实验教学是环境工程专业教学的重要组成部分,是对学生基础理论知识、专业知识、基本实验技能、独立分析问题和解决问题的综合考查。通过实验教学,有利于激发学生学习兴趣、强化学生基础理论知识、提高学生分析解决实践问题的能力、培养学生的创新思维。[1]
实验教学分为传统实验(真实实验)教学和仿真实验教学。仿真实验教学是传统实验教学的必要补充和延伸,它作为一种新型的实验教学模式,已在我国高校环境工程专业实验教学中得到了应用。[2]
为了适应新形势,地方本科院校应认真分析目前仿真实验教学中存在的问题,积极进行实验教学改革,充分发挥仿真实验教学的优势,进一步提高环境工程专业学生的实践能力。
一、仿真实验简介
仿真实验是利用计算机创建一个可视化的实验操作环境,通过这些虚拟实验仪器或设备开展实验,达到与真实实验相一致的教学目的和要求。[3]目前,环境工程专业开设的仿真实验项目有自由沉淀实验、过滤实验、混凝实验、气浮实验、曝气充氧实验、活性污泥实验、碱液吸收SO2实验、旋风除尘器性能实验、污水处理实习仿真,涉及的专业课程包括“环境工程原理”、“环境工程学”、“水污染控制工程”、“水处理设备设计与应用”、“大气污染控制工程”、“流体力学”。与传统实验相比,仿真实验具有以下优点:
(1)使用便捷,可以灵活开展实验。仿真实验只需计算机和相关软件即可,学生可以随时随地完成相关实验。
(2)操作简单,交互性好。仿真实验具有良好的人机交互界面和帮助文档,能随时对学生给予提示和帮助。
(3)成本低廉,可以重复开展实验。仿真实验是虚拟环境下的实验,即使操作不当,也不会损坏仪器,实验成本低廉。同时,由于某些真实实验所需的实验仪器、实验材料、测试费用比较昂贵而常常无法开展,仿真实验则起到了较好的.替代或补充。
(4)有利于激发学生学习兴趣,培养学生的探究精神和创造性。对于仿真实验,学生可自行组织、自由操作和调试,有助于学生深入理解实验的设计思想;同时这种自主探索的实验活动,可以极大地激发学生的学习兴趣,最大限度地发挥学生的主动性和创造性。
二、仿真实验教学中存在的问题
1.过于依赖仿真实验
目前,由于师资力量有限、教学经费缺乏等原因,为了完成教学大纲所规定的实验教学学时数,仿真实验项目成为首选。正是基于仿真实验的经济性、快捷性、安全性等优点,部分高校将其作为提高实验教学学时数、防止实验仪器耗损、节约实验药品及耗材费用的“法宝”。对于新建地方本科院校,为了缓解硬件资源的不足,仿真实验在实验教学中的比重更为突出。
然而过于依赖仿真实验,会削弱学生对实验仪器、药品的认知程度,减弱学生对实验仪器操作的熟练程度,降低学生解决实际问题的能力。[4]
2.仿真实验与真实实验相互独立
从环境工程专业开设的实验项目来看,仿真实验与真实实验几乎都是独立进行的,很少将仿真实验与真实实验联合起来作为一个实验项目进行开设,从而无法发挥仿真实验“预演”的优势。究其原因,一方面是由于没有充分认识到联合开设实验的优势,认为没有必要;另一方面是由于实验教学学时数偏少,无法同时开设实验。
3.学生重视程度不够
仿真实验几乎都是计算机设定程序下的验证性实验,通过简单的鼠标点击或键盘输入即可完成,学生无论操作好坏对实验结果影响不大。其结果是很多学生对仿真实验不重视,认为实验过程简单,随便操作一下便可得到实验结果,对实验原理、数据分析也是一知半解,并未主动分析思考问题,最终导致实验教学效果较差。
4.仿真实验自主学习意识淡薄
当前,仿真实验很多只是作为缓解学校实验设备压力、满足实验教学课时数的要求,而未真正思考仿真实验的优势所在。学生只是在教师的要求下进行某项仿真实验,尚未形成仿真实验自主学习意识,如课前利用仿真实验预习相关知识点、课后利用仿真实验强化理解相关知识、真实实验开展前利用仿真实验提前熟悉实验过程等。
另外,仿真实验软件一般安装在计算机上,只在实验课上开放,平时学生无法接触,这可能是学生无法充分利用仿真实验进行自主学习的原因;同时,从某种程度上说这也是实验教学资源的浪费。
三、仿真实验教学的应对措施
1.加强仿真实验与真实实验的结合
虽然仿真实验具有诸多优点,但是与真实实验还存在一定的差距,若过于依赖仿真实验,则不利于学生动手能力和创新思维的培养。[5]因此,仿真实验不能完全替代真实实验,其不应成为专业实验教学的主体,而应作为真实实验的有效补充和延伸。
仿真实验可为真实实验做准备,利用仿真实验为真实实验、生产实习等实践课作好“预演”,可以使学生深入理解实验原理、熟悉实验过程、掌握实验操作步骤,从而提前发现真实实验过程中可能遇到的问题,减少实验错误,提高实验效率,节约实验成本。同时,通过仿真实验预演和真实实验验证,还可以进一步强化学生实验技能,提高实验教学效果。
加强仿真实验与真实实验的结合,不仅有利于强化学生的工程意识,改进学生的思维模式;还有利于学生树立全局观念,预先对真实实验形成整体认识。[6]例如,学生要进行城市污水处理厂的实习,可以提前使用“污水处理实习仿真”进行预参观,使学生全面了解污水处理厂的工艺原理、工艺流程、构筑物结构、设计参数、操作规程、安全事项等,从而形成一个整体认识;在此基础上再进行生产实习,可以加深学生对专业内容的理解和掌握,达到满意的实习效果。
2.改进仿真实验软件
为了提高学生对仿真实验的兴趣和重视程度,应进一步改进现有仿真实验软件,增加一些设计性操作或考查试题。例如,每个仿真实验的实验装置不直接给出,而只是提供各模拟组件或单元,要求学生自己操作组装,这样有利于加强学生对实验装置结构的了解,也可增加实验的趣味性。再如,可在实验原理、实验内容、数据处理、实验结果等之后设置若干考查试题,要求学生正确回答后才能进行下一步操作,从而促使学生深入理解、认真对待仿真实验。
3.建立仿真实验网络开放式实验室
通过仿真实验网络开放式实验室,学生可以在教师规定的期限内随时进入,自行在线完成指定的仿真实验项目,也可根据自己的兴趣开展其他仿真实验,这不仅有效解决了实验课时偏少的问题,而且激发了学生的学习兴趣,使实验教学内容在时间和空间上得到延伸。[7]
另外,仿真实验网络开放式实验室的建立将为学生开展自主学习提供先决条件,也可显着提高实验教学资源的利用率。
4.提高学生仿真实验自主学习意识
教师应积极引导并鼓励学生课外多利用仿真实验进行自主学习,不仅可作为真实实验开展前的预实验,也可作为相关知识点的课前预习和课后复习。另外,要鼓励学生自主设计、自行开展相关仿真实验,激发学生的学习兴趣,培养学生的探究精神和创造意识,形成仿真实验自主学习之风。
四、结语
环境工程是一门实践性很强的专业,加强实验教学具有至关重要的作用。对于地方本科院校来说,仿真实验的出现有效缓解了硬件资源的不足,显着提高了环境工程专业实验教学效果,但同时应清楚地认识到仿真实验并不能完全替代真实实验,它只是传统实验教学的必要补充和延伸。因此,在环境工程专业实验教学过程中,应调节好仿真实验与传统实验的关系,注重二者的相互结合,最大限度地发挥二者的优点,以促进实验教学水平的提高。
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