隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是計算機、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)思想、教學(xué)方法、教學(xué)手段都面臨著的挑戰(zhàn)，仿真實驗已成為一種新的發(fā)展趨勢，在高等學(xué)校的實驗教學(xué)中嶄露頭角[1， 2]。虛擬實驗室已經(jīng)能夠在特定數(shù)值模型的基礎(chǔ)之上，對現(xiàn)實中的物理化學(xué)過程、生命過程、實驗過程、操作流程等實現(xiàn)軟件模擬，接受虛擬場景中的輸入并經(jīng)過模型計算，對操作結(jié)果和實驗現(xiàn)象進(jìn)行呈現(xiàn)或再現(xiàn)，從而達(dá)到對真實實驗系統(tǒng)的模擬[3]。應(yīng)對目前社會對應(yīng)用技能型人才需求，高校深化供給側(cè)改革，環(huán)境工程專業(yè)實驗課學(xué)時增加，涉及面更廣，隨著實驗項目的增多，需要的儀器設(shè)備更繁雜、占用實驗場地更多，實驗材料消耗更大，從而總體實驗費用升高，所有這些弊端都迫切需要改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，模擬仿真實驗手段則恰好彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的不足。
一、傳統(tǒng)“實操”模式在實驗教學(xué)中局限性
在環(huán)境工程實驗教學(xué)中，傳統(tǒng)“實操”模式下，學(xué)生在實驗現(xiàn)場，直接接觸各類實驗儀器設(shè)備、藥品、實驗材料，身臨其境，實際操作，提高動手能力，很好地完成教學(xué)大綱對實驗基本操作能力訓(xùn)練的要求。雖然傳統(tǒng)“實操”模式在實驗教學(xué)中有著不可替代的作用，但也存在一定的局限性：
（一）實驗總體費用高
滿足當(dāng)前應(yīng)用型人才培養(yǎng)對學(xué)生動手能力的要求，學(xué)生數(shù)量增大，實驗項目增多，采用傳統(tǒng)“實操”模式，需要的儀器設(shè)備多，種類繁雜，維護工作量極大，實驗材料消耗也不小，實驗場地緊張，實驗總體費用高。
（二）實驗環(huán)境不環(huán)保
環(huán)境工程專業(yè)的實驗中，經(jīng)常使用有毒有害、易燃易爆危險化學(xué)藥品及影響實驗人員健康的菌種，實驗過程中，不可避免產(chǎn)生毒害氣體、污染環(huán)境廢水、廢渣，實驗環(huán)境不環(huán)保，長期累積對大環(huán)境也存在污染。
（三）部分實驗大綱要求難滿足
實驗中涉及先進(jìn)大型貴重儀器設(shè)備，很難讓學(xué)生人手一臺，親自操作，學(xué)生往往走馬觀花，了解皮毛；校內(nèi)不具備固體廢棄物焚燒裝置、SBR 水處理裝置等，更難滿足學(xué)生需求；即便購買一些實驗裝置，學(xué)生也很難觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在有限的學(xué)時內(nèi)，反復(fù)操作，尋找*實驗參數(shù)。
（四）實驗考核操作不方便、結(jié)果不理想
在實驗考核過程中，實驗指導(dǎo)教師在短時間內(nèi)考核學(xué)生實驗操作、批改實驗報告、給出實驗成績，不但工作量大，也很難做到公平公正。
二、模擬仿真在實驗教學(xué)中優(yōu)勢
模擬仿真實驗軟件在顯示整個實驗的過程中，將儀器設(shè)備、裝置及所呈現(xiàn)的現(xiàn)象形象真實展示出來，模擬的實驗過程科學(xué)、得出的數(shù)據(jù)可靠性高、實驗結(jié)果真實。模擬仿真能夠多次重復(fù)展示實驗現(xiàn)象，對現(xiàn)象的規(guī)律、規(guī)則、理論進(jìn)行詳細(xì)深入的探索和研究方面較為有利。實際實驗中難以或根本觀察不到的實驗發(fā)生過程和微觀內(nèi)部機制，學(xué)生通過智能化的模擬仿真形象的表現(xiàn)，便于揭示其中內(nèi)涵、規(guī)律；在理解抽象的概念、掌握或探索有關(guān)的規(guī)則、定理或定律方面，學(xué)生通過模擬仿真改變實驗條件、參數(shù)或儀器進(jìn)行對照類比，方便瞬間觀察感興趣的現(xiàn)象或量值，揭示現(xiàn)象背后的實質(zhì)問題。與傳統(tǒng)的實操實驗相比，模擬仿真實驗教學(xué)有以下優(yōu)點：
（一）仿真實驗投資少，使用及維護方便
仿真實驗只需將軟件安裝在計算機上即可運行，利用學(xué)校已有的計算機資源，使用較少的投資，即可開展實驗，且方便學(xué)生使用，滿足大批量學(xué)生實驗的教學(xué)需求，化解了學(xué)生多而實驗裝置少的矛盾。同時，縮短了教師實驗前的準(zhǔn)備工作時間，日常維護負(fù)擔(dān)也較維護多種實驗設(shè)備輕。
（二）仿真實驗生動形象，操作簡便
仿真實驗工藝流程形象逼真，實驗的操作只需使用鼠標(biāo)和鍵盤就可完成，操作極其簡便，且無材料消耗，儀器損耗。在實驗過程中，整個工藝流程出現(xiàn)在屏幕上，一目了然，還具有局部放大功能；學(xué)生可縱觀全局，更好地把握實驗過程，樹立工程觀念，有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。
在有限的課程學(xué)時內(nèi)，學(xué)生利用仿真軟件短時間內(nèi)可反復(fù)實驗，可進(jìn)行更多的開放式、綜合性實驗，提高了學(xué)習(xí)效率。
（三）仿真實驗結(jié)果考核公正、便利
仿真實驗過程中，教師利用模擬仿真軟件的“操作評價功能”，對學(xué)生的實驗操作動作、實驗結(jié)果給出科學(xué)公正的評判。教師用機可以隨時檢查學(xué)生完成實驗情況，解決學(xué)生實驗中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計，網(wǎng)上批改學(xué)生實驗報告，考核學(xué)生實驗效果，給出實驗成績。
（四）仿真實驗綠色安全
采用常規(guī)的、傳統(tǒng)的實驗方式，環(huán)境工程專業(yè)的實驗教學(xué)不可避免使用一些昂貴、容易引起爆炸或有毒有害試劑\ 藥品。模擬仿真實驗不但化學(xué)試劑和儀器裝置“零投入”而且“廢棄物*”，在涉及高?；虻沫h(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時，可提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目，既節(jié)約資金又安全可靠，還可防止環(huán)境污染，創(chuàng)造綠色學(xué)習(xí)環(huán)境。
教師利用模擬仿真軟件進(jìn)行模擬違規(guī)操作，將產(chǎn)生的后果展示給學(xué)生，讓學(xué)生看到誤操作的嚴(yán)重后果，時刻警醒學(xué)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度在未來工作中的重要性，提高了學(xué)生科研素養(yǎng)。
三、“實操結(jié)合模擬仿真”模式在環(huán)境工程專業(yè)實驗教學(xué)中應(yīng)用原則
（一）注重能力培養(yǎng)，能“實”勿“虛”
盡管模擬仿真實驗教學(xué)存在諸多優(yōu)勢，但“實操”模式在實驗教學(xué)中的地位不可替代。否則學(xué)生紙上談兵，輕點鼠標(biāo)，動手能力得不到培養(yǎng)，無法適應(yīng)未來實際工作需要。
因此，在實驗教學(xué)中，應(yīng)注重能力培養(yǎng)，能“實”勿“虛”，“實操”模式必須保持主要地位。
（二）有機結(jié)合，互為補充
“實操”與“模擬仿真”兩種模式在實驗教學(xué)中有機結(jié)合，各出所長，相互取長補短，而不是以此代彼，只有如此，才能獲得更好的效果。
二者的這種結(jié)合體現(xiàn)在具體實踐中，可以是某個獨立的實驗項目，如儀器分析實驗中的氣象色譜儀、液相色譜的使用，學(xué)生參觀了解儀器實物，觀察教師實驗操作演示后，再進(jìn)行仿真操作。也可以是某課程的幾個實驗項目，例如固體廢棄物處理與處置這門課設(shè)置了固體廢物的水分與灰分測定實驗、粉煤灰分子篩的制備與性能研究、垃圾焚燒過程模擬、有機垃圾生物處理四個實驗項目，前兩項，采用實操模式，學(xué)生了解固廢水分的存在形式與灰分的組成，掌握不同固體廢物中水分與灰分的測定方法、堿熔法或固相法合成粉煤灰分子篩的基本原理及實驗方法、紫外-可見分光光度計的構(gòu)造原理以及操作方法、吸附試驗操作原理與方法；后兩項，受實驗室條件限制，實操無法完成，采用仿真模擬模式，學(xué)生通過仿真實驗進(jìn)行生活垃圾的收集與熱值測定，在回轉(zhuǎn)窯焚燒約5 公斤生活垃圾，注意觀察爐體溫度變化，記錄相關(guān)焚燒參數(shù)，從而掌握熱值測定方法，回轉(zhuǎn)窯或焚燒爐工作原理及結(jié)構(gòu)組成，垃圾焚燒操作技術(shù)；有機垃圾生物處理過程模擬實驗中，學(xué)生通過仿真實驗，以學(xué)校食堂收集廚余垃圾為模型，進(jìn)行好氧堆肥/厭氧發(fā)酵處理，調(diào)節(jié)含水率及C/N 比，控制通氣流量和時間，記錄溫度變化，測定含水率、總固體、揮發(fā)性固體、碳氮比等，觀察到了有機固體廢物在生物處理過程中的變化，加深對堆肥和厭氧消化概念的理解；掌握好氧堆肥和厭氧消化工藝過程和控制方法；及好氧堆肥和厭氧消化工藝影響因素與控制措施，彌補了實操的缺憾，較好達(dá)到了實驗?zāi)康摹?br />（三）適應(yīng)需求，發(fā)展完善
適應(yīng)社會對創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，“實操”與“模擬仿真”兩種模式在實驗教學(xué)中應(yīng)與時俱進(jìn)，不斷完善，在實踐中找到*結(jié)合方式，更好完成教學(xué)任務(wù)。
四、虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)實踐
學(xué)校虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提益、持續(xù)發(fā)展”為指導(dǎo)，以共享實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點，本著充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則，持續(xù)推進(jìn)，逐步完善，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。
（一）虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)方面
以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，發(fā)揮學(xué)校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，利用企業(yè)提供資源，豐富教學(xué)內(nèi)容，拓展實驗領(lǐng)域，提高教學(xué)能力，降低成本和風(fēng)險，開展綠色實驗教學(xué)。
（二）虛擬仿真實驗教學(xué)的管理和共享平臺建設(shè)方面
建設(shè)具有擴展性、兼容性管理和共享平臺，管理實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)校內(nèi)相關(guān)學(xué)科實驗教學(xué)資源共享。
（三）虛擬仿真實驗教學(xué)和管理隊伍建設(shè)方面：
學(xué)校虛擬仿真實驗教學(xué)和管理隊伍主要由教育理念先進(jìn)，學(xué)術(shù)水平高，教學(xué)科研能力強，實踐經(jīng)驗豐富，勇于創(chuàng)新的教師、科研、實驗技術(shù)人員組成。
（四）虛擬仿真實驗教學(xué)中心的管理體系建設(shè)方面
學(xué)校系統(tǒng)制定并有效實施了《虛擬仿真實驗教學(xué)的教師工作績效考核辦法》、《虛擬仿真實驗教學(xué)經(jīng)費使用管理制度》、《實驗教學(xué)中心維護管理規(guī)定》，《提高學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)效果考核辦法》等虛擬仿真實驗教學(xué)中心的管理制度。
五、模擬仿真與實操相結(jié)合的實驗教學(xué)模式實踐
模擬仿真實驗教學(xué)雖然具有很大優(yōu)勢，但也具備局限性，畢竟學(xué)生在未來的工作崗位上，不能只是輕點鼠標(biāo)就能完成工作任務(wù)，只有與實操實驗教學(xué)有機結(jié)合起來，優(yōu)勢互補，才能收到良好效果，全面提高教學(xué)質(zhì)量，滿足社會對人才需求條件。
在環(huán)境工程專業(yè)實驗課中，我們引進(jìn)了與環(huán)境工程專業(yè)實驗相對應(yīng)的由北京東方仿真公司開發(fā)的仿真軟件，主要有化工原理實驗、流體力學(xué)實驗、環(huán)境工程水處理實驗、大氣污染控制設(shè)備單元、垃圾焚燒廢氣處理、AAO 工藝、SBR 工藝、WASB 工藝等全流程的仿真培訓(xùn)軟件用于實驗教學(xué)，學(xué)生在校內(nèi)就可以充分得到大型貴重儀器使用、垃圾和污水處理流程的訓(xùn)練，真正將環(huán)境監(jiān)測實驗室、污水處理廠、垃圾填埋場搬進(jìn)教室，在操作技能掌握上更加系統(tǒng)和全面。具體實踐中：
1. 對涉及基本實驗操作技能的實驗項目，如環(huán)境分析監(jiān)測的實驗中的藥品配制、滴定操作、水樣的采集等，學(xué)生必須實際操作，反復(fù)演練，直至達(dá)到熟練操作；實際操作前，學(xué)生利用仿真實驗，反復(fù)觀看實驗操作技巧，促進(jìn)實操水平提升。
2. 對實驗中涉及先進(jìn)大型貴重儀器設(shè)備的，如儀器分析實驗，首先理論課講解實驗儀器原理，接著讓學(xué)生到學(xué)校的教育部環(huán)境生態(tài)工程重點實驗室對氣象色譜、液相色譜等貴重儀器實物觀察，對使用儀器有感官的了解，在此過程中，教師實際操作演示儀器使用，講解儀器操作方法、注意事項，學(xué)生觀看學(xué)習(xí)，此后，學(xué)生再利用大型儀器分析模擬軟件學(xué)習(xí)設(shè)備構(gòu)造、原理，進(jìn)行反復(fù)模擬操作，直至運用模擬軟件考核合格。
3. 對實驗中試劑藥品昂貴或涉及有毒有害試劑的實驗，實驗中容易引起爆炸產(chǎn)生環(huán)境污染的實驗項目，如環(huán)境化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測實驗部分項目，利用模擬仿真教學(xué)，讓學(xué)生在計算機上做實驗，不但能達(dá)到實驗?zāi)康?，而且綠色安全、無環(huán)境污染。又如環(huán)境工程微生物實驗中微生物觀察與計數(shù)，學(xué)生每人一臺顯微鏡利用無毒害的酵母菌，反復(fù)實際操作，直至掌握顯微鏡操作技巧、微生物計數(shù)方法，而對有危害的金黃葡萄球菌、大腸桿菌等形態(tài)觀察，則利用虛擬軟件在機房操作，從而完成實驗教學(xué)。
4. 針對校內(nèi)不具備的如固體廢棄物焚燒裝置、SBR 水處理裝置等，采用模擬仿真實驗，通過模擬仿真，實驗原理、裝置、流程、過程展現(xiàn)在學(xué)生面前，一目了然，學(xué)生通過設(shè)置、更改相關(guān)流程參數(shù)，取得*結(jié)果，完成實驗。緩解了傳統(tǒng)實驗方式場地占用大、實驗裝置昂貴、實驗周期長，耗材耗時，實驗效果不理想，不能很好達(dá)到實驗教學(xué)目的的矛盾。
水污染控制工程是高等學(xué)校環(huán)境工程專業(yè)必修的一門理論性和實踐性都很強的學(xué)科，其中的理論、原理，工程設(shè)計等都離不開實驗。而其實驗項目氣浮實驗，傳統(tǒng)“實操”模式，或受實驗場地、時間、設(shè)備裝置的限制，無法很好完成，而采用仿真實驗?zāi)Ｊ?，學(xué)生通過仿真模擬壓力溶氣氣浮工藝，虛擬儀器面板設(shè)計氣浮工藝構(gòu)筑物參數(shù)，如接觸池的長、寬、深，分離池的長、寬、深，溶氣罐的直徑、填料層高等，在實驗過程中，調(diào)整介質(zhì)間張力系數(shù)、進(jìn)水流量、回流溶氣水量、水溫等主要參數(shù)，觀察其對氣浮效果的影響，加深理解氣浮法的工作原理和工藝組成；掌握氣浮處理系統(tǒng)的設(shè)計運行參數(shù)；掌握氣浮工藝處理廢水時，不同運行參數(shù)對運行效果的影響。城市污水綜合處理方案設(shè)計實驗，學(xué)生利用所學(xué)理論知識，針對城市污水，進(jìn)行方案設(shè)計，并通過仿真模擬對設(shè)計的工藝流程進(jìn)行運行，對處理單元作用、參數(shù)、工藝特點、效率等進(jìn)行評價和分析。了解城市污水的特點；設(shè)計了城市污水處理方案；掌握污水處理工藝單元的作用和工作參數(shù)；計算出各個處理單元的分級效率；評價、總結(jié)該處理方案的特點及效率。激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到了教學(xué)大綱的要求。
5. 對實驗室具有簡易裝置又有模擬仿真軟件的實驗項目，如化工原理、流體力學(xué)在學(xué)生接授過理論教學(xué)后，到實驗室參觀了解實驗裝置，再利用模擬仿真教學(xué)，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，找準(zhǔn)參數(shù)，再到實驗室實際操作。
“實操結(jié)合模擬仿真”模式在環(huán)境工程專業(yè)實驗教學(xué)中近2 年的試用，不但緩解當(dāng)前實驗經(jīng)費與場地的不足，而且調(diào)動學(xué)生的主動性，更好地達(dá)到實驗教學(xué)的目的。
六、結(jié)束語
與傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式相比，虛擬仿真實驗教學(xué)能實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，具有生動形象、操作簡便，投資少，使用及維護方便，實驗結(jié)果考核公正便利，實驗環(huán)境綠色安全的優(yōu)勢。發(fā)揮仿真實驗優(yōu)勢，再結(jié)合實操實驗，緩解當(dāng)前環(huán)境工程實驗教學(xué)的困境，增強教師和學(xué)生的參與感，能很好地達(dá)到實驗教學(xué)的目的。
只有堅持以學(xué)生為主體的教學(xué)理念，將模擬仿真實驗教學(xué)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法緊密地結(jié)合起來，實行優(yōu)勢互補，在教學(xué)實踐中不斷地探索，在探索中不斷地改進(jìn)，才能充分發(fā)揮模擬仿真加實操實驗教學(xué)的優(yōu)勢，提高課堂效率，提升教