高危環(huán)境事件中大氣污染探測(cè)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安俊琳，項(xiàng) 磊，呂晶晶，朱 彬

高危環(huán)境事件中大氣污染探測(cè)虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

安俊琳，項(xiàng) 磊，呂晶晶，朱 彬

（南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，江蘇 南京 210044）

根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)，定位實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，綜合設(shè)計(jì)了高危環(huán)境事件中大氣污染探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程結(jié)構(gòu)，通過互動(dòng)式、自主式和探究式學(xué)習(xí)方式，形成了覆蓋預(yù)習(xí)、設(shè)計(jì)、實(shí)施、考核全過程的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。該系統(tǒng)包括18個(gè)知識(shí)點(diǎn)，分為實(shí)驗(yàn)原理及技術(shù)規(guī)范、環(huán)境污染事件發(fā)生特征、環(huán)境探測(cè)方法選擇要點(diǎn)、大氣環(huán)境探測(cè)操作和環(huán)境事件中獲得污染物、氣象數(shù)據(jù)計(jì)算分析及預(yù)測(cè)預(yù)警響應(yīng)服務(wù)等5個(gè)模塊。

大氣污染探測(cè)；大氣科學(xué)；虛擬仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

高校實(shí)驗(yàn)室是高校教學(xué)、科研的重要基地[1-4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是我國高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要發(fā)展方向，該教學(xué)方式為學(xué)生開展探究式自主實(shí)驗(yàn)、合作式學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)踐提供了先進(jìn)的手段和開放的平臺(tái)[5-6]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)綜合運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通信等多種技術(shù)，通過逼真的可視化實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中進(jìn)行高效、安全、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，使沒有真實(shí)驗(yàn)條件的實(shí)驗(yàn)得以進(jìn)行，并得到較好的教學(xué)效果[7-10]。

為了推動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，教育部于2017年啟動(dòng)國家級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的認(rèn)定工作。南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)與氣象信息虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心2013年獲批國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，是江蘇省唯一的國家級(jí)大氣科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。該中心的建設(shè)和發(fā)展對(duì)于大氣科學(xué)和環(huán)境氣象創(chuàng)新型專業(yè)人才培養(yǎng)具有重要意義[11]。

高危環(huán)境事件中的大氣污染監(jiān)測(cè)實(shí)習(xí)課程教學(xué)具有高污染、高危險(xiǎn)的特征，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)的限制，常常無法滿足每個(gè)學(xué)生都動(dòng)手操作的需求；而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以有效彌補(bǔ)這些不足[12-13]，較好地幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)訓(xùn)練，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

1 虛擬仿真教學(xué)目標(biāo)

高危環(huán)境事件是指由于污染物排放、自然災(zāi)害或生產(chǎn)安全事故等原因，導(dǎo)致污染物（包括放射性污染物）等進(jìn)入大氣、水體、土壤等環(huán)境介質(zhì)，造成環(huán)境質(zhì)量下降、危及公眾身體健康和財(cái)產(chǎn)安全，需要采取緊急措施予以應(yīng)對(duì)的事件[14-15]。大氣環(huán)境探測(cè)是控制環(huán)境污染的重要工作之一，是制定應(yīng)對(duì)措施（污染研判、人員疏散等）和災(zāi)情評(píng)估的重要依據(jù)。社會(huì)對(duì)于大氣環(huán)境探測(cè)類人才具有迫切、持續(xù)的需求。

大氣環(huán)境探測(cè)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)造精神是環(huán)境類專業(yè)學(xué)生必備的基本素質(zhì)。環(huán)境科學(xué)類專業(yè)本科生教育的定位是培養(yǎng)高素質(zhì)環(huán)境科學(xué)技術(shù)人才，環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)保技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用單位對(duì)環(huán)境類專業(yè)畢業(yè)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神也有較高要求。與多數(shù)環(huán)境類專業(yè)課程相比，大氣環(huán)境類專業(yè)課程比較特殊，該專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)往往需要外場(chǎng)大型大氣環(huán)境探測(cè)和實(shí)驗(yàn)材料消耗，建設(shè)和運(yùn)行成本非常高，而且具有一定危險(xiǎn)性，若操作失誤可能危及人身安全和空域航空安全。開發(fā)環(huán)境事件中大氣污染和氣象條件探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可在很大程度上解決大氣環(huán)境類實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中高危環(huán)境事件難以重復(fù)、探測(cè)器飛行空域管制等難題，并且避免了使用易燃易爆氣體，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安全。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容是大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及實(shí)驗(yàn)課程的重要組成，課程建設(shè)的目標(biāo)是：

（1）以5種典型大氣環(huán)境觀測(cè)方法為例，了解并初步掌握大氣環(huán)境觀測(cè)儀器的結(jié)構(gòu)和操作方法，理解環(huán)境事件中污染物濃度分布特征與大氣擴(kuò)散能力的關(guān)系；

（2）通過對(duì)大氣污染物和氣象條件觀測(cè)流程的在線學(xué)習(xí)與操作，掌握大氣環(huán)境探測(cè)的操作流程，增加學(xué)生對(duì)大氣環(huán)境實(shí)驗(yàn)操作流程的感性認(rèn)識(shí)；

（3）通過大氣環(huán)境和氣象要素觀測(cè)儀器的操作及資料分析，掌握環(huán)境事件下如何綜合利用觀測(cè)資料進(jìn)行大氣污染程度和持續(xù)時(shí)間的計(jì)算；

（4）通過設(shè)置不同天氣背景類型和大氣擴(kuò)散系數(shù)中污染物傳輸過程的對(duì)比分析，提升學(xué)生對(duì)環(huán)境事件中大氣污染監(jiān)測(cè)和趨勢(shì)研判協(xié)同工作的能力。

2 虛擬仿真教學(xué)設(shè)計(jì)思路

高危環(huán)境事件中大氣污染探測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括排放源強(qiáng)度對(duì)環(huán)境事件中污染物濃度分布的影響、天氣條件對(duì)環(huán)境事件中濃度擴(kuò)散的作用、邊界層結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境事件中污染物傳輸?shù)淖饔?、不同環(huán)境事件中選取大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的原則、幾種典型大氣環(huán)境和氣象條件觀測(cè)方法、環(huán)境事件中污染物擴(kuò)散濃度和持續(xù)時(shí)間計(jì)算、預(yù)測(cè)預(yù)警決策服務(wù)制定等內(nèi)容。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含18個(gè)知識(shí)點(diǎn)，按照功能分為5個(gè)模塊。

（1）實(shí)驗(yàn)原理及技術(shù)規(guī)范介紹模塊：預(yù)習(xí)并掌握環(huán)境事件基本知識(shí)、本實(shí)驗(yàn)儀器操作規(guī)范和資料計(jì)算方法等3個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目知識(shí)點(diǎn)

（2）環(huán)境污染事件特征研判模塊：掌握污染物排放源類型和氣象穩(wěn)定度條件對(duì)污染物擴(kuò)散的影響特征，掌握環(huán)境事件時(shí)空特征、環(huán)境事件污染排放特征、天氣形勢(shì)對(duì)環(huán)境事件的影響和穩(wěn)定度對(duì)環(huán)境事件的影響。

（3）環(huán)境探測(cè)裝備和方法模塊：掌握大氣環(huán)境和氣象條件探測(cè)常用系留汽艇操作、無人機(jī)探空操作、雙經(jīng)緯儀測(cè)風(fēng)、照相法測(cè)煙云和小球探空操作等5種規(guī)范化實(shí)驗(yàn)操作流程。

（4）大氣環(huán)境探測(cè)操作模塊：掌握不同觀測(cè)手段所獲取資料的差異，不同方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，包括觀測(cè)點(diǎn)位選取和外場(chǎng)儀器操作。

（5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論考核模塊：掌握大氣環(huán)境探測(cè)中5種基本探測(cè)方法和大氣穩(wěn)定度特征對(duì)污染物濃度和濃度超標(biāo)持續(xù)時(shí)間的關(guān)系，掌握大氣環(huán)境和氣象探空資料的分析方法。

通過知識(shí)預(yù)習(xí)、探測(cè)方式設(shè)計(jì)、大氣環(huán)境探測(cè)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)報(bào)告及問答題，實(shí)現(xiàn)在線學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)實(shí)施和考核過程。

3 虛擬仿真教學(xué)特色

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)采用案例互動(dòng)式、學(xué)生自主式和探究式學(xué)習(xí)，建立了覆蓋實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、設(shè)計(jì)、實(shí)施、考核全過程的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，既可強(qiáng)化學(xué)生在開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)前對(duì)操作流程和儀器使用的感性認(rèn)識(shí)，也可很好地解決環(huán)境污染事件重復(fù)難、實(shí)體觀測(cè)實(shí)驗(yàn)成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大、示教效果差的問題，實(shí)現(xiàn)完整、低成本、安全的實(shí)驗(yàn)過程全覆蓋。在實(shí)驗(yàn)的實(shí)施中注重文字、圖片、動(dòng)畫、視頻等各種媒介的教學(xué)準(zhǔn)備，開通網(wǎng)站討論區(qū)和網(wǎng)絡(luò)討論群，開展線上討論、線下交流，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果得到提升。

以實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)過程中所涉及的環(huán)境事件設(shè)計(jì)、探測(cè)儀器設(shè)計(jì)和獲取數(shù)據(jù)計(jì)算分析為考點(diǎn)，按照各模塊在本實(shí)驗(yàn)中的比例，形成虛實(shí)結(jié)合的考核評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)、練習(xí)、數(shù)據(jù)計(jì)算的全覆蓋。通過學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作過程中反映出自主性、探究性以及合作精神，綜合考量學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容掌握程度、對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)和性能的熟悉程度、對(duì)儀器組合搭配的協(xié)調(diào)能力、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完整性。

學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備，在線預(yù)習(xí)、操作、進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、答題，在線完成大氣環(huán)境探測(cè)實(shí)習(xí)中涉及的教學(xué)內(nèi)容，既解決了以往學(xué)生在進(jìn)入實(shí)體實(shí)驗(yàn)室前對(duì)實(shí)驗(yàn)規(guī)范化操作流程認(rèn)識(shí)不足的缺點(diǎn)，還為環(huán)境事件重復(fù)設(shè)計(jì)、比較各參數(shù)的變化提供了條件，大大提高了學(xué)生對(duì)大氣環(huán)境探測(cè)的深入理解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比于傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)，具有學(xué)生主動(dòng)參與度高、學(xué)習(xí)時(shí)間和空間靈活等優(yōu)勢(shì)，減少了實(shí)體實(shí)驗(yàn)的局限性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容深度和廣度得以加強(qiáng)，減少了實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的高成本、高周期、具有危險(xiǎn)性的弊端。此外，線上討論區(qū)和線下討論群的交流形式，極大地延伸了學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的空間、時(shí)間和交流途徑。

本虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)具有案例互動(dòng)、學(xué)生進(jìn)行自主和探究式學(xué)習(xí)的特色。

（1）案例互動(dòng)式教學(xué)。通過準(zhǔn)備大量實(shí)際樣本資料作為虛擬仿真系統(tǒng)環(huán)境事件個(gè)例，學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行案例虛擬仿真練習(xí)，借助線上討論區(qū)和線下討論群進(jìn)行交流互動(dòng)，在交流中加深對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的理解。例如在環(huán)境事件設(shè)計(jì)中提供不同類型的環(huán)境事件，提供學(xué)生開展大氣環(huán)境探測(cè)和預(yù)警預(yù)測(cè)服務(wù)，在指導(dǎo)教師的組織引導(dǎo)下，就爆炸點(diǎn)高度、污染物釋放強(qiáng)度和天氣條件等因素進(jìn)行討論交流。

（2）學(xué)生自主式教學(xué)。通過設(shè)置大氣污染物、儀器選型、環(huán)境氣象條件等豐富多樣的參數(shù)設(shè)置選擇，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主式學(xué)習(xí)，養(yǎng)成主動(dòng)獲取知識(shí)的習(xí)慣，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)驗(yàn)和自主創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和考核方式體現(xiàn)學(xué)生的自主地位，開展多層次、多元化教學(xué)。例如在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)習(xí)階段，通過系統(tǒng)網(wǎng)站文字、圖片和視頻材料介紹本項(xiàng)目所用到的基本實(shí)驗(yàn)原理、儀器操作方法和操作過程等，使學(xué)生時(shí)間靈活、空間方便地進(jìn)行自主式學(xué)習(xí)，拓展了傳統(tǒng)教學(xué)的深度和廣度。

（3）探究式學(xué)習(xí)。在虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)的實(shí)施中，讓學(xué)生通過閱讀、觀察、實(shí)驗(yàn)、思考、討論等途徑，主動(dòng)探究、自行發(fā)現(xiàn)并掌握相應(yīng)的原理和得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。以學(xué)生為主體，讓學(xué)生自覺、主動(dòng)地探索，在探索中找出規(guī)律、形成概念，建立認(rèn)知模型和學(xué)習(xí)方法架構(gòu)。例如：在環(huán)境事件設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同的排放源高度進(jìn)行單一參數(shù)敏感性實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)排放源高度對(duì)污染物擴(kuò)散的影響；在進(jìn)行天氣類型和邊界層參數(shù)設(shè)置時(shí)，在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下，開展熏煙型、扇型、環(huán)鏈型、錐型和屋脊型5種典型結(jié)構(gòu)的討論，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)這方面的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)及信息化教學(xué)引入高等教育教學(xué)，使教學(xué)方法多樣化，解決了教學(xué)中的瓶頸問題，在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)資源的共享和教學(xué)質(zhì)量的提高。南京信息工程大學(xué)建設(shè)的高危環(huán)境事件中大氣污染探測(cè)虛擬仿真系統(tǒng)是對(duì)信息化教學(xué)的初步嘗試與探索，在教學(xué)過程中還要逐步完善，以建成全方位、立體式的虛擬仿真系統(tǒng)為目標(biāo)，推動(dòng)實(shí)習(xí)教學(xué)模式的創(chuàng)新與改革，促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。

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Design and realization of virtual simulation system for air pollution detection in high-risk environmental events

AN Junlin, XIANG Lei, Lü Jingjing, ZHU Bin

(Virtual Simulation Experimental Teaching Center for Atmospheric Science and Meteorological Information, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)

According to the characteristics of the discipline and the orientation of the experimental teaching objectives, the course structure of the virtual simulation experiment for air pollution detection in high-risk environmental events is designed comprehensively. Through the attempt of interactive, autonomous and inquiry learning methods, a virtual experimental teaching system covering the whole process of the preview, design, implementation and assessment is formed. The system consists of 18 knowledge points which are divided into five modules such as the experimental principles and technical specifications, the characteristics of environmental pollution incidents, the selection of environmental detection methods, the operation of atmospheric environmental detection and pollutant acquisition from environmental incidents, the calculation and analysis of meteorological data, prediction, early warning and response services, etc.

air pollution detection; atmospheric sciences; virtual simulation; experimental teaching

G482

A

1002-4956(2019)10-0123-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.029

2019-03-29

國家自然基金項(xiàng)目（91544229）；國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)項(xiàng)目（教高廳函[2014]6號(hào)）；南京信息工程大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目（2017kf017）；江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”項(xiàng)目

安俊琳（1978—），男，新疆塔城，博士，副教授，主要從事大氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。E-mail: junlinan@nuist.edu.cn

朱彬（1969—），男，江蘇南京，博士，教授，國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心主任，主要研究方向?yàn)榇髿猸h(huán)境。E-mail: binzhu@nuist.edu.cn