基于虚实结合的大气污染控制实验教学模式研究与探索

刘涛　缪海超　羌宁　李照海　曹翌奇

摘 要 针对传统实验教学模式中存在的时空受限、设备条件落后、实验安全性等问题，利用3D虚拟仿真技术，设计形成了“虚实结合”的实验教学新模式。本文以实验“旋风除尘器性能测定”为例，分别从课前线上预习、线下实际实验操作、工程设计、工程仿真搭建、线上复习及报告提交五方面进行详细介绍。该模式可在一定程度上解决传统实验教学模式中存在的一些弊端，为学生提供一个更为宽松自由的学习环境，培养学生实际工程问题分析与解决能力，进一步培养学生创新工程思维。

关键词 3D虚拟仿真 虚实结合 大气污染控制 实验教学

中图分类号：G642文献标识码：A

0引言

《大气污染控制工程》作为环境工程专业的主干课程，需要结合多门专业基础课程的相关知识，因此，为学生的学习与掌握提出了较高层次的要求。《大气污染控制工程实验》作为大气课程中的一个重要部分，可加强学生对理论知识的认识与理解。但是，在实验教学过程中，如何培养学生自主学习的能力、有效提高实验的教学效果，培养出环境工程领域中的高尖端人才显得尤为重要。

随着电子信息技术的不断发展，日趋成熟的3D虚拟仿真技术已逐步应用于教学领域，弥补了传统实验教学的不足，为打造虚实结合的实验教学提供了可能。本文以“旋风除尘器性能测定”实验为例，详细介绍了虚实结合的新实验教学模式以及该方式的效果与意义。

1虚实结合的实验教学模式

我院利用3D虚拟仿真技术，自主开发了实验仿真软件，并结合传统的实验教学方式，发展形成了一套虚实结合的实验教学模式。学生课前通过虚拟仿真实验进行相关理论知识的初步学习和理解，课上通过实际操作进一步掌握该知识，然后在相关工程设计的基础上，在系统中完成工艺流程图，在3D场景下完成虚拟现实工程建设、调试、运行，最后再通过线上复习充分掌握相关技能并完成相关考核，从而实现课前预习、课上操作和課后复习的完美衔接。3D虚拟仿真操作系统是根据真实实验场景而设计，让学生切身体会完整的实验过程，包括实验流程的搭建、实验各步骤的具体操作，最后可得到相应的实验结果，以便于学生在课余时间自主进行预习和复习，对实验有充分地理解和认知。

1.1线上理论学习

学生通过校园网络进行虚拟仿真训练，其主界面如图1所示，学生可选择不同的实验项目进行训练。本文以实验“旋风除尘器性能测定”为例，首先，学生需要在课前完成相关理论内容的学习，界面如图2所示，学生可学习实验所需设备的详细介绍，如设备组成、工作原理等。学生还可查看旋风除尘器各组成部件的相关信息，对于设备有更为清晰深刻的认识。学生通过线上系统的多次操作，可大大提高对实验的理解。

此外，该系统采用交互式的设计，学生可在线上操作的过程中，系统会自动提示其操作不当之处，对于不理解的地方，学生也可随时进行提问。教师也可利用该系统查看学生的预习使用情况，解答学生的疑惑，并可将其情况作为平时成绩的一部分。

1.2实际实验操作

关于“旋风除尘器性能测定“的实验，本院有8套实验装置，每次实验可供8组每组3人进行实际实验操作。学生按照课前的线上练习及老师的现场指导，完成整体的实验过程，使用集流器流量计测定气体流量，采用微压计测量进出口断面静压差，从而计算除尘器阻力，通过重量法计算除尘效率，从而掌握旋风除尘器进口风速与除尘器阻力、效率以及进口浓度对除尘效率影响之间的关系。

1.3工程设计

本模块实行“任务驱动，自主设计”的原则，学生参考实际项目设置实验任务，自主设定实验参数，根据设计基本资料、设计任务和设计原则进行相关计算，完成旋风除尘器的整体设计计算。这一方式可让学生遵循基本的设计思路和设计方法，自主进行流程设计和设备选择，培养了学生解决综合复杂工程问题的能力，强化了学生的创新创造思维。与此同时，在设备运行模块中，学生可以通过对各个参数的设置，如进气口风流速度、粉尘状况等，研究不同的操作条件对于旋风除尘器除尘效率的影响，如图3。借助虚拟仿真实验技术，可以实现零成本、快速地按照设计或计算得到的参数对设备进行调整，然后在改造后的虚拟实验设备上开展后续工程操作，通过虚拟实验来验证设计和计算的正确性，以确定下一步的设计方案。

1.4工程仿真搭建

该模块包括工艺线路图设计、3D工程场景展示、工程调试运行三个模块。学生在2D操作界面自主选择设备完成工艺路线图的设计，并构建相应3D工程场景，如图4。在3D场景中控制设备运行参数完成工程调试运行和异常情况的紧急处理，达到考察学生工程应用能力的目的，突破时间和空间对复杂工程实验教学的限制，更好地满足学生综合探索能力和工艺调控能力需要。

1.5线上复习及报告提交

为方便及时巩固相关知识，该系统课后仍旧对学生开放，学生可根据自身的实际情况，针对自己仍未掌握的部分进行线上操作理解。在熟练掌握实验方法后，学生可在网上根据要求填写实验报告，教师根据其报告质量进行评级，这一部分等级可占据总成绩的一定比例。

由于学生人数众多、设备不足，因此传统的实验教学模式通常采用实验报告的方式进行成绩评定，但是这一方式无法准确评价教学的质量效果以及学生的掌握程度。我院开发的该系统可以实现期末的线上实验考试，学生可登入相关考试系统，在规定时间内完成实验装置搭建、参数设定等一系列操作，一方面可以较好地反映学生的动手能力和知识掌握能力，另一方面，老师也可直接在线上系统中对学生进行成绩评定。

2虚实结合的实验教学模式的效果与意义

2.1突破传统实验教学的时空限制

由于传统的实验教学具有课时短、仪器少、场地不足等缺陷，通常只能允许多人操作一台设备，大大降低了学生的人均操作时间，严重影响了学生学习的积极性，从而导致实验教学成果不理想。而3D虚拟仿真实验则完全不受时空的限制，学生可自由地在线上操作仪器设备，熟悉各个操作步骤，弥补教学时间短、操作机会少的情况，也可通过仿真实验进行充分的课前预习和课后复习，进一步加强了实验教学效果。

2.2降低实验的危险性

对于大气实验而言，很多物质都具有有毒有害易燃易爆的特性，这便不利于学生的实际操作，若操作过程出现疏忽，则很大程度上会带来危险。而3D虚拟仿真实验则大大降低了实验的危险性，线上操作的过程不受实验物质、实验流程的限制，操作风险小、危害小，也同样能促使学生达到理解实验原理、掌握操作步骤、注意特殊事项的效果。

2.3耗时实验短期化

对于部分实验而言，存在实验周期长、实验成本高等问题，例如活性炭的吸附实验，大都需要好几个小时，且其大部分吸附过程都为等待时间，而现场的实验课时通常较短，长时程的实验会大大降低实验效率，严重影响实验教学效果的呈现。而3D虚拟仿真实验不受时间的约束，可大大减少实验工程中的等待时间，保证实验流程的紧凑性，大大提高课堂的效率。

3结语

在《大气污染控制工程》的实验课教学中，通过引进3D虚拟仿真技术，实现虚实结合的新型实验教学模式，有利于为学生提供更为丰富的教学资源，学生也可通过线上虚拟仿真训练提前预习了解实验内容，带着问题进行实际操作，并在课后进行及时复习，可形成一套“线上理论学习→实际实验操作→工程设计→工程仿真搭建→线上复习及报告提交”的体系。该模式可突破实验室实验的约束，融入工程设计和工程实践的相关内容，使实验软件内容更加综合化，能够适应不同层次、不同类型的学生学习使用。由互联网的应用，使用虚拟仿真实验软件可突破教学时间和空间的限制，学生可随时随地利用网络参与到实验教学活动中，从而调动学生（下转第121页）（上接第98页）学习的积极性和主动性。

基金项目：2017年同济大学第10期精品课程项目。

作者简介：刘涛（1976-），男，汉族，山东枣庄人，硕士，高级工程师，研究方向：大气污染控制实验教学及挥发性有机物减排。

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