模拟仿真技术在环境工程实习教学过程中的应用

王旭 赵雅伦 胡将军 毛旭辉 李登峰

摘  要：如今环境工程专业对实践型人才需求增大，传统的实习实践模式已难以满足实际教学需求，需要探索新的实践教学模式。信息化技术的快速发展为模拟仿真技术在高校教学中的应用创造条件。该文通过调研当前模拟仿真实习在高校实施情况，列举传统实习教学存在的弊端，从多方面分析模拟仿真实习实践教学的优缺点，为环境工程专业的实践课程改革提供理论依据，并为虚拟技术和高校教育的结合、培养高素质专业人才提供借鉴和参考。

关键词：环境工程；实习实践教学；模拟仿真；高校教育；信息化

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）25-0065-04

Abstract： Nowadays， the demand for practical talents in environmental engineering majors has increased. However， the traditional practice model of internship hasn't been met the needsofactual teaching well， it's urgent to explore new modes of practice teaching. The rapid development of information technology has created conditions for the application of simulation technology in university teaching. This paper provides theoretical basis for the reform of practical courses of environmental engineering majors by investigating the current implementation of simulation internship in colleges and universities， listing the drawbacks of traditional internship teaching， and analyzing the advantages and disadvantages of simulation internship practical teaching from various aspects. It provides reference for the combination of virtual technology and university education and cultivation of high-quality professional talents.

Keywords： environmental engineering; internship and practice teaching; analog simulations; higher education; informatization

新时代我国经济的快速发展，随之而来的是全国范围内环境污染问题越发凸显。习近平总书记在党的二十大提出，坚持绿水青山就是金山银山的理念……全方位、全地域、全过程加强生态环境保护，生态文明制度体系更加健全，污染防治攻坚向纵深推进，绿色、循环、低碳发展迈出坚实步伐，生态环境保护发生历史性、转折性、全局性变化，我们的祖国天更蓝、山更绿、水更清。治理环境污染已然成为环境工程专业人士的使命。《教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》作出“高度重视实践环节，提高学生实践能力”的指示[1]。教育部出台的多部文件及各学科教学标准，全方位强调了工科专业中实践教育重要意义。同时，政府积极在工科专业开展工程认证工作，实践性课程所占的比例逐渐加大，对于环境工程这门实践性很强的学科，这样做的重要性不言而喻。

近年来，我国积极推动环境污染治理建设，环境工程专业人才需求大大提升，虽然为学生提供了广阔的就业市场和大量就业机会，但对环境工程专业毕业生实践能力的要求同样升高[2]。目前，线上教学和远程教育的出现与普及大大改变了高校内各学科的教学形式，教育教学与信息技术的结合已成为不可逆的发展趋势。在教育新模式的探索过程中发现：多数高校实习实践教学过程中存在多方面问题[3-4]，导致实习教学效果不佳，不利于学生综合实践能力的培养，传统的实践教学模式亟需创新性改革。為了在以立德树人为根本任务的同时更好地适应新时代对人才培养新要求和信息化高校教育新规律，越来越多的高校将模拟仿真手段融入实习实践教学环节。作为一种新兴的实习教学模式，其弥补了传统实验教学中的不足，同时也能够提升学生在实验课程中的实际操作能力，使得学生能够更好地理解所学的理论知识，并且能够通过仿真实验的方式将所学的知识运用到实际生产技术当中，真正做到学以致用。

一  传统实习实践

（一）  传统实习实践的必要性

传统的现场实习实践是目前最普及的实习实践模式，绝大多数高校都开设专业相关的实习实践课程。环境工程实习实践课程包含学生实地考察、企业技术人员现场介绍甚至学生参与生产等多种方式，结合学生自身所学环境污染控制工程理论知识，提升专业技能，培养身为环境工作者的责任感和使命感。强化实习实践教学，能帮助学生理解与巩固理论知识，是锻炼学生创新创业能力的有效途径，对学生未来的职业规划与发展具有深远影响，更是高等教育、人才培养中的重要教育环节。

（二）  传统实习实践的弊端

传统现场实习实践教学的主要优势在于，可以帮助学生直观地观察学习各厂区企业的整体布局与工艺流程，有利于学生了解理论和实际生产之间的差异。然而，随着实习实践教学的不断开展，其存在的一些问题也逐渐显现出来。

第一，实习基地联系困难、类型少的问题突出。以常见的污水处理厂实习为例，现在多数污水处理厂已转为私人企业承包，部分企业将学生进厂实习视作负担，认为实践教学活动无法为企业带来太多实质性效益，有时也存在实习时间与企业生产时间冲突的问题，对厂区生产造成影响，因此对学生现场实习的接受程度并不高。同时，为了让学生对于水污染控制处理工艺有较全面的了解，教材中介绍了许多新型的或应用较少的处理工艺。但目前为止，我国污水处理厂的主流处理工艺仍是单一的A/A/O、氧化沟及在其基础上优化改良的工艺技术，其他类型的处理工艺如SBR法、生物滤池、UASB等应用较少，这也给实习地点的选取带来了难题，使实习实践教学无法让学生系统全面认识不同类型的处理工艺。

第二，传统实习实践的考核方式相对简单，难以对学生实习的实习情况进行有效评价。目前高校实习实践中的教学效果评估评价内容较单一，一般的考核方式主要包括考察出勤率、检查实习报告等，缺少更加系统全面的考核体系。在实际的参观实习后的考核过程中，污水厂运行故障的情况常常被忽略，在现实生产过程中操作、运行调试等问题涉及较少，导致实习时学生对这些内容的重视程度不高，对于工艺运行的不稳定情况理解不到位的问题突出，不符合实习教学的初衷。在后续的实习成果验收环节，学生的实习心得大多需要以书面材料的形式呈现，通过现场实习实践而形成的实习报告大多形式化、内容单调、缺乏个人观点，难以综合反映实习实践教学效果。

第三，实习过程中学生缺少动手操作机会，实习效果差。在传统实习过程中，由于实习场地和仪器数量的限制，学生往往很少有机会上手操作，难以有操作体验。在实习教学过程中，一些样品的测定往往需要学生根据纸质操作手册进行，这对学生操作熟练度也有较高的要求。与此同时，随着信息化、智能化在企业运营过程中逐步普及，运行操作所需人力逐渐减少，也提高了对操作人员能力的要求。由于大多数处理设施的运行通过后台控制，实习时学生仅仅只能通过相关人员的讲解对处理过程进行了解，这种“走马观花”的参观式实习显然难以满足实习教学需要[5-6]。

总的来说，传统的实习实践方式虽然能够加强学生的理论与实践联系，提升专业素养，但在现实中也存在一些问题。面对当前严峻的环境污染形势，仅仅依靠传统实习实践已经不能满足对环境工程专业学生实践能力的要求，需要探索新的实践教学模式，以更好地培养具有创新创业能力、使命感与责任感的环境工程专业人才[7]。

二  模拟仿真实习

（一）  模拟仿真实习实践的特点

近年来，模拟仿真实验教学项目逐步在高等教育实验教学中推广[8-9]。这种教学模式是信息化与实验教学有效结合的产物，更是教育部高校建设的重点项目。模拟仿真教学在教学过程中提供计算机模拟的中控界面、VS/VR/AR等3D仿真生产现场界面和分析界面，学生可通过外设进行模拟操作。模拟教学主要强调对复杂工程问题的处理能力以及过程中的规范操作，鼓励学生自主进行学习、研讨并纠正错误操作，显著提高了学生对生产中工艺特点、设备特性的认知[10]。

（二）  模拟仿真实习的优势

相较于传统现场实习教学，模拟仿真实验教学提供了不同的实习形式，可以更大限度满足环境工程专业学生的实习要求，其优点主要包括以下几方面。

1）以虚拟反映现实。为学生提供模拟操作的平台。通过仿真技术，可以快速搭建出多种实习场景，覆盖更多类型的实习内容，如厂区烟气处理的模拟、环保监测数据的分析等。模拟教学还原了各厂区全自动运行的过程，可以在计算机上反复进行模拟运行操作，甚至可以模拟运行过程中出现的反常现象，锻炼学生应对这些问题的能力。另外，学生还可在模拟操作过程中，控制虚拟场景中的一些阀门、泵这类小部件，对运行参数进行调控、对原有工艺进行修改（图1），来探究不同运行条件对处理效果的影响，帮助学生探索处理工艺运行的最佳参数，很好解决了一些实习实践项目做不了、做不好的问题。

2）以技术展示细节。模拟教学更加细致地呈现实际工作场景，有利于学生对设施全面了解。大部分传统实习实践存在时间限制、环境危险等问题，现场实习中，学生很难了解一些处理单元，如沉砂池、生物反应池、除尘器或者一些地下构筑物中的内部构造及实际运行情况，企业出于安全考虑，危险的处理场所大多不便于学生进行实地实习。模拟实习实践教学则避免了这些问题的出现，通过一些技术设备的辅助，将工艺流程中各个构筑物进行拆分演示，无法直观看到的设备内部结构会通过模拟实景，完整地、清晰地、多角度地呈现给学生，有效提高了学生对设施的认知程度（图2）。

3）以创新激发兴趣。模拟仿真教学增加了实习趣味性，在调动学习积极性的同时提高了学生的动手能力，增强学生掌握实习实践操作能力。学生可以利用计算机技术构建虛拟场景，通过一系列操作近距离观察各处理工艺设备内部与外部，满足了学生对于生产设施的好奇心。模拟实习实践开创性地允许学生选择自己感兴趣或掌握薄弱的地方针对性模拟练习，尝试多种技术路线，学生也能借助模拟平台自行设计运行方案并加以改进，分析模拟实验数据，深入理解理论知识，使实习具有探索性意义。对于学生而言，模拟教学同样有预习的效果，有利于后续线下教学的开展，做到所见即所得，提高学习效率。

4）模拟仿真所用软件功能齐全、可用性强。软件通过建模的方式提供模拟实验室环境、还原操作步骤，允许使用者在模拟场景中自行组合需要的仪器设备及药品，为高成本、高耗材、不可逆的实习实验教学的开展创造了条件。在模拟仿真实习实践教学中，仿真软件包含线上课程讲解、仿真理论考试、题库练习等模块，同时具有如工况设定、报警、评价等功能，极大满足了教学的工作需要，将教学工作与互联网技术完美结合。学生通过安装模拟教学平台，在个人电脑上根据教程自行探索、联合操作。在考核评价方面，软件可评估学生的操作水平，依此给出成绩评定，成绩可作为学生能否进入实验室实操的评判依据，考核的难易程度也可根据需要进行灵活调整，为考核的进行和实习的开展提供极大便利[10]。

以仿真为主、模拟为辅的教学新模式的普及与快速发展丰富了高等教育实习实践教学内容，有助于学生掌握更加先进的技术，培养了学生的创新思维。当然，仿真教学也存在缺点，计算机模拟无法完全还原实验和生产现场，一些现场情景无法直观体验，会造成事倍功半的结果。在现实生产中，一些反常状况的出现常常伴随有气味、物料颜色等的改变或是噪声的产生，很显然这是仅依靠计算机技术所不能复现的。与此同时，由于模拟实习教学中学生主要通过键盘鼠标、手柄、穿戴式装置等设备进行所需操作，与实际动手操作存在很大出入，难以培养学生的现场操作能力。作为一种新兴的教学模式，模拟仿真教学存在着体系不成熟、缺乏明确教学规划的问题，这是未来需要关注的方向。

三  结束语

实习实践教学是环境工程教学中的重要内容，在当前新工科建设和“工程教育专业认证”等教育改革发展的背景下，信息化、智能化在高等教育教学中发挥日益重要的作用，模拟仿真技术迎合了实习实践教育的发展需要。模拟仿真实习实践平台在国内各大高校相继建立，相关的教学软件也应运而生。针对传统实习实践存在的问题，基于互联网技术的模拟仿真实践教学不失为一个合适的解决方法。通过建立模拟仿真环境，学生在电脑上进行各种实验和操作，达到实地实习类似的效果。同时，模拟仿真实践教学还具有时间、空间灵活及安全可控等特点，可以有效解决实习基地联系难、类型少、考核方式简单等问题。

模拟仿真实习是一种极具发展潜力的实践教学模式，弥补了传统实习实践教学存在的缺陷，拓宽了实习教学内容的深度与广度（图3）。随着模拟仿真技术的不断发展和普及，模拟仿真实习在高等教育教学过程中也必将更加成熟完善。在全面信息化的时代洪流中，教育部门要结合实际情况，统筹规划、建设发展模拟仿真实习实践教学项目，给予相应政策倾斜并加强完善监管机制。高校应当加强实习实践教育信息化建设、加快数字化实习平台的建立。当然，要明确的一点是实验结果是科研结果的再现，传统实习实践教学的开展仍是必不可少的，最好的方法是将两种实习方式有效结合、优势互补。教学过程中，重视核心要素的仿真度，以模拟仿真实习作为现场实习的前置环节，让学生提前模拟训练，保证学生在现场实习中有的放矢、将模拟仿真与现实有机结合，坚持“能而不虚”的教学理念，建成以信息技术为依托、个性化与智能化综合展现、布局专业效果优良的高等教育教学体系。另一方面，通过校企之间实习对接，开展并不断优化探索学习与生产有效结合的实践教学，将理论与实践紧密连接，以实践提升学生能力，为学生的未来职业规划与发展奠定坚实基础[11-13]。

参考文献：

[1] 教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见[J].中华人民共和国教育部公报，2007（5）：37-40.

[2] 苏小丽，段金华，陈云霞，等.环境工程专业实习教学的改革与实践探索——以景德镇陶瓷大学的环境工程专业为例[J].广东化工，2020，47（22）：204-205.

[3] 刘德宝，李春亮.科研成果向创新性实验转化的研究与实践[J].实验室科学，2021，24（1）：237-240.

[4] 黄凯.科研反哺教学促进学生创新能力培养的研究与实践[J].学周刊，2018（21）：10-11.

[5] 赵艳红，吴捷，宋春来，等.浅析仿真技术在化工专业生产实习中的应用[J].广州化工，2015，43（12）：220-221，224.

[6] 曹俊雅，张军.浅谈基于现代化工仿真软件的化工生产实习教学改革策略[J].教育现代化，2016，3（7）：41-43.

[7] 李冰，李玉瑛.污水厂传统实习与仿真实习的比较研究[J].广东化工，2021，48（6）：96，102.

[8] 张静，刘振来，靳晓英，等.地方高校工科生产实习的教学改革与实践[J].河西学院学报，2017，33（5）：111-114.

[9] 许丽川，申世军，刘洋.MOOC在高校实践类课程教学设计中的应用[J].实验室研究与探索，2016，35（8）：207-211.

[10] 田文德，王霞，孙素莉，等.基于虚拟仿真的化工专业实习模式改革与实践[J].山东化工，2021，50（13）：188-189.

[11] 姜雪.校内半实物仿真工厂和3D虚拟现实生产实习仿真在化工认知实训中的探索与实践[J].广东化工，2018，45（17）：227-228.

[12] 姜小丽，阎伟红，姜旭霞.仿真工厂——校内实训基地建设模式与管理机制的创新[J].读与写（教育教学刊），2015，12（5）：43，50.

[13] 孫章，谢全安，孙晓然.炼焦虚拟仿真工厂建设与教学模式探索[J].广州化工，2020，48（22）：181-182，185.