實驗教學是環境工程專業教學的重要組成部分,是對學生基礎理論知識、專業知識、基本實驗技能、獨立分析問題和解決問題的綜合考查。通過實驗教學,有利於激發學生學習興趣、強化學生基礎理論知識、提高學生分析解決實踐問題的能力、培養學生的創新思維。[1]
實驗教學分爲傳統實驗(真實實驗)教學和仿真實驗教學。仿真實驗教學是傳統實驗教學的必要補充和延伸,它作爲一種新型的實驗教學模式,已在我國高校環境工程專業實驗教學中得到了應用。[2]
爲了適應新形勢,地方本科院校應認真分析目前仿真實驗教學中存在的問題,積極進行實驗教學改革,充分發揮仿真實驗教學的優勢,進一步提高環境工程專業學生的實踐能力。
一、仿真實驗簡介
仿真實驗是利用計算機創建一個可視化的實驗操作環境,通過這些虛擬實驗儀器或設備開展實驗,達到與真實實驗相一致的教學目的和要求。[3]目前,環境工程專業開設的仿真實驗項目有自由沉澱實驗、過濾實驗、混凝實驗、氣浮實驗、曝氣充氧實驗、活性污泥實驗、鹼液吸收SO2實驗、旋風除塵器性能實驗、污水處理實習仿真,涉及的專業課程包括“環境工程原理”、“環境工程學”、“水污染控制工程”、“水處理設備設計與應用”、“大氣污染控制工程”、“流體力學”。與傳統實驗相比,仿真實驗具有以下優點:
(1)使用便捷,可以靈活開展實驗。仿真實驗只需計算機和相關軟件即可,學生可以隨時隨地完成相關實驗。
(2)操作簡單,交互性好。仿真實驗具有良好的人機交互界面和幫助文檔,能隨時對學生給予提示和幫助。
(3)成本低廉,可以重複開展實驗。仿真實驗是虛擬環境下的實驗,即使操作不當,也不會損壞儀器,實驗成本低廉。同時,由於某些真實實驗所需的實驗儀器、實驗材料、測試費用比較昂貴而常常無法開展,仿真實驗則起到了較好的替代或補充。
(4)有利於激發學生學習興趣,培養學生的探究精神和創造性。對於仿真實驗,學生可自行組織、自由操作和調試,有助於學生深入理解實驗的設計思想;同時這種自主探索的實驗活動,可以極大地激發學生的學習興趣,最大限度地發揮學生的主動性和創造性。
二、仿真實驗教學中存在的問題
1.過於依賴仿真實驗
目前,由於師資力量有限、教學經費缺乏等原因,爲了完成教學大綱所規定的實驗教學學時數,仿真實驗項目成爲首選。正是基於仿真實驗的經濟性、快捷性、安全性等優點,部分高校將其作爲提高實驗教學學時數、防止實驗儀器耗損、節約實驗藥品及耗材費用的“法寶”。對於新建地方本科院校,爲了緩解硬件資源的不足,仿真實驗在實驗教學中的比重更爲突出。
然而過於依賴仿真實驗,會削弱學生對實驗儀器、藥品的認知程度,減弱學生對實驗儀器操作的熟練程度,降低學生解決實際問題的能力。[4]
2.仿真實驗與真實實驗相互獨立
從環境工程專業開設的實驗項目來看,仿真實驗與真實實驗幾乎都是獨立進行的,很少將仿真實驗與真實實驗聯合起來作爲一個實驗項目進行開設,從而無法發揮仿真實驗“預演”的優勢。究其原因,一方面是由於沒有充分認識到聯合開設實驗的優勢,認爲沒有必要;另一方面是由於實驗教學學時數偏少,無法同時開設實驗。
3.學生重視程度不夠
仿真實驗幾乎都是計算機設定程序下的驗證性實驗,通過簡單的鼠標點擊或鍵盤輸入即可完成,學生無論操作好壞對實驗結果影響不大。其結果是很多學生對仿真實驗不重視,認爲實驗過程簡單,隨便操作一下便可得到實驗結果,對實驗原理、數據分析也是一知半解,並未主動分析思考問題,最終導致實驗教學效果較差。
4.仿真實驗自主學習意識淡薄
當前,仿真實驗很多隻是作爲緩解學校實驗設備壓力、滿足實驗教學課時數的要求,而未真正思考仿真實驗的優勢所在。學生只是在教師的要求下進行某項仿真實驗,尚未形成仿真實驗自主學習意識,如課前利用仿真實驗預習相關知識點、課後利用仿真實驗強化理解相關知識、真實實驗開展前利用仿真實驗提前熟悉實驗過程等。
另外,仿真實驗軟件一般安裝在計算機上,只在實驗課上開放,平時學生無法接觸,這可能是學生無法充分利用仿真實驗進行自主學習的原因;同時,從某種程度上說這也是實驗教學資源的浪費。
三、仿真實驗教學的應對措施
1.加強仿真實驗與真實實驗的結合
雖然仿真實驗具有諸多優點,但是與真實實驗還存在一定的差距,若過於依賴仿真實驗,則不利於學生動手能力和創新思維的培養。[5]因此,仿真實驗不能完全替代真實實驗,其不應成爲專業實驗教學的主體,而應作爲真實實驗的有效補充和延伸。
仿真實驗可爲真實實驗做準備,利用仿真實驗爲真實實驗、生產實習等實踐課作好“預演”,可以使學生深入理解實驗原理、熟悉實驗過程、掌握實驗操作步驟,從而提前發現真實實驗過程中可能遇到的.問題,減少實驗錯誤,提高實驗效率,節約實驗成本。同時,通過仿真實驗預演和真實實驗驗證,還可以進一步強化學生實驗技能,提高實驗教學效果。
加強仿真實驗與真實實驗的結合,不僅有利於強化學生的工程意識,改進學生的思維模式;還有利於學生樹立全局觀念,預先對真實實驗形成整體認識。[6]例如,學生要進行城市污水處理廠的實習,可以提前使用“污水處理實習仿真”進行預參觀,使學生全面瞭解污水處理廠的工藝原理、工藝流程、構築物結構、設計參數、操作規程、安全事項等,從而形成一個整體認識;在此基礎上再進行生產實習,可以加深學生對專業內容的理解和掌握,達到滿意的實習效果。
2.改進仿真實驗軟件
爲了提高學生對仿真實驗的興趣和重視程度,應進一步改進現有仿真實驗軟件,增加一些設計性操作或考查試題。例如,每個仿真實驗的實驗裝置不直接給出,而只是提供各模擬組件或單元,要求學生自己操作組裝,這樣有利於加強學生對實驗裝置結構的瞭解,也可增加實驗的趣味性。再如,可在實驗原理、實驗內容、數據處理、實驗結果等之後設置若干考查試題,要求學生正確回答後才能進行下一步操作,從而促使學生深入理解、認真對待仿真實驗。
3.建立仿真實驗網絡開放式實驗室
通過仿真實驗網絡開放式實驗室,學生可以在教師規定的期限內隨時進入,自行在線完成指定的仿真實驗項目,也可根據自己的興趣開展其他仿真實驗,這不僅有效解決了實驗課時偏少的問題,而且激發了學生的學習興趣,使實驗教學內容在時間和空間上得到延伸。[7]
另外,仿真實驗網絡開放式實驗室的建立將爲學生開展自主學習提供先決條件,也可顯着提高實驗教學資源的利用率。
4.提高學生仿真實驗自主學習意識
教師應積極引導並鼓勵學生課外多利用仿真實驗進行自主學習,不僅可作爲真實實驗開展前的預實驗,也可作爲相關知識點的課前預習和課後複習。另外,要鼓勵學生自主設計、自行開展相關仿真實驗,激發學生的學習興趣,培養學生的探究精神和創造意識,形成仿真實驗自主學習之風。
四、結語
環境工程是一門實踐性很強的專業,加強實驗教學具有至關重要的作用。對於地方本科院校來說,仿真實驗的出現有效緩解了硬件資源的不足,顯着提高了環境工程專業實驗教學效果,但同時應清楚地認識到仿真實驗並不能完全替代真實實驗,它只是傳統實驗教學的必要補充和延伸。因此,在環境工程專業實驗教學過程中,應調節好仿真實驗與傳統實驗的關係,注重二者的相互結合,最大限度地發揮二者的優點,以促進實驗教學水平的提高。
