教学督导信息
【2024】（第185期）总第185期
沈阳农业大学第十二届教学督导室主办
二零二四年十二月十七日
虚拟仿真技术应用教学 “三个结合”提升教学效果
--介绍土环学院韩颖老师《水污染控制工程》课程的教学特点
督导员 刘彩华
本学期12月10日，我走进了韩颖老师的《水污染控制工程》课堂，韩老师讲的是第八章“污水的厌氧生物处理”，第二节“污水厌氧生物处理工艺”，其中一幅生动的模拟仿真“厌氧接触法工艺流程”动态图跃然屏幕，学生被仿真技术带来的动态工艺流程深深吸引，师生互动的良好课堂氛围使我印象深刻。课后通过与韩老师深入交流了解到，由于《水污染控制工程》是学生进入环境污染控制实习实践（设计）的基础课程，其实践性和应用性较强。单一传统教学方法难以获得预期的教学效果，因此，韩老师在教学过程中引用虚拟仿真技术，融入典型的水污染控制工程案例进行深入分析，通过翻转课堂开展交互式教学活动，激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性。现将韩老师的教学特点介绍如下。
一、虚拟仿真技术与传统教学结合
由于《水污染控制工程》的实践性和应用性较强，而目前又缺少同期的实习实践环境，所以学生对污水处理工艺及过程相关知识的掌握呈现出“碎片化”、“表面化”、“静态化”等特点，需要了解的水污染控制原理、流程、设计等过程靠描述却“看不清”；设备及建筑物的内部构造靠想象却“想不明”；如何解决实际水污染处理问题“搞不懂”。为了调动学生的学习兴趣，韩老师在教学过程中结合传统教学方法，应用了大量虚拟仿真技术，为学生提供更加直观、生动、沉浸式的学习体验，解决“看不清”、“想不明”、“搞不懂”的三大难题。
以往教学中，关于水污染处理工艺流程及设计部分，多采用语言描述及静态的图示方式，这就出现了前面讲的“看不清”、“想不明”、“搞不懂”三大难题。但现代虚拟仿真技术可以突破时间和空间的界限，逼真地模拟出水处理工艺以及设备运行的动态过程，学生可以在虚拟的场景和情境中对污水中污染物的去除过程、工艺流程等，从声觉、视觉上获得立体的、动态的、更直观、更深入的理解，很大程度解决了三大难题。
韩老师在保留传统教学方法基础上，将虚拟仿真技术充分应用于教学过程。在讲到“污染物在水体环境中的迁移与转化”内容时，利用虚拟仿真技术模拟不同污染物在水体中的扩散规律，使用虚拟仿真技术方法在PPT中设计一条动态流动的仿真模拟河流，反映污染物在河流里的实际扩散混合的动态过程，引导出污染物在河流中完全混合动态模型，帮助学生深入理解污染物的扩散规律。
由于虚拟仿真技术突破了时间和空间的限制，使学生可以随时随地地进行学习，不再受限于实验室、课堂等固定的场所，从而突破了传统授课方式的时空局限性，大大提高了学生参与度和教学效果；也为下一步实验室的实验和实际工作中的实践，打下良好的仿真实验基础。诸如此类模拟仿真技术的应用，韩老师在课程中共设计有30余处。
二、虚拟仿真技术与案例教学结合
虚拟仿真教学技术采用三维可视动画技术，可以将《水污染控制工程》中相关内容的水污染处理设备、单元过程的内部结构与状态，水污染控制处理的工艺流程等形象、直观、动态地呈现出来，学生的学习兴趣和积极性大大提高，参与感和参与度极大提升，为课程的交互式教学活动提供较大的可能性。韩老师在引入案例的教学设计中，强调在常用方法和重点工艺过程引入教学案例，并实时与学生进行讨论，增加师生互动，加强学生的课堂专注力和参与度，使教学氛围更加活跃，学生更加积极主动参与教学，进而提升学习效果。
韩老师在讲到“脱氮除磷活性污泥法工艺及其设计”内容时，引入哔哩哔哩软件平台利用模拟仿真技术进行的“水污染控制工艺流程设计”，该案例介绍了水污染控制工艺流程设计的全过程及计算等内容，让学生直观、立体地了解城市给水处理的大型工程实体模块和不同的工艺、结构设计、运行参数、设计要素及运行条件等。在讲到“接触氧化法”内容时，引入西安交通大学利用虚拟仿真技术进行的“某工业园区综合污水处理厂工艺设计”，该案例介绍了采用接触氧化法处理工业园区污水的工艺流程、设计参数和设备选型等，让学生直观了解接触氧化法在工业园区综合污水处理厂工艺设计中的动态工艺流程、设计要素及运行参数计算等。在讲到“化学混凝法”内容时，引入深圳大学利用虚拟仿真技术进行的“城市给水处理工艺设计”，该案例全面地再现给水水处理工艺流程、控制方案和操作过程，通过虚拟仿真手段，建立了进水的水质水量，让学生直观了解城市给水处理的大型工程实体模块和不同的工艺、结构设计、运行参数、设计要素及运行条件等。
针对每个案例，韩老师都会依据水污染控制工程课程的性质和特点，在教学过程中尽可能引用虚拟仿真技术来演示。通过动态模拟、工艺设备的剖析等仿真模拟展示，将课程中涵盖的工艺单元、工艺过程和单体设备运行等所涉及的重要知识点，直观、真实地展示出来，不仅能够弥补不能剖开建筑物和单体设备看内部构造的不足，还可以通过仿真模拟出整个污水处理厂的建设、运行情况，帮助学生更好地理解和掌握水污染控制工程知识，提高他们的实践能力、创新能力和解决实际工程问题能力。这样，学生不再是知识的被动接受者，而是可以积极主动地参与到虚拟场景中，进行操作、探索和实践。这种参与性和互动性能够极大地提高学生的学习积极性，培养他们的实践能力和解决问题的能力。
三、虚拟仿真技术与翻转课堂结合
韩老师充分挖掘虚拟仿真技术的潜力，为学生提供更多的虚拟实践机会。通过利用虚拟仿真技术，模拟真实场景和实验过程，让学生在虚拟环境中进行多次水污染控制处理实践，理论知识与实际应用相结合，增加学生的实践经验和操作技能。韩老师是通过翻转课堂来实现这一教学目标的，并且在翻转课堂中，韩老师引导和调动学生充分利用虚拟仿真技术来体现学习效果，并计入考核过程和考核成果中。
作为教学活动的组织者和引领者，韩老师在备课过程中，通过各种网络平台学习虚拟仿真教学所需的技术和软件；根据《水污染控制工程》的教学目标和学情特点，通过翻转课堂引导学生进行探索和实践。在本学期的翻转课堂中，韩老师设计了三次课堂讨论环节，包括：一是“活性污泥法系统运行和管理”中关于“活性污泥法各工艺的优缺点”内容展开的“A2O、倒置A2O和改良A2O工艺大比武”的讨论；二是“膜析法”关于“各种膜的性质特点”内容展开的“谁是膜中之王”的讨论；三是“污泥的处理与处置”中关于“污泥的最终处置”内容展开的“尘归尘、土归土，污泥魂归何处”的讨论。除此之外，韩老师还在翻转课堂设计了二次学生学习成果汇报。
1.课前准备：明确在翻转课堂中需要完成的讨论和汇报内容以及形式等，是平时成绩考核的一部分，并且强调在汇报讲解中引入虚拟仿真技术的图像或视频是重要的加分项。提醒学生翻阅课程前期讲授的课件、案例等，要求学生通过自主学习的方式选择感兴趣的污水处理工艺或者新技术等，独立查阅文献、选择工艺技术，查找适合的仿真图像或高清视频，形成完整的汇报内容，制作好PPT，在课堂上以PPT的形式汇报讲解，并与老师同学展开深入讨论，强调学生学习的主动性和参与度，以及师生之间的互动程度。
2.课堂实施：在翻转课堂环节，学生按序轮流进行讨论发言或成果汇报，针对问题和疑惑，韩教师首先提问其他同学，看是否能够回答上来，然后适时给予讨论发言和汇报讲解的同学以引导和帮助；韩老师还会根据学生的讨论和汇报内容，进行适当的知识点补充和拓展，帮助学生更好地融合课内外知识，夯实水污染控制工程理论基础，形成更完整的知识体系。有接近1/3的同学会在汇报过程中，以虚拟仿真的图像或视频展示自己要讲解的工艺过程或技术原理。全班同学汇报结束时，韩老师都一一进行总结评价，肯定同学们准备的工作量和完成质量，提出改进和完善的建议。
3.课后补充：韩老师要求学生在课后对自己讨论和汇报的内容，在课上老师的引导和拓展的基础上，总结或补充内容上的不足，完成PPT的修改完善；已经应用虚拟仿真技术图像或视频的同学提出表扬并进一步完善；没有采用虚拟仿真技术的同学要向已应用的同学学习，争取加上虚拟仿真图，直到最后完整完善。最终学生完成PPT修改后，提交给韩教师，韩老师再进行评价和评分。总的来讲，通过翻转课堂，学生对课堂学习的参与度有了显著提升，积极发言、讨论的学生比例增加，变被动为主动的学习氛围已然形成，师生交互式教学更加深入，从而也加深了学生对水污染控制工程知识的理解和运用，深受学生喜欢。
本期信息传至：王铁良副校长、王海龙副校长、孙光国副校长，教务处、研究生院领导，学院负责本科教育、研究生教育领导，全体督导员
