“污染控制工程”虚拟仿真实验辅助教学的应用

［摘 要］ 针对“污染控制工程”课程的特点和重要性，基于多元智能理论提倡的多样化教学方式和教学方法，提出将虚拟仿真系统引入课堂教学和实验环节中，以形成多元化的教学模式。通过分析调查结果，83%的学生愿意接受线上线下相结合的教学模式，这表明学生认同线上线下同步进行的教学方式优于单一线下操作模式。基于以上结果，提出将虚拟仿真系统引入“污染控制工程”课程形成多元化教学模式的必要性，以期为绿色低碳技术应用类课程教学多元化的建设和改革提供借鉴和参考。

［关键词］ 污染控制课程；虚拟仿真；多元化教学模式；调查分析

［基金项目］ 2023年度浙江省教育厅办公室浙江省线上线下混合式一流课程“植物生物学”（2023014）；2023年度宁波市高校慕课联盟专项课题“基于慕课的应用化学专业课程思政实施策略与模式探究——以‘有机化学’课程为例”（2023ZX-MKYB08）；2021年度宁波大学科学技术学院教学研究项目“虚拟仿真项目在仪器分析课程中的应用和效果评价——运用Likert五级评分量表法”（xyjy2021011）

［作者简介］ 晁小芳（1985—），女，浙江宁波人，硕士，宁波大学科学技术学院生命科学与材料化学学院工程师，主要从事大气和水污染控制研究；陆开形（1972—），女，浙江余姚人，博士，宁波大学科学技术学院生命科学与材料化学学院副教授，主要从事高等教学效果评价研究；王 卫（1987—），女，河南许昌人，博士，宁波大学科学技术学院生命科学与材料化学学院副教授，主要从事高等教学效果评价研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）08-0122-04 ［收稿日期］ 2023-12-15

引言

“污染控制工程”课程内容包括水污染、大气污染和物理性污染控制工程等，是环境工程专业的重要基础课程，其中“水污染控制工程”和“大气污染控制工程”是该工程模块的核心课程。随着可持续发展理念的深入及碳达峰碳中和目标的推进，高校加快绿色低碳相关学科建设、培养绿色低碳发展人才势在必行。因此，为顺应绿色低碳技术应用，打造应用型人才培养机制，我校面向本科生开设“污染控制工程”课程，以期为学生提供一个初步了解污染控制工艺流程、工程设计、仪器构造、运行原理和操作过程的机会，同时为接下来的工程课程设计和实训课奠定基础。

一、“污染控制工程”虚拟仿真教学的建设

（一）虚拟仿真课程建设的现状

随着“互联网+”教学模式的不断发展，我国开始进入“智能+”时代，构建以自主学习、智慧学习、终身学习为目标，以现代信息化技术与线下教学相融合为手段的高校人才培养机制势在必行。2019年，教育部印发《关于一流本科课程建设的实施意见》指出，三年内完成1 500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程的认定工作［1］，这标志着我国虚拟仿真教学建设已从1.0时代跨越至2.0时代，即实现了从项目至课程的演变。例如，黄柏炎等［2］滨海动物野外实习，傅媛媛等［3］兔的形态结构与功能，杜坤等［4］被子植物营养器官建成，程捷等［5］高分子材料与工程，洪璇等［6］分子诊断技术，以及汤海峰等［7］古生物骨骼中痕量DNA提取等虚拟仿真课程的构建和应用。

（二）虚拟仿真课程建设的理念

虚拟仿真教学作为高等教育系统改革的重要内容，旨在通过构建三维的仪器及装置结构、原理动画等场景，利用视觉上的直接感官接触使学生快速识别和记住仪器及装置的形貌和运行原理；反复一对一单人模拟操作练习，不断地强化进而形成记忆，有效地巩固记忆并将已获得的知识、操作过程、动作要领与线下操作进行有机整合；课后复习结合理论知识和课程设计，三者相互交错、协同演进，形成记忆的延伸和拓展。另外，虚拟仿真技术的运用有助于打破传统实验教学在空间、时间、设施和高实验条件下的局限性，提高学生的认知、操作技能、体验感（包括实验的信心和积极趣味性等）及创新思维能力，完善教学体系，加快人才培养。

（三）虚拟仿真课程建设的多元融合机制

多元智能理论提出者霍华德·加德纳认为人类存在言语、空间、肢体运作、人际、内省、数理逻辑等八种基本智能，个体间的学习效果差异可通过智能间不同的组合方式产生［8］。从这一视角出发，以理论知识学习为言语环节，即言语表达的陈述性知识；虚拟仿真线上操作模拟为空间记忆强化，是视觉空间和肢体运作的有机结合；线下实操以小组为单位开展实验和结果分析讨论，是人际环节和动手能力的再现，同时为虚拟仿真操作空间记忆的模仿提供反馈；考核机制和课程设计为内省反思环节，是应用能力和创造能力的体现，也是印证学生解决实际问题能力的途径；数理逻辑环节的运用则贯穿于整个教学过程。另外，调查评价可作为学生心理状态和情感反映的反馈。

在此基础上，本研究提出将虚拟仿真引入“污染控制工程”课程中，形成多元化的教学模式。旨在通过理论知识、虚拟仿真、线下实操、考核机制、课程设计及调查分析等形成多维度智能体系融合机制，运用多元化的教学模式，注重激发学生的潜能，促进学生全面智能发展。同时，本文针对虚拟仿真与该模式的应用展开研究和调查，以期为绿色低碳技术应用类课程的多元化建设提供借鉴和参考。

二、“污染控制工程”虚拟仿真教学的应用

（一）课程的主要内容

“污染控制工程”多元化课程建设主要涉及理论知识、虚拟仿真实验、线下操作实验及课程设计实训四大模块，分为水污染控制工程与大气污染控制工程。其中水污染控制工程实验包括普通活性污泥法污水处理实验、SBR法间歇式活性污泥法实验和臭氧脱色实验等；大气污染控制工程实验包括旋风除尘和袋式除尘组合式实验、数据采集板式静电除尘实验和大气颗粒采样实验等。基于课程的安排和特点，构建了“线上+线下+理论”“线下+理论”“线上+线下”和“线上+理论”的多元化教学模式，形成线上线下相结合的混合考核机制及时间跨度为两个年度的问卷调查，多维度研究虚拟仿真教学于“污染控制工程”课程中的实际应用效果。

（二）课程的实践应用

我国东南部沿海工业发达城市水污染和大气污染等环境问题较为突出，夏季藻类爆发性生长以及冬季雾霾天气等污染状况频发。以此为背景，我校构建了“理论课程—虚拟仿真线上操作—现场采样—仪器设备线下操作—数据处理—课程设计”六个环节的多元化教学模式：（1）理论课程，要求初步掌握污染物种类来源及其环境影响和控制方法、控制装置工艺流程、结构形式、设计模型等理论知识；（2）虚拟仿真线上操作，要求多次反复线上预习操作，基本掌握实验原理和操作步骤（见图1）；（3）现场采样，结合虚拟仿真知识完成现场水样采集（包括河水、湖水及底泥采样等）和大气颗粒物综合采样（包括SO2、NOX、PM2.5、PM10及TSP等）；（4）仪器设备（包括污染控制设备和检测设备）线下操作，结合虚拟仿真知识开展线下实验操作并记录数据；（5）数据处理，结合理论知识和虚拟仿真计算公式判读实验结果并分析；（6）课程设计，结合理论及线上线下实验课程设计绘制污染控制装置布置图及相关参数、负荷和尺寸的设计计算等。“污染控制工程”课程理论、线下操作和虚拟仿真线上教学内容架构及相应考核机制见图2。

三、调查结果分析

（一）研究对象

本项目于2021—2023年，选取我校2019级、2020级及2021级环境工程专业的本科生130名作为研究对象，参与“线上+线下”和“线上+线下+理论”教学模式研究。两个学年总共发放问卷130份，回收有效问卷129份，有效率约为99.2%。

（二）研究工具

本项目线下污染控制装置教学课程采用同广教仪普通活性污泥法污水处理实验装置、SBR法间歇式活性污泥法实验装置、臭氧脱色实验装置和旋风除尘与袋式除尘组合式实验装置、数据采集板式静电除尘装置等；线下采集和检测设备教学课程采用湖北方圆大气颗粒物综合采样器、安捷伦Avio200等离子体发射光谱仪、哈希TL2300浊度仪、梅特勒斯pH计和普析TU-1810紫外可见分光光度计等。线上虚拟仿真教学通过同广教仪和MoolsNet慕乐网络虚拟仿真系统，以慕课的形式向高校师生提供教学资源。

（三）研究结果

通过调查可得，学生对于单一虚拟仿真、单一线下操作实验和虚拟仿真+线下实验操作三个教学模式的选择分析如图3所示。结果表明，83%的学生愿意接受线上线下相结合的教学模式，接受单一线上操作的学生仅占6%。由此可见，目前学生还无法适应单一线上教学模式，但认同线上线下同步进行的教学方式优于单一线下操作模式。

结语

本研究基于多元智能理论提倡的多样化教学方式和教学方法，同时针对“污染控制工程”课程的特点和安排，从理论知识、虚拟仿真实验、线下操作实验及课程设计实训四个维度出发，分别设计了“线下+理论”“线上+线下”“线上+理论”和“线上+线下+理论”四种不同的教学模式。通过调查结果分析可知，学生更愿意接受线上线下相结合的教学模式，表明学生认同线上线下同步进行的教学方式优于单一线下操作模式。由此可见，将虚拟仿真系统引入“污染控制工程”课程形成多元化教学模式的应用是加快课程改革建设、提高学习效果的有效途径。

参考文献

［1］教育部关于一流本科课程建设的实施意见：教高

〔2019〕8号［A/OL］.（2019-10-31）［2023-11-15］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html

［2］黄柏炎，印尤强，许钊霆，等.基于金课内涵的生物类虚拟仿真实验教学项目建设与实践［J］.生命的化学，2020，40（9）：1612-1616.

［3］傅媛媛，王爱勤，李世平，等.兔的形态结构与功能虚拟仿真实验的构建与应用［J］.生物学杂志，2020，37（6）：126-129.

［4］杜坤，郭宾会，傅媛媛，等.被子植物营养器官建成虚拟仿真实验的构建与应用［J］.生物学杂志，2021，38（4）：120-123.

［5］程捷，闫红强，方征平，等.虚拟仿真项目在高分子材料与工程专业实验教学中的实践［J］.高分子通报，2021（8）：63-68.

［6］洪璇，曾臻，谭强来，等.虚拟仿真实验在分子诊断技术课程中的应用［J］.生命的化学，2021，41（9）：2088-2093.

［7］汤海峰，李佳伟，刘艳，等.文理交叉背景下分子生物学虚拟仿真实验项目建设［J］.生物学杂志，2021，38（5）：127-130.

［8］张咪，孙力.虚拟仿真实验学习评价体系研究［J］.中国成人教育，2020（8）：51-54.

Application of Virtual Simulation Experiment on Supplementary

Teaching of Pollution Control Engineering

CHAO Xiao-fang， LU Kai-xing， WANG Wei

（School of Life Science and Material Chemistry， College of Science & Technology Ningbo University， Cixi， Zhejiang 315300， China）

Abstract： In view of the characteristics and importance of Pollution Control Engineering course， based on the diversified teaching pattern and methods advocated by the Theory of Multiple Intelligences， this paper proposes to introduce the virtual simulation system into classroom teaching and experimental links to form a diversified teaching model. The survey result analysis shows that 83% of the students are willing to accept the online-offline teaching model， indicating that students agree that online-offline teaching mode is better than single-offline operation mode. Based on this result， this paper puts forward the necessity of introducing virtual simulation system into the course of pollution control engineering to form a diversified teaching model， and provide reference for related courses.

Key words： pollution control course; virtual simulation; diversified teaching mode; investigation and analysis