環(huán)境工程“新工科智慧教學”模式設(shè)計與探索

　　摘要：在新工科和雙一流建設(shè)背景下，在以互聯(lián)網(wǎng)為核心的智能時代，探索現(xiàn)代信息技術(shù)與環(huán)境工程新工科教育的深度融合，是深化高等工程教育改革的關(guān)鍵。文章以培養(yǎng)復(fù)合型環(huán)境工程人才為目標，以解決復(fù)雜環(huán)境污染問題、全面推進生態(tài)文明建設(shè)為導向，從調(diào)動學生自主學習興趣出發(fā)，設(shè)計并探討了環(huán)境工程“新工科智慧教學”的新模式。將虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)融入到環(huán)境工程專業(yè)課堂、實驗與實踐教學中，結(jié)合多元化的教學手段與方法，建設(shè)智慧課堂。同時，設(shè)計“課堂-實驗-實習-工廠-仿真”一體化云端智慧教學新模式，打造“教學、科研、培訓、開發(fā)”一體化智能教育平臺，從而激發(fā)學生的學習興趣，全面提升學生的學習能力和解決實際問題的能力，實現(xiàn)實驗、實踐教學資源的共享。

　　關(guān)鍵詞：環(huán)境工程；新工科；智慧教學；虛擬仿真；虛擬現(xiàn)實；增強現(xiàn)實

　　環(huán)境工程是一個實踐性和應(yīng)用性非常強的多學科交叉的新興學科，是戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)涉及的重要學科之一。近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和環(huán)境治理的相對滯后性，各種復(fù)雜的環(huán)境污染問題日益突出，亟需先進的污染治理技術(shù)以及卓越的環(huán)境工程專業(yè)人才來解決復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境問題，從而推進生態(tài)文明建設(shè)。環(huán)境工程專業(yè)主要培養(yǎng)能夠運用工程學、物理學、化學、生物學等基礎(chǔ)學科的理論和方法，從事水、土、氣、固廢、噪聲和其他污染的控制和治理，以及環(huán)境監(jiān)測和管理等方面的高層次復(fù)合型人才。由于環(huán)境工程專業(yè)多學科交叉融合的特點及其較強的實踐性和創(chuàng)新性要求，培養(yǎng)的人才除了具備扎實的理論基礎(chǔ)外，還應(yīng)具備較強的實踐能力和創(chuàng)新能力，而傳統(tǒng)的環(huán)境工程教育教學模式和方法，難以滿足創(chuàng)新性、高層次、復(fù)合型新工科人才培養(yǎng)的要求[1]。隨著互聯(lián)網(wǎng)時代和智能時代的到來，人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實、數(shù)據(jù)挖掘等新興技術(shù)為工科教育教學模式和方法的更新，帶來了新的契機和活力[2]。在新形勢下，面對日益復(fù)雜的環(huán)境問題，如何將這些新興技術(shù)與環(huán)境工程專業(yè)的教育教學深度融合應(yīng)用與創(chuàng)新，為響應(yīng)“全面推進生態(tài)文明建設(shè)”重大戰(zhàn)略需求，培養(yǎng)具有“德才兼?zhèn)洹㈩I(lǐng)袖氣質(zhì)、家國情懷”、具備創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力、工程領(lǐng)導力、數(shù)字化能力等多方面綜合素質(zhì)的復(fù)合型環(huán)境工程人才，是環(huán)境工程學科在新工科建設(shè)中亟待解決的問題[3]。此外，當突發(fā)重大公共安全衛(wèi)生事件（例如新冠肺炎疫情）、環(huán)境污染事件時，現(xiàn)場理論和實踐教學難以實現(xiàn)，而基于互聯(lián)網(wǎng)的信息化教學模式將為人才培養(yǎng)搭建更為廣闊的平臺。因此，本文以培養(yǎng)復(fù)合型環(huán)境工程創(chuàng)新人才為目標，以解決復(fù)雜環(huán)境污染問題、全面推進生態(tài)文明建設(shè)為導向，設(shè)計和探討智能時代下環(huán)境工程專業(yè)課堂、實驗與實踐教學模式和方法的改革與創(chuàng)新，以期深度融合大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等新興技術(shù)到未來環(huán)境工程專業(yè)的教育教學中。

　　一、傳統(tǒng)教學模式存在的問題

　?。ㄒ唬┙虒W內(nèi)容更新較慢

　　面對日益復(fù)雜的環(huán)境污染問題，各種污染治理新技術(shù)和新理論層出不窮，但是，專業(yè)基礎(chǔ)課程教材內(nèi)容的更新往往滯后，難以滿足復(fù)合型人才培養(yǎng)的需求[4]。同時，由于青年教師實踐經(jīng)驗的有限，往往在理論課授課時，無法及時與學生分享教材中未涉及的最新工程案例，導致課堂教學僅僅局限于教材內(nèi)容的講授，缺乏實踐教學內(nèi)容。教材和教學內(nèi)容更新的滯后性，使得學生理論學習與實際應(yīng)用有一定的分隔。

　　（二）理論課教學模式的單一

　　目前，理論課的教學模式多采用“ppt+板書”的形式。環(huán)境工程是應(yīng)用性非常強的學科，而課本上關(guān)于各種處理構(gòu)筑物和設(shè)備的介紹以及環(huán)境污染治理理論只能通過文字和圖片的方式呈現(xiàn)，直觀性差，枯燥乏味，難以被學生理解和掌握。這種“填鴨式”的單一輸入教學模式，學生缺乏學習興趣，學習主動性差，這與新工科建設(shè)理念不相符。因此，亟需開展多樣化和立體化的教學新模式，借助“互聯(lián)網(wǎng)+”，將智慧教學新模式和新理論引入到傳統(tǒng)課堂教學中，激發(fā)學生的學習興趣，提高學生自主學習的能力。

　?。ㄈ嶒瀸嵺`課教學資源有限

　　傳統(tǒng)環(huán)境工程實驗教學都是一些基礎(chǔ)實驗，由學生多人分組進行，由于設(shè)備數(shù)量和規(guī)模有限，難以保障實驗教學效果。而且，對于一些高危險、高成本、高消耗和高污染的實驗，基本無法開展。再者，對于生產(chǎn)實踐活動，由于工廠企業(yè)的很多大型、精密或具有危險性的設(shè)施和設(shè)備無法提供給學生進行實際操作，導致學生只能“走馬觀花”式的對工藝流程和處理設(shè)備進行一個膚淺的外觀認識，無法深入了解設(shè)備裝置特點和操作要點，對于設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工藝運行參數(shù)認識不清，掌握不深刻，學生參與度低，實習實踐效果非常差。學生工作后，需要重新經(jīng)歷一個實踐學習的過程，難以滿足環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢與區(qū)域建設(shè)戰(zhàn)略的需求。因此，亟需對當前的實驗實踐教學模式進行改革，以期真正實現(xiàn)專業(yè)知識與實驗實踐相融合，全面提升學生的實踐能力和解決問題的能力。身處互聯(lián)網(wǎng)為核心的智能時代，環(huán)境工程新工科的發(fā)展需要探索現(xiàn)代信息技術(shù)與環(huán)境工程教育的全面深度融合，以信息化引領(lǐng)教育理念和教育模式的創(chuàng)新。

　　二、智能時代環(huán)境工程“新工科智慧教學”的設(shè)計與探索

　?。ㄒ唬┗?ldquo;互聯(lián)網(wǎng)/虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）+教育”課堂教學新模式設(shè)計1.基于“互聯(lián)網(wǎng)/VR/AR”的智慧課堂建設(shè)，增強課堂教學的生動性和互動性虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術(shù)是指采用計算機模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，提供用戶包括聽覺、視覺和觸覺等感官在內(nèi)的模擬，使其感覺仿佛身臨其境[5]。由于VR具有沉浸性、交互性和想象性的特點及優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速，在教育、軍事、科研、醫(yī)學和娛樂等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[6-7]。增強現(xiàn)實（AugmentedReality，AR）技術(shù)是在VR基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新興技術(shù)，它將計算機虛擬場景融合到真實世界中，對真實世界的內(nèi)容進行補充，從而使用戶對真實世界的感官和認識加強[8-9]。將虛擬仿真、VR、AR等技術(shù)引入到新工科的教學中，建設(shè)包括常規(guī)課堂教學的教師區(qū)、學生區(qū)、多屏互動教學區(qū)、沉浸式體驗教學區(qū)和混合現(xiàn)實互動教學區(qū)等的“智慧教室”（如圖1所示），并融合多元化的教學方法，開展“智慧課堂”的全新教學模式。

　　2.多元化現(xiàn)代信息技術(shù)教學資源開發(fā)，助力“智慧課堂”的開展

　　（1）基于微信公眾平臺，將學科前沿引入到理論教學中，提升學生的科研興趣在教學中，建設(shè)課程的微信公眾號，將最新研究進展推送給學生學習。同時教師可以引導學生分組以某一學科前沿作為主題進行最新文獻檢索，學生通過自學、討論、協(xié)作、互動等方式，自主學習學科前沿進展，并做成微信推文，分享到課程公眾號，與其他同學和教師進行互動。例如，環(huán)境工程進展課程建設(shè)了“SYSU環(huán)境工程進展”微信公眾號，在講授膜分離前沿技術(shù)時，圍繞著“超薄分離膜用于污水處理與海水淡化”這一主題，學生分組查閱最新文獻，撰寫新聞稿，進行微信推送（如圖5所示）。課堂上，教師和學生針對推文內(nèi)容進行前沿技術(shù)的講解。這種“以學生為中心、以探究性學習為基礎(chǔ)”的翻轉(zhuǎn)教學，充分激發(fā)了學生科研的興趣，提高了學生學習的主動性，鍛煉了學生文獻閱讀、翻譯以及表達的能力，同時培養(yǎng)了團隊協(xié)作的能力。

　?。?）基于大數(shù)據(jù)模擬環(huán)境污染修復(fù)全流程，培養(yǎng)學生的家國情懷由于環(huán)境污染修復(fù)是一個相對漫長的過程，例如土壤修復(fù)、黑臭水體修復(fù)、湖泊富營養(yǎng)化治理等，課堂授課教師通常只介紹相關(guān)修復(fù)技術(shù)與治理方案，很少有可視化案例分享，學生對此類修復(fù)技術(shù)僅僅停留在書本的文字介紹上?？梢岳么髷?shù)據(jù)對流域或者土壤污染修復(fù)全過程進行動態(tài)模擬，快速動態(tài)呈現(xiàn)污染修復(fù)的全過程，讓學生實實在在地感受到環(huán)境被污染的可怕、修復(fù)的不易、以及綠水青山重現(xiàn)時的喜悅，培養(yǎng)學生的環(huán)保精神和家國情懷，增強學生的專業(yè)自豪感和責任感，使學生牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。

　?。ǘ┗?ldquo;虛擬仿真/虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）”的實驗實踐課智慧教學新模式設(shè)計

　　1.基于“虛擬仿真、VR、AR技術(shù)”的智慧實驗教學，全面提升學生實驗動手能力傳統(tǒng)環(huán)境工程實驗教學受諸多因素限制，例如實驗儀器或模型構(gòu)筑物占地面積大、維護費用高；實驗分組人數(shù)過多、難以實現(xiàn)一人一設(shè)備；并且實驗課程具有一定的危險性，存在“三廢”處理問題，使學生無法真正得到有效地培養(yǎng)與訓練。借助于虛擬仿真、VR和AR手段，使不可及、不可視、高風險和高污染等操作過程變得直觀、形象，具有可操作性，有效地解決了學生實驗動手難的問題。學生可以先在虛擬仿真實驗平臺熟悉儀器裝置、認識流程及控制方案，在線虛擬操作，再到實驗室進行真實操作，大大降低了設(shè)備的損壞風險，節(jié)約維護成本。同時，借助基于AR技術(shù)，學生在上實驗課時，通過手機APP掃描儀器的相應(yīng)位置，可以直觀、立體地學習儀器原理和操作步驟。例如，學生在學習如何使用氣相色譜時，用手機攝像頭掃描色譜柱，色譜柱的三維模型結(jié)構(gòu)就會顯示，教師可以結(jié)合三維模型，講解色譜柱的工作原理。

　　2.基于虛擬仿真實習工廠，提升學生實習實踐能力生產(chǎn)實習是將理論學習與實踐認知相結(jié)合的階段，通過生產(chǎn)實習，學生對理論知識應(yīng)該有更深入的理解。然而，傳統(tǒng)的生產(chǎn)實習，學生大多停留在走馬觀花式的參觀構(gòu)筑物外觀階段，很難將所學的基本理論運用到實踐中，更難進行實踐操作。虛擬仿真和VR技術(shù)可以為生產(chǎn)實習的開展，提供有力的補充?；谔摂M仿真工廠，學生可以十分逼真地模擬現(xiàn)場操作。通過改變運行參數(shù)，學生可以了解設(shè)備整個運行和維護的全流程，并且通過虛擬仿真，學生可以試錯，從而有效避免實際生產(chǎn)中各種事故的發(fā)生。此外，通過VR漫游系統(tǒng)，學生可以在虛擬工程項目中反復(fù)觀察，沉浸式體驗，不受安全性等因素的限制。這種基于虛擬仿真和VR技術(shù)的智慧實習，可以提高學生學習的興趣和主動性，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和工程意識。我們通過構(gòu)建“教室-實驗室-工廠”三位一體的工程教育資源，可以實現(xiàn)“將工廠搬進學校”的理念。這種“拓展綜合、隨需而變、虛實結(jié)合、啟迪創(chuàng)意”的全新工程訓練體系，可以顯著提高學生實踐動手能力和解決實際問題的能力，為將來進入企業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)，實現(xiàn)畢業(yè)生的“零距離”就業(yè)。

　　三、展望

　　環(huán)境工程是一門交叉性和應(yīng)用性非常強的學科。面對日益復(fù)雜的環(huán)境問題和日新月異的先進技術(shù)，身處互聯(lián)網(wǎng)為核心的智能時代，將“虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)”等現(xiàn)代信息技術(shù)與環(huán)境工程教育進行深度融合，以信息化引領(lǐng)教育理念和教育模式的革新，對于復(fù)合型環(huán)境工程人才培養(yǎng)是十分必要的。未來環(huán)境工程“新工科智慧教學”應(yīng)該是基于“線上、線下、線上線下混合以及實驗實踐教學”四位一體的新模式（如圖6所示）：

　?。?）通過線上慕課（MOOC）學習、客戶端虛擬仿真操作以及云端課的學習，可以提高學生的自主學習能力，激發(fā)學生的學習和科研興趣；

　?。?）通過線下智慧教室的VR沉浸式體驗，以及虛擬仿真實驗室的仿真學習，可以加強學生對理論知識的理解和掌握，夯實工科基礎(chǔ)；

　?。?）基于翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，開展線上線下混合式教學，實現(xiàn)從“以教師講授為主”向“以學生學習為主”的模式轉(zhuǎn)變；

　?。?）基于VR/AR技術(shù)的實驗原理學習與操作，基于虛擬仿真工廠的實習實踐以及參與虛擬仿真設(shè)計大賽和“VR/AR+環(huán)境工程”創(chuàng)意設(shè)計大賽，全面提升學生的實驗實踐能力。未來智慧教學的開展，尚需要開發(fā)和制作虛擬仿真、VR、AR等系列軟件，以及用于云端課的手機APP和門戶網(wǎng)站，這需要高校教師、IT技術(shù)人員以及企事業(yè)單位多方面的協(xié)同。未來通過建設(shè)“課堂實驗-實習-工廠-仿真”一體化云端教學平臺，打造“教學、科研、培訓、開發(fā)”一體化的智能教育平臺，可以全面提升環(huán)境工程專業(yè)教育教學及人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

　　參考文獻：

　　[1]黃曉明，許國良，王曉墨，等.工程熱力學課程改革如何適應(yīng)“新工科”建設(shè)[J].高等工程教育研究，2019（S1）：99-102.

　　[2]馬玉改，張娜“.互聯(lián)網(wǎng)+”背景下基于雨課堂的《地球概論》課程混合式教學探索[J].高教學刊，2020（2）：103-105.

　　[3]周世杰，李玉柏，李平，等.新工科建設(shè)背景下“互聯(lián)網(wǎng)+”復(fù)合型精英人才培養(yǎng)模式的探索與實踐[J].高等工程教育研究，2018（5）：11-16.

　　[4]段淑倩，時剛，閆長斌，等.新工科與雙一流建設(shè)背景下隧道工程課程智慧教學改革探索[J].高等建筑教育，2020，29（6）：30-39.

　　[5]楊海林，范子紅，馬入華.VR技術(shù)在環(huán)境工程專業(yè)本科教學中的應(yīng)用展望[J].創(chuàng)新教育，2018（22）：181-184

　　呂慧1，趙姍姍1*，孫連鵬1，金枝2，王詩忠1，陳承3

《環(huán)境工程“新工科智慧教學”模式設(shè)計與探索》

上一篇：新農(nóng)村建設(shè)必須重視農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境治理

下一篇：城市軌道交通機電一體化技術(shù)應(yīng)用質(zhì)量分析