组合拳强化环境类虚拟仿真教学应用常态化，以期推动“双一流”课程建设和环境类实验教学高质量发展。关键词：环境类；虚拟仿真实验；iLAB-X实验空间；智慧高教平台；共享“建设一流本科课程”、实现高质量的人才培养是我国“十四五”高等教育发展的重点任务[1]。虚拟仿真实验作为一流本科课程建设五大类型之一，是完善现有实验教学体系、更好地服务创新型人才培养的重要手段[2-3]。2017年，教育部启动国家虚拟仿真实验教学项目建设工作，截至2022年10月，已有42个专业大类、746门虚拟仿真实验教学一流课程被认定为国家级课程，仍有19个专业大类、549门课程正在认证中[4]。各高校积极开展建设工作，但对其他高校的建设现状、建设内容高阶性设计、支撑产出、课程受益面等问题思考不足，出现了“重建设轻应用、重复建设而融合共享不够”的现象。为了解决上述问题，提高现有虚拟仿真“金课”的应用与受益面，教育部推进建设了国家虚拟仿真实验教学项目共享平台——iLAB-X实验空间（），并于2022年6月在国家高等教育智慧教育平台推出了虚拟仿真实验板块，旨在将优质的虚拟实验教学资源公益性地进行推广和使用，扩大课程受益面，促进教育公平，推进虚拟仿真实验欠发达地区高校高质量发展[5-6]。环境类实验具有成本高、占地大、不可逆过程和大型综合训练等特点与需求，高校实验教学往往存在实验条件不具备或运行困难等难题，虚拟仿真实验可很好地解决上述问题，对环境类人才培养极为重要[7-8]。基于国家虚拟仿真实验教学课程共享平台和智慧教育平台中46个环境类虚拟仿真实验教学项目，本研究对现有实验项目分类特点、建设特征和应用现状进行了系统分析，为环境类高校使用共享平台实验项目提供指导，也为其设计自己特色的虚拟仿真实验项目提供建设性参考，对推动环境类虚拟仿真教学应用常态化具有实际意义。一、环境类实验项目的分类特点双一流课程建设和工程教育认证标准均强调环境工程专业实验教学体系的重要性，提高实验教学水平对“双一流”课程建设具有重要意义。环境类实验教学体系包括基础验证型实验、综合设计型实验、综合实训三大类[9-10]，虚拟仿真实验建设可贯穿整个实验教学体系，如图1所示。（一）基础验证型实验基础验证型实验旨在培养学生实验操作和数据处理等能力，通常以传统实验方式为主。但是部分仪器分析类实验由于仪器成本高、操作要求高、环境工程原理实验器材庞大，部分高校无法将其应用于本科生教学中，例如质谱仪、X射线衍射分析仪、透射电子显微镜等大型仪器、烟气CO2捕集纯化等，三维虚拟仿真实验更加直观地帮助学生了解环境样品分析过程中仪器的原理、结構，或实验反应的整个过程[11-12]。目前，市场上部分公司针对环境类基础性实验也开发出相关成品实验项目，例如水中COD、BOD5、挥发酚、悬浮物、总磷、溶解氧的测定等，但是对于基础性实验，高校一般具备线下实验所需要的实验条件。基础性实验主要关注培养学生的动手能力，建议条件允许情况下优先选择传统实验模式。（二）综合设计型实验综合设计型实验涉及多门基础课程原理、方法和技术，包含学科或行业科学技术前沿问题，旨在通过综合性或设计性实验，引导学生融会贯通地解决复杂的实际工程问题，探索环境科学前沿问题。该类型具有设计和特色两大特点，也是各高校建设虚拟仿真项目时关注的热点。目前已具有成熟的综合设计型虚拟仿真实验，例如同济大学建设的挥发性有机物（VOCs）净化及资源化工艺虚拟仿真综合实验，在基本实验操作上增加工程设计和工艺搭建环节，从虚仿实验角度强化实验教学“两性一度”的探索。高校在建设虚拟仿真项目时，应“特色”先行，避免与共享平台中现有的综合设计型实验项目重复，依据本高校教学特色进行选题和设计。（三）综合实训环境综合实训包括环境工程认识实习和生产实习等课程，需要到企业进行综合实训，是最适合虚实结合的教学方式的课程之一，特别是针对高危环境、大型企业或不可逆实验过程[13-14]，教学过程中可优先进行虚拟仿真实验教学，学生对现场具有一定的认识后进行现场实践还原，这种方式极大提高了教学效果[15]，起到事半功倍的效果。例如垃圾焚烧发电资源化利用技术虚拟仿真实验，虚拟仿真利用VR和3D技术高度逼真地还原了现场垃圾焚烧、发电、废气治理等过程，强化了学生对理论知识的理解，增强了学生实训效果；此外，污染场地修复3D虚拟仿真项目本身是无法在教学过程中还原实现，但虚拟仿真可帮助学生体会不可逆操作污染和修复全过程，学生身临其境地学习设备结构和工作原理，也有利于提高学生的实践兴趣和实践教学效果。二、共享平台环境类实验项目建设特征iLAB-X实验空间和智慧教育平台作为教育部主推的实验共享平台，其优质资源公益性地对全世界开放。iLAB-X中涉及的46个环境类实验项目主要来自2018年以来各高校申报国家级虚拟仿真实验。而国家高等教育智慧教育平台目前包括iLAB-X优选出的4个国家一流课程。环境类实验项目按照学科可分为环境科学、环境工程、环境生态保护和大气科学四大类。其中，自然保护与环境生态类有13个实验项目，4个被认定为国家级项目；大气科学类有3个和生态与环境类相关实验项目；环境科学类有4个实验项目，2个被认定为国家级；环境工程类有26个实验项目，9个被认定为国家级。此外，实验项目也可按照实验项目性质和特点或专业方向分类，不同分类统计结果如表1所示。由表1可知，环境类虚拟仿真实验项目中以环境工程和环境生态学科为主，环境工程类虚拟仿真实验的占比最大，占总体的56.5%，主要解决了环境工程实训中设备庞大、周期长、不可逆过程、操作困难、展示度低、实际动手能力培养不足等问题。从项目性质和特点方面看，项目主要围绕综合实训进行选题，占比约63%；从专业方向看，项目主要围绕水污染控制、大气污染控制和固体废物资源化三大方面进行建设，申报项目和认定国家级项目均占总项目数的80%。统计共享平台中46个环境类虚拟仿真实验教学项目建设数据，分析项目高校、高校区域性、项目团队等因素，发现具有以下特征。一是项目建设的院校层次广泛。高校包括第四轮环境科学与工程学科评估结果前70%的院校22所和非学科评估结果前70%的院校19所。其中“双一流”建设院校有14所；同济大学和中山大学分别建设2个和3个项目，其他院校均建设1个项目，其中同济大学建设的挥发性有机物（VOCs）净化及资源化工艺虚拟仿真综合实验和农田土壤重金属污染生态修复虚拟仿真综合实验两项均认定为国家级项目。二是项目建设院校区域性明显。建设项目主要集中在华东（12个）、华南（10个）、华中（7个）、西南（6个）。东北（3个）、华北（4个）、西北（4个）相对较少。国家级认定项目中东北（2个）、华北（3个）、华东（6个）、华南（2个）、华中（2个），说明东北、华北、华东的项目建设质量比较高，尽管西南地区申报了6个项目，但均未获得国家认定。三是项目团队水平较高。国家级项目负责人均具备副高以上职称，教学经验丰富、理论扎实。项目团队中均有开发公司参与，主要包括欧倍尔、东方仿真、英福、先极、拓博、象心力等，其中欧倍尔、东方仿真各有3个项目被认定为国家级。三、共享平台环境类实验项目应用现状（一）iLAB-X实验空间的推广和共享均不够理想环境类虚拟仿真实验项目在iLAB-X实验空间共享率有限。调查问卷结果显示，iLAB-X实验空间的共享推广力度非常有限，仅有43%的高校了解iLAB-X实验空间，57%的高校不了解或未听说，这也说明了推广的必要性。基于平台数据，可以发现，实验项目浏览量较高，环境科学与环境工程类的11个国家级实验项目的浏览次数从3289次到26619次不等；然而做实验人数相对较低，以污水处理工艺虚拟仿真实验为例，其浏览次数为26619，而做实验人数为1357人，仅占浏览次数的5.1%，且在1357人中实验优秀有803人，达标有120人，不达标有434人；典型烟气处理工艺3D虚拟现实仿真实验浏览次数为15457，而做实验人数为981人，仅占浏览次数的6.35%，且在981人中实验优秀有1人，达标0人，不达标有980人。上述数据表明，iLAB-X实验空间的推广和共享均不够理想，运用iLAB-X实验空间做实验的学生，也有很大一部分没有按照项目设置全程完成实验内容。总体上来说，目前iLAB-X实验空间的推广和共享成果均不够理想，教育部未来应加大宣传，提升优质资源共享的效果。（二）用户友好性共享虚拟仿真实验项目为确保虚拟仿真实验教学课程质量和運行稳定，教育部高教司组织高校和“实验空间”共同分批次推荐有质量的虚仿课程，要求课程有效链接网址应直接指向该实验，且保持链接始终畅通，这解决了实验空间中部分实验链接不畅通的弊病，将来该平台必定作为精品课程共享的主阵地。经验证与分析，目前环境类用户友好性较好的共享课程如下：膜生物反应器水处理工艺及动态分析虚拟仿真实验（天津工业大学，国家级一流课程）、挥发性有机物（VOCs）净化及资源化工艺虚拟仿真综合实验（同济大学，国家级一流课程）、农田土壤重金属污染生态修复虚拟仿真综合实验（同济大学，国家级一流课程）、湖泊生态系统修复虚拟仿真实验（湖北大学，省级一流课程）、污染事件中大气环境监测预警虚拟仿真实验（南京信息工程大学，省级一流课程）和不同通风条件下长途巴士环境中热舒适及飞沫扩散的虚拟仿真实验（中山大学）。此外，针对水污染控制工程、环境认识实习、生产实习、水污染课程设计课程，可选择西安建筑科技大学建设的污水生物处理过程虚拟仿真实验、桂林理工大学建设的城市生活污水净化AAO工艺调试虚拟仿真实验，项目使用非常友好，学生上手快，教学效果好。相信未来在教育部强力推广下，国家高等教育智慧教育平台将成为未来共享主战场，优质资源共享会为实验教学高质量发展提供强大助力。四、结论与建议环境类虚拟仿真实验融入教学是保证高质量人才培养发展的必要手段，虚拟仿真实验教学开放平台共享和应用是虚拟仿真实验“从建设转到应用”的有效手段，高质量的实验项目共享使用和共享平台推广是未来必然