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(shí)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(biāo)，以解決復(fù)雜環(huán)境污染問(wèn)題、全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)為導(dǎo)向，從調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣出發(fā)，設(shè)計(jì)并探討了環(huán)境工程“新工科智慧教學(xué)”的新模式。將虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、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(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)中，結(jié)合多元化的教學(xué)手段與方法，建設(shè)智慧課堂。同時(shí)，設(shè)計(jì)“課堂-實(shí)驗(yàn)-實(shí)習(xí)-工廠-仿真”一體化云端智慧教學(xué)新模式，打造“教學(xué)、科研、培訓(xùn)、開發(fā)”一體化智能教育平臺(tái)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)資源的共享。

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

　　環(huán)境工程是一個(gè)實(shí)踐性和應(yīng)用性非常強(qiáng)的多學(xué)科交叉的新興學(xué)科，是倡議新興產(chǎn)業(yè)涉及的重要學(xué)科之一。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和環(huán)境治理的相對(duì)滯后性，各種復(fù)雜的環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，亟需先進(jìn)的污染治理技術(shù)以及卓越的環(huán)境工程專業(yè)人才來(lái)解決復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，從而推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。環(huán)境工程專業(yè)主要培養(yǎng)能夠運(yùn)用工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)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(cè)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(xué)科交叉融合的特點(diǎn)及其較強(qiáng)的實(shí)踐性和創(chuàng)新性要求，培養(yǎng)的人才除了具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)外，還應(yīng)具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，而傳統(tǒng)的環(huán)境工程教育教學(xué)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(shí)代和智能時(shí)代的到來(lái)，人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)挖掘等新興技術(shù)為工科教育教學(xué)模式和方法的更新，帶來(lái)了新的契機(jī)和活力[2]。在新形勢(shì)下，面對(duì)日益復(fù)雜的環(huán)境問(wèn)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(xué)深度融合應(yīng)用與創(chuàng)新，為響應(yīng)“全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)”重大倡議需求，培養(yǎng)具有“德才兼?zhèn)洹㈩I(lǐng)袖氣質(zhì)、家國(guó)情懷”、具備創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力、工程領(lǐng)導(dǎo)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(xué)科在新工科建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題[3]。此外，當(dāng)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(shí)，現(xiàn)場(chǎng)理論和實(shí)踐教學(xué)難以實(shí)現(xiàn)，而基于互聯(lián)網(wǎng)的信息化教學(xué)模式將為人才培養(yǎng)搭建更為廣闊的平臺(tái)。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(biāo)，以解決復(fù)雜環(huán)境污染問(wèn)題、全面推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)和探討智能時(shí)代下環(huán)境工程專業(yè)課堂、實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)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(jì)算、虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)到未來(lái)環(huán)境工程專業(yè)的教育教學(xué)中。

　　一、傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問(wèn)題

　　（一）教學(xué)內(nèi)容更新較慢

　　面對(duì)日益復(fù)雜的環(huán)境污染問(wèn)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(shí)，由于青年教師實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的有限，往往在理論課授課時(shí)，無(wú)法及時(shí)與學(xué)生分享教材中未涉及的最新工程案例，導(dǎo)致課堂教學(xué)僅僅局限于教材內(nèi)容的講授，缺乏實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。教材和教學(xué)內(nèi)容更新的滯后性，使得學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用有一定的分隔。

　　（二）理論課教學(xué)模式的單一

　　目前，理論課的教學(xué)模式多采用“ppt+板書”的形式。環(huán)境工程是應(yīng)用性非常強(qiáng)的學(xué)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(guò)文字和圖片的方式呈現(xiàn)，直觀性差，枯燥乏味，難以被學(xué)生理解和掌握。這種“填鴨式”的單一輸入教學(xué)模式，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)主動(dòng)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(xué)新模式，借助“互聯(lián)網(wǎng)+”，將智慧教學(xué)新模式和新理論引入到傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

　　（三）實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課教學(xué)資源有限

　　傳統(tǒng)環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生多人分組進(jìn)行，由于設(shè)備數(shù)量和規(guī)模有限，難以保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。而且，對(duì)于一些高危險(xiǎn)、高成本、高消耗和高污染的實(shí)驗(yàn)，基本無(wú)法開展。再者，對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)，由于工廠企業(yè)的很多大型、精密或具有危險(xiǎn)性的設(shè)施和設(shè)備無(wú)法提供給學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作，導(dǎo)致學(xué)生只能“走馬觀花”式的對(duì)工藝流程和處理設(shè)備進(jìn)行一個(gè)膚淺的外觀認(rèn)識(shí)，無(wú)法深入了解設(shè)備裝置特點(diǎn)和操作要點(diǎn)，對(duì)于設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工藝運(yùn)行參數(shù)認(rèn)識(shí)不清，掌握不深刻，學(xué)生參與度低，實(shí)習(xí)實(shí)踐效果非常差。學(xué)生工作后，需要重新經(jīng)歷一個(gè)實(shí)踐學(xué)習(xí)的過(guò)程，難以滿足環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)與區(qū)域建設(shè)倡議的需求。因此，亟需對(duì)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行改革，以期真正實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相融合，全面提升學(xué)生的實(shí)踐能力和解決問(wèn)題的能力。身處互聯(lián)網(wǎng)為核心的智能時(shí)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(shí)代環(huán)境工程“新工科智慧教學(xué)”的設(shè)計(jì)與探索

　　（一）基于“互聯(lián)網(wǎng)/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）+教育”課堂教學(xué)新模式設(shè)計(jì)1.基于“互聯(lián)網(wǎng)/VR/AR”的智慧課堂建設(shè)，增強(qiáng)課堂教學(xué)的生動(dòng)性和互動(dòng)性虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality，VR）技術(shù)是指采用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)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(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)發(fā)展迅速，在教育、軍事、科研、醫(yī)學(xué)和娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[6-7]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AugmentedReality，AR）技術(shù)是在VR基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興技術(shù)，它將計(jì)算機(jī)虛擬場(chǎng)景融合到真實(shí)世界中，對(duì)真實(shí)世界的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，從而使用戶對(duì)真實(shí)世界的感官和認(rèn)識(shí)加強(qiáng)[8-9]。將虛擬仿真、VR、AR等技術(shù)引入到新工科的教學(xué)中，建設(shè)包括常規(guī)課堂教學(xué)的教師區(qū)、學(xué)生區(qū)、多屏互動(dòng)教學(xué)區(qū)、沉浸式體驗(yàn)教學(xué)區(qū)和混合現(xiàn)實(shí)互動(dòng)教學(xué)區(qū)等的“智慧教室”（如圖1所示），并融合多元化的教學(xué)方法，開展“智慧課堂”的全新教學(xué)模式。

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

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

　　（2）基于大數(shù)據(jù)模擬環(huán)境污染修復(fù)全流程，培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷由于環(huán)境污染修復(fù)是一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程，例如土壤修復(fù)、黑臭水體修復(fù)、湖泊富營(yíng)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(xué)生對(duì)此類修復(fù)技術(shù)僅僅停留在書本的文字介紹上。可以利用大數(shù)據(jù)對(duì)流域或者土壤污染修復(fù)全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，快速動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)污染修復(fù)的全過(guò)程，讓學(xué)生實(shí)實(shí)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(shí)的喜悅，培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保精神和家國(guó)情懷，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)自豪感和責(zé)任感，使學(xué)生牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念。

　　（二）基于“虛擬仿真/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課智慧教學(xué)新模式設(shè)計(jì)

　　1.基于“虛擬仿真、VR、AR技術(shù)”的智慧實(shí)驗(yàn)教學(xué)，全面提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力傳統(tǒng)環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)受諸多因素限制，例如實(shí)驗(yàn)儀器或模型構(gòu)筑物占地面積大、維護(hù)費(fèi)用高；實(shí)驗(yàn)分組人數(shù)過(guò)多、難以實(shí)現(xiàn)一人一設(shè)備；并且實(shí)驗(yàn)課程具有一定的危險(xiǎn)性，存在“三廢”處理問(wèn)題，使學(xué)生無(wú)法真正得到有效地培養(yǎng)與訓(xùn)練。借助于虛擬仿真、VR和AR手段，使不可及、不可視、高風(fēng)險(xiǎn)和高污染等操作過(guò)程變得直觀、形象，具有可操作性，有效地解決了學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手難的問(wèn)題。學(xué)生可以先在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)熟悉儀器裝置、認(rèn)識(shí)流程及控制方案，在線虛擬操作，再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)操作，大大降低了設(shè)備的損壞風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約維護(hù)成本。同時(shí)，借助基于AR技術(shù)，學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，通過(guò)手機(jī)APP掃描儀器的相應(yīng)位置，可以直觀、立體地學(xué)習(xí)儀器原理和操作步驟。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)如何使用氣相色譜時(shí)，用手機(jī)攝像頭掃描色譜柱，色譜柱的三維模型結(jié)構(gòu)就會(huì)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(shí)習(xí)工廠，提升學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)踐能力生產(chǎn)實(shí)習(xí)是將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐認(rèn)知相結(jié)合的階段，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)習(xí)，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)應(yīng)該有更深入的理解。然而，傳統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)，學(xué)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(xué)的基本理論運(yùn)用到實(shí)踐中，更難進(jìn)行實(shí)踐操作。虛擬仿真和VR技術(shù)可以為生產(chǎn)實(shí)習(xí)的開展，提供有力的補(bǔ)充。基于虛擬仿真工廠，學(xué)生可以十分逼真地模擬現(xiàn)場(chǎng)操作。通過(guò)改變運(yùn)行參數(shù)，學(xué)生可以了解設(shè)備整個(gè)運(yùn)行和維護(hù)的全流程，并且通過(guò)虛擬仿真，學(xué)生可以試錯(cuò)，從而有效避免實(shí)際生產(chǎn)中各種事故的發(fā)生。此外，通過(guò)VR漫游系統(tǒng)，學(xué)生可以在虛擬工程項(xiàng)目中反復(fù)觀察，沉浸式體驗(yàn)，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(shí)習(xí)，可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和工程意識(shí)。我們通過(guò)構(gòu)建“教室-實(shí)驗(yàn)室-工廠”三位一體的工程教育資源，可以實(shí)現(xiàn)“將工廠搬進(jìn)學(xué)校”的理念。這種“拓展綜合、隨需而變、虛實(shí)結(jié)合、啟迪創(chuàng)意”的全新工程訓(xùn)練體系，可以顯著提高學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為將來(lái)進(jìn)入企業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，實(shí)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(qiáng)的學(xué)科。面對(duì)日益復(fù)雜的環(huán)境問(wèn)題和日新月異的先進(jìn)技術(shù)，身處互聯(lián)網(wǎng)為核心的智能時(shí)代，將“虛擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、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(jìn)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(duì)于復(fù)合型環(huán)境工程人才培養(yǎng)是十分必要的。未來(lái)環(huán)境工程“新工科智慧教學(xué)”應(yīng)該是基于“線上、線下、線上線下混合以及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)”四位一體的新模式（如圖6所示）：

　　（1）通過(guò)線上慕課（MOOC）學(xué)習(xí)、客戶端虛擬仿真操作以及云端課的學(xué)習(xí)，可以提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研興趣；

　　（2）通過(guò)線下智慧教室的VR沉浸式體驗(yàn)，以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的仿真學(xué)習(xí)，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，夯實(shí)工科基礎(chǔ)；

　　（3）基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，開展線上線下混合式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)從“以教師講授為主”向“以學(xué)生學(xué)習(xí)為主”的模式轉(zhuǎn)變；

　　（4）基于VR/AR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)原理學(xué)習(xí)與操作，基于虛擬仿真工廠的實(shí)習(xí)實(shí)踐以及參與虛擬仿真設(shè)計(jì)大賽和“VR/AR+環(huán)境工程”創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽，全面提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力。未來(lái)智慧教學(xué)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(jī)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(lái)通過(guò)建設(shè)“課堂實(shí)驗(yàn)-實(shí)習(xí)-工廠-仿真”一體化云端教學(xué)平臺(tái)，打造“教學(xué)、科研、培訓(xùn)、開發(fā)”一體化的智能教育平臺(tái)，可以全面提升環(huán)境工程專業(yè)教育教學(xué)及人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

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