高职院校环境监测虚拟仿真软件在教学中的实践探索

［摘 要］ 虚拟仿真技术是指在计算机上实现对物理世界的仿真模拟，能够让使用者在任何地点、任何时间通过各种媒介进行体验。目前，虚拟仿真技术主要应用于教育教学中，如虚拟仿真教学软件。虚拟仿真教学软件是利用计算机、网络、多媒体、虚拟现实技术等手段，将教学中的物理实验与实践操作模拟再现出来，给使用者提供一个可以进行自主学习的平台。系统具有开放性，不受时间和空间限制，能够实现实验课、理论课和实践课的有机结合，为学生提供一个具有良好交互性和参与性的学习环境。虚拟仿真技术有利于培养学生解决问题的能力。

［关键词］ 高职院校；环境监测；虚拟仿真；教学软件

［基金项目］ 2023年度云南林业职业技术学院双高计划三级任务“‘环境监测实训教学改革’课堂革命典型案例”（LZSGJH-2022297）

［作者简介］ 熊唯唯（1990—），女，四川成都人，学士，云南林业职业技术学院林业学院环境监测虚拟仿真软件实验室管理员，主要从事环境监测虚拟仿真软件操作研究；李雪娟（1981—），女，云南宜良人，硕士，云南林业职业技术学院林业学院副教授（通信作者），主要从事污染生态研究；唐宗英（1979—），女，云南丽江人，硕士，云南林业职业技术学院林业学院副教授，主要从事林学研究。

［中图分类号］ G712 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）07-0117-04 ［收稿日期］ 2023-12-01

引言

云南林业职业技术学院生态环境工程学院的环境监测虚拟仿真实训中心创建时间虽然在2018年年底，但因多年以来的积累，加之当时环境类的校外实训基地资源非常丰富，虚拟仿真实训软件在教学实训中运用较少。第一个转折点是在2019年12月初，校内的师生实行全封闭管理政策，校外实训基地无法开展实训。授课教师和实验指导教师进一步深入探讨课程与虚拟仿真软件的结合，环境虚拟仿真软件实训中心使用频率越来越高。第二个转折点也是在2019年12月底，首次组织开展“1+X”水环境监测与治理职业技能等级证书考试。此证书由教育部委托北控水务（中国）投资有限公司开发、组织实施，全国统一考试，其中的实操部分，虚拟仿真操作所占比例较大。参赛带队教师和实验指导教师带领参赛学生精益求精地钻研虚拟仿真软件。

一、研究背景

我校从2018年建立环境虚拟仿真软件至今，已有将近5年的经验，总结了一些经验与大家分享，并探讨教学过程中的使用经验和意见。

二、高职院校学生学情

以云南林业职业技术学院为例，分析环境监测类专业的学生学情，一是普高生班级人数占比有所下降，二是单招生班级人数占比逐年增加，三是五年制转段生班级人数占比逐年增加。学校采用的是合班制，三类不同招生途径的学生都在同一个班，普高生、单招生、五年制转段生三种类型的学生学习习惯差异较大，学习基础参差不齐。教师在授课过程中要兼顾不同学情基础的学生来开展教学，具有更高的挑战性和全局性［1］。

三、环境监测虚拟仿真软件的教学实践

1.教学观念的转变。前期，以教师教授为主、学生自学为辅；后期，以学生自学为主、教师教授为辅。由于一些实践教学没有办法开展，因此学校实行封闭式的教学管理，学生不能外出实训。这对环境类的课程来说较为困难。虚拟仿真实习有效解决了这个问题，在教学方式上，教师通过仿真平台发布任务，学生登入自己的账号，接收任务，完成自主理论学习和实训操作。教师在后台导出学生成绩，分析问题，解决问题。鼓励学生自学，帮助学生在自主自律、独立思考、沟通交流等方面获得成长，并指引教师不断优化育人方式，探索智慧教育［2］。

2.学生对虚拟仿真软件的接受层次不一样。“90后”“00后”学生中接触电子虚拟游戏的人越来越多，现在的学生对虚拟仿真软件的上手能力越来越强。这是趋势，是优势，也是好事。随着科技的不断发展，虚拟仿真技术已经被广泛应用于各种领域，甚至是日常生活之中，人们在虚实交互中身临其境感受技术的魅力。当下的学生接触的虚拟仿真游戏越来越多，具备的虚拟仿真意识越来越强，计算机操作能力越来越熟练，虚拟仿真教学极大地展示出了他们这方面的特长，增强了学生的自信和成就感，让他们在学习上更身临其境，学习积极主动性更强［3］。

3.教师队伍越来越年轻化，对虚拟仿真软件的接受能力越来越强，在运用软件时与教学过程的结合也越来越紧密。在教学过程中，教师可以根据学生在虚拟仿真平台上的数据分析进行教学评估，了解学生对相关知识点的理解深度和技能方面的掌握程度。虚拟仿真平台包括教师端、学生端，具备理论实操教学、虚拟仿真教学、课程管理、考试管理、统计分析等功能，结合配套虚实结合模拟测试，将理论教学、虚拟仿真与实践技能充分融合，实现“理虚实”一体化混合教育模式。

4.虚拟现实技术具有丰富的图像、声音、视频等信息资源，能够为学生提供一个逼真的学习环境。虚拟教学具有沉浸性、交互性、真实性、虚幻性。区别于动画的单一视觉角度，具有全方位观察和更加真实的交互性，给学生提供一种身临其境的学习体验。此外，还可以通过模拟仿真实验解决理论知识与实践相结合过程中出现的问题，促进学生解决实际问题能力的提高。在此过程中，教师要加强引导与督促，使学生充分发挥主观能动性，对知识进行探索和研究，激发学生学习的热情与兴趣。

教学实训课程中，虚拟仿真软件改变了传统的实验教学方式，突破了学习过程的时间和空间的限制，有助于辅助教学活动开展，提高实训效果。将“教、学、做”合而为一，能有效培养学生的技术综合应用能力。

5.虚拟仿真技术可以节省实验设备资金投入和实验时间，提高实验效率。我国高校的实验设备总体数量较少，且普遍存在“投入大、使用率低”的问题，尤其是一些高科技设备更是少之又少。同时，由于经费不足等原因，实验室建设成本较高、周期长，实验教学效果又受实验设备的制约，导致一些高校的实验教学存在资源浪费和利用率较低的问题。利用虚拟实训代替实物实训教学，可以解决实训的设备成本高、不易观察等难题，对降低成本、提高效率具有重要意义［4］。

6.虚拟仿真教学软件利用计算机模拟出一个仿真化学实验室。近些年，高校化学实验室安全事故频发。实验室安全问题是各高校安全教学生产中的重中之重。虚拟仿真教学软件可以帮助学生通过仿真模拟的方式来学习，避免了因操作失误造成的事故。因此，利用虚拟仿真技术可以解决物理实验教学资源浪费问题和实验时间问题，从而减少了高校实验室的高频率实验教学，使发生事故的可能性降低。虚拟仿真软件从根本上减少了实验室安全事故的发生，将危险的化学实验从实际操作中转到虚拟仿真平台。并且，学生可以反复锻炼自己的操作技能，养成规范良好的操作习惯，减少了因操作不当造成的实验事故［5］。

7.环境类专业属于实操类专业，在大型仪器的使用操作过程中，不能做到每名学生都有动手操作的机会。虚拟仿真软件完美解决了这一问题，每个学生都可以通过自己的账号在电脑上进行实操，更好地激发了学生的学习积极性、探索性、主动性和求胜心。为环境类实训提供真实场景模拟，培养学生的实践操作和应用能力。3D虚拟仿真情景实训系统可以模拟真实场景，如紧急事件处理等，让学生在虚拟环境中进行综合实践操作，提高实际工作能力。因操作步骤分模块进行，学生在操作学习的过程中，为得到自己满意的分数，会激发内在的驱动力，提高兴趣，钻研问题，解决问题，获得学习的快乐和成就感［6］。

四、学情的提高

1.学生专注能力提高，专注时间更长。在教室中学习理论知识，学生的专注时间在40分钟左右；使用虚拟仿真软件，学生可以体验沉浸式的学习过程，专注时间在60分钟左右。

2.通过3D虚拟仿真情景实训系统，可以模拟多种不同的工作场景，让学生分组协作，共同解决问题，培养团队合作意识和能力。学生谈论问题更积极主动，相互帮助，团队协作更加紧密。借助虚拟仿真教学软件，在教学过程中，学生可以与教师和其他学生进行互动，促进学习共享和合作。

3.我们学校的学情是：一部分学生存在学习热情不高、学习主动性不够等问题。学习热情不高，课堂存在个别学生玩手机的现象；学生积极主动性不强，学生课上获得知识主要以教师教授为主、学生自学为辅。学习虚拟仿真软件转变了主体，由教师转变为学生。学生放下手机，专心致志地进行电脑操作，在培养学生专注力的同时，能够激发学生的学习兴趣，提高学习效率和质量［7］。

4.关于“1+X”水环境监测与治理职业技能等级证书考试的指导，虚拟仿真软件给学生提供了训练平台。学生通过虚拟平台，登录自己的账号，进行相关虚拟仿真的学习和练习。课上，授课教师先讲解理论知识，再让学生进行操作，理论与实践相结合，学生掌握知识点更加深刻。课下，学生可以登入自己的账号，进行反复练习虚拟仿真操作，提高了自己的学习能力和专业能力。学生考证的过级率有所提高，从2020年较低的过级率，到2021年和2022年的过级率呈增长趋势［8］。

5.全国使用率典型概况。从全国的数据统计情况来看，使用率在第一档的是内蒙古自治区，虽然内蒙古自治区的教育水平在全国不算高，但是近几年教育实力增长较快，可能是特殊的地理区位原因，虚拟仿真软件使用率全国最高。使用率排在第二档的是山东省，山东省的教育实力比较强，从古至今都是非常注重教育的地区。使用率排在第三档的是新疆维吾尔自治区、吉林省、湖北省、浙江省。云南省的使用率排在第四档，使用率总体较低。

6.实验实训安全。环境类化学实验潜在的化学实验风险较大，如试剂消耗大、成本高、实验条件苛刻、难以进行真实实验等。虚拟仿真软件在改善实验实训条件的同时，实现了实验教学的立体化，提高了实验成功率，拓宽了学生的知识面，减少了实验中的试剂消耗和化学实验污染物的排放。因此，能更安全更高效地完成一些有毒、危害性大和污染严重的环境化学实验。

7.生态环保理念。环境类化学实验，由于实验目的和类型不同，会使用到各种各样的化学试剂，对应的实验室排放的污染物类型也多种多样，有有机污染物、无机污染物。大气污染物直接排放到空气中，对学生和教师的健康不利，需要找专门的处理公司处理水体污染物，处理起来费时、费事、费钱。在虚拟仿真教学过程中，虚拟仿真软件实验可以减少有毒有害试剂的使用率，减少污染物的产生和排放，从而从根本上减少对生态环境的污染，保护了生态环境，节约了自然资源，贯彻落实了“绿水青山就是金山银山”的理念。

在虚拟仿真教学及实训过程中，教师也会给学生传达环保理念，将生态环境保护和治理引入课堂，让环保意识融入学生的心灵，从而培养一代又一代的环保接班人。

五、不足和建议

1.受教学设备、电脑内存和机房网速的影响，上课时，难免出现网络卡顿和电脑死机的情况，影响了学生的学习积极性。建议各高校在布置虚拟仿真实训中心时，充分考虑学校的硬件设施，如电脑配置、电脑内存和宽带网速，保障虚拟仿真实训实验室的有序教学。

2.学校招生人数增加，班级人数增加，但是机房电脑机位没有增加，导致有的班级上课时两个学生或多个学生同时使用一台电脑。建议各高校在布置虚拟仿真实训中心时，充分考虑班级人数，设计好机位，给予学生平等操作软件的机会。

参考文献

［1］罗舒君，陈育中，沈瑾.“三教”改革背景下立体化教材建设与应用研究：以五年制高职“环境监测实训”课程为例［J］.江苏教育，2022（44）：52-56，69.

［2］王燕子.浅析高职学生学情现状［J］.南方农机，2019，       50（9）：187-188.

［3］吴金娇.创新创业环境下高职学生学情探析：以武汉外语外事职业学院财经类专业为例［J］.科技创业月刊，2017，30（23）：64-66.

［4］裘姗姗，刘洁，黄进刚.高校《仪器分析》课程在环境监测教学改革中的几点探索［J］.科教导刊（电子版），2020（28）：191-192.