環(huán)境噪聲監(jiān)測虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)與探究

李文文，楊 耿，夏傳俊，孟 菁，甘為民

(安徽師范大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，安徽 蕪湖 241003)

1 引言

虛擬仿真技術(shù)就是用一個計算機系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)[1]。虛擬世界由計算機生成，可以是現(xiàn)實世界的再現(xiàn)，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互[2]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機科學(xué)與各學(xué)科交叉逐步深化。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，全球資源、能源急速消耗促進了教育領(lǐng)域的深度改革創(chuàng)新[3]。我國教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃( 2011— 2020年)》中明確提出，虛擬仿真實驗教學(xué)是高校教育信息化的重要建設(shè)內(nèi)容，是計算機信息技術(shù)與各學(xué)科深度融合的必然產(chǎn)物[4～6]。各大高校努力推進虛擬仿真實驗教學(xué)改革，可優(yōu)化實驗教學(xué)資源和促進實踐教學(xué)發(fā)展[7]。在國家虛擬仿真實驗教學(xué)共享平臺中環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域項目共30項，關(guān)于環(huán)境噪聲監(jiān)測暫時是空白。環(huán)境噪聲監(jiān)測對于本科教學(xué)環(huán)節(jié)來說，是一個非?；A(chǔ)的現(xiàn)場監(jiān)測實驗課程。但由于時間、空間和學(xué)生安全因素各方面的限制無法切實實現(xiàn)。

在安徽省2018年虛擬仿真實驗教學(xué)改革省級質(zhì)量工程中，安徽師范大學(xué)獲批的環(huán)境噪聲監(jiān)測虛擬仿真實驗項目，針對許多高校該實驗在傳統(tǒng)開設(shè)過程中存在監(jiān)測場景局限、課程時長限制、設(shè)備資源有限等因素[8]，提出了通過自主研發(fā)的虛擬現(xiàn)實手段生動化描述實驗理論與設(shè)備簡介、豐富多樣化模擬各種噪聲環(huán)境監(jiān)測場景[9]以及噪聲現(xiàn)場規(guī)范化記錄，顯著提高了教學(xué)質(zhì)量和拓寬了學(xué)生的實踐能力。

2 環(huán)境噪聲監(jiān)測的實踐意義

環(huán)境噪聲是環(huán)境公害之一，環(huán)境噪聲雖不能造成生命損失，但是它確實能給人們帶來聽力減退甚至失聰以及心腦血管方面的疾病。良好的聲環(huán)境質(zhì)量在美好生活中是不可或缺的元素之一[10]。對城市區(qū)域噪聲功能區(qū)進行劃分，規(guī)范噪聲設(shè)施設(shè)備的噪聲限值，增加各種降噪措施的布局，減少噪聲對人的休息、學(xué)習(xí)與工作的影響。值得一提的是，通過聲環(huán)境影響評價標準體系，嚴格規(guī)定各噪聲功能區(qū)晝夜限值、測量方法以及各種環(huán)境噪聲排放標準。因此，環(huán)境噪聲監(jiān)測的意義在于，通過準確監(jiān)測得到的測定值(通常為等效連續(xù)聲級)與聲排放標準相對比，以超過與不超過排放標準或者質(zhì)量標準來評價該聲環(huán)境是否影響人的正常生活、是否對人的身心健康有害。以人為本，環(huán)境噪聲標準建立的合理性與環(huán)境噪聲監(jiān)測的準確性，決定了環(huán)境噪聲監(jiān)測的實踐意義。

3 環(huán)境噪聲監(jiān)測實驗教學(xué)模式

通過對國內(nèi)一些高校開設(shè)的環(huán)境噪聲監(jiān)測實驗進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，環(huán)境噪聲監(jiān)測實驗課程設(shè)置與實踐能力要求存在很大的差距：理論與實際聯(lián)系不夠緊密。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)見表1，第一，環(huán)境噪聲監(jiān)測實驗的環(huán)境噪聲對象單一，主要是市內(nèi)交通噪聲以及功能區(qū)固定監(jiān)測點環(huán)境噪聲類型，這與實踐過程中我國城市噪聲污染以工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲為主[11]事實相悖；第二，根據(jù)GB3069-2008《聲環(huán)境質(zhì)量標準》規(guī)定，環(huán)境噪聲監(jiān)測儀器必須達到國家Ⅱ型及其以上的積分平均聲級計或環(huán)境噪聲自動檢測儀器，而傳統(tǒng)實驗教學(xué)使用的聲級計大多數(shù)是無積分平均的聲級計，需要人為選取采集數(shù)據(jù)的數(shù)目，讀取瞬時聲級數(shù)據(jù)個數(shù)基本上以整50、100、200等有限的統(tǒng)計數(shù)量，因此，傳統(tǒng)噪聲實驗的人為因素影響大、數(shù)據(jù)采集誤差大，無法給出精確的監(jiān)測結(jié)果。在有限的課程時長中，通過虛實結(jié)合的教學(xué)創(chuàng)新方法，可以突破空間場景的局限以及教學(xué)資源的短缺來達到更好的教學(xué)效果。

表1 各高校開設(shè)環(huán)境噪聲監(jiān)測實驗的課程現(xiàn)狀

4 遞進式虛擬仿真實驗教學(xué)

環(huán)境噪聲監(jiān)測虛擬仿真實驗教學(xué)一共設(shè)計了15個知識點3個模塊(圖1)。第一模塊，理論知識梳理形成對環(huán)境噪聲的感性認識和長記憶；第二模塊，不同場景下環(huán)境噪聲監(jiān)測的典型范例進行虛擬仿真實踐操作；第三模塊，規(guī)范化數(shù)據(jù)處理與記錄培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度。

圖1 環(huán)境噪聲監(jiān)測虛擬仿真實驗教學(xué)設(shè)計

5 環(huán)境噪聲情景虛擬仿真設(shè)計重點

環(huán)境噪聲監(jiān)測實驗的課程時長一般為3～4學(xué)時，通過環(huán)境噪聲情景虛擬仿真使得學(xué)生能夠沉浸式學(xué)習(xí)與總結(jié)各種類型噪聲監(jiān)測方法。針對目前城市最主要的環(huán)境噪聲污染類型是工業(yè)企業(yè)環(huán)境噪聲和建筑施工廠界環(huán)境噪聲，其次為交通道路噪聲和社會生活噪聲。工業(yè)企業(yè)噪聲環(huán)境噪聲的情景設(shè)置重點在于：根據(jù)工業(yè)噪聲環(huán)境影響環(huán)評的實踐經(jīng)驗，工廠外環(huán)境噪聲主要來源于工廠車間內(nèi)設(shè)備、固定強噪聲源[12]，行駛的貨車車輛以及冷卻塔等，本項目給學(xué)生提供網(wǎng)頁平臺自主進入學(xué)習(xí)，模擬實際噪聲監(jiān)測流程通過unity3D場景建模，首先，通過對話方式向工廠負責(zé)人了解工廠生產(chǎn)時段與特點，搜集工業(yè)噪聲聲源，再在工廠的廠界外圍墻1 m距離設(shè)置準確的監(jiān)測位點，采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。建筑施工廠界環(huán)境噪聲設(shè)置重點在于：第一，建筑施工噪聲源的主體為建設(shè)單位，所以建筑施工廠界的界定點在主體界限外；第二，建筑施工廠界噪聲一般為間歇時間長，瞬時噪聲顯著，通常用8小時等效連續(xù)聲級和最大聲級Lmax來同時評價，普通的聲級計和人為記數(shù)無法做到，必須借助具有積分平均功能的噪聲分析儀。

6 實驗教學(xué)改革的幾點思考

6.1 教學(xué)實驗預(yù)習(xí)的效率

預(yù)習(xí)實驗的地位不可小覷，不思考地進行照本宣科是大多數(shù)本科生實驗的常態(tài)，離開書本手足無措，實驗教學(xué)不僅僅是一項技能操作的演練，而是實驗課程邏輯的再現(xiàn)，對實驗全局的掌控、建立長記憶，是專業(yè)學(xué)習(xí)素質(zhì)培養(yǎng)的一個重要組成部分。利用計算機技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)資源，無差別地提供給學(xué)生實驗預(yù)習(xí)與訓(xùn)練平臺。

6.2 新時代教學(xué)模式的新變化

實驗課程的開設(shè)幫助學(xué)生直觀認識和理解客觀世界規(guī)律，不僅針對空間、場所局限難以重現(xiàn)的實驗，可采取虛擬仿真實驗，對于資源有限，可節(jié)約時間與經(jīng)濟成本的實驗都可以建設(shè)虛擬仿真實驗。根據(jù)2019年7月，教育部發(fā)布《教育部高等教育司關(guān)于開展2019年度國家虛擬仿真實驗教學(xué)項目認定工作的通知(教高函[2019]33號)》，繼續(xù)開設(shè)305個項目的認定，國家用搭積木的方式來建設(shè)虛擬仿真教學(xué)資源，開啟新時代教學(xué)的可持續(xù)發(fā)展的新模式。尤其在2019年底直至2020年上半年，肆虐全球的COVID-2019新型冠狀病毒疫情期間，線上教學(xué)成為主導(dǎo)模式，推進了線上課程建設(shè)的新模式轉(zhuǎn)變的重要改革的步伐。安徽師范大學(xué)開設(shè)的環(huán)境噪聲監(jiān)測仿真虛擬實驗課程在此期間，完成了在校207名學(xué)生的線上課程學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)瀏覽點擊量達到1006次。

6.3 實驗教學(xué)質(zhì)量的保障

實驗教師作為實驗教學(xué)的主導(dǎo)者首先要從該實驗的背景做深入的調(diào)查，了解實驗開設(shè)的優(yōu)勢與不足，實驗條件與實施過程盡力與最新的國家標準要求之間拉近差距。教師引導(dǎo)實驗的規(guī)范化要求也是至關(guān)重要，在實施實驗教學(xué)中要做到：實施實驗預(yù)演練、課程中把握學(xué)習(xí)的重難點、實驗操作標準化要求、實驗報告的及時分析、實驗錯誤及時指正、撰寫高質(zhì)量實驗報告等。

7 結(jié)語

環(huán)境噪聲監(jiān)測的目的是了解與監(jiān)督噪聲的質(zhì)量或者排放情況，保障人們在適宜的聲環(huán)境質(zhì)量下生活、學(xué)習(xí)與工作。鑒于目前國內(nèi)大多數(shù)學(xué)校環(huán)境專業(yè)的噪聲測定類型單一，儀器設(shè)備落后不足的現(xiàn)狀，環(huán)境噪聲虛擬仿真實驗的建設(shè)讓學(xué)生更接近噪聲監(jiān)測實踐，它是一個持續(xù)的、不斷改進完善的課程建設(shè)。虛擬仿真實驗項目不僅是共享教學(xué)資源，節(jié)約社會成本，更是新時代教育信息化的體現(xiàn)，是教學(xué)模式轉(zhuǎn)變的必然產(chǎn)物。