背景与意义
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中指出：“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须予以高度重视。”[1]教育部印发的《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》要求：“我国教育改革和发展正面临着前所未有的机遇和挑战。以教育信息化带动教育现代化，破解制约我国教育发展的难题，促进教育的创新与变革，是加快从教育大国向教育强国迈进的重大战略抉择。”[2]新时代的教育改革，是以深化信息技术在教学领域的应用和整合为核心，以提高教师和学生的信息技术应用能力为主线，探索教育信息化环境建设等方面的发展路径和方法，实现教育教学的数字化和信息化，促进教育思想、教学方法、教学内容的变革，加快基础教育现代化进程。
2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》、《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设[3]。新工科的人才培养要求以互联网和工业智能为核心，通过将大数据、智能制造、云计算、人工智能、虚拟现实等新技术用于传统工科专业的升级改造，培养适应未来新兴产业和新经济需要的、实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。新工科的建设要求，需要多学科的交叉融合与协同创新，这对教师教学能力、教学设施以及学生学习都提出了新的挑战，也为教育改革和发展提供了千载难逢的机遇。
虚拟仿真技术的实验教学应用及发展现状
虚拟仿真技术的实验教学应用 美国新媒体联盟发布的《国际教育信息化地平线报告》被视为国际教育信息化建设与发展的风向标[4]。该报告认为，虚拟仿真教学将成为今后国内外教育界对传统教学进行改革、提升人才培养质量的重要方向，是现代教育重要的引领手段之一。虚拟仿真技术是高等教育信息化的重要实现载体之一，虚拟仿真实验教学将成为教学改革的重要发展方向。虚拟仿真实验技术能够运用虚拟现实技术、数字化媒体技术等人机交互、大数据、云等多种技术手段，构建一个具有交互效能多维化的信息实验环境，在沉浸性、交互性、构想性等方面具有显著优势，因其高效、安全、近乎真实的操作，完成真实实验不能或很难完成的教学效果，已经在生物、医学、土木等领域的实践教学中得到广泛应用。虚拟实验教学系统可以拓展实验及实践教学的深度与广度，提高实验教学的实效，实现优质实验资源共享，更好的为教学服务，对高校进行创新性实验教学起到至关重要的作用。对于成本高、消耗大的大型综合性实验项目，虚拟仿真实验教学更是呈现出明显的优势，对传统实验的教学产生了深远影响。
通过综合应用虚拟现实、大数据、网络技术以及计算机编程等技术，构建与真实实验场景等同的操作环境和测试对象，使得学生在高度自主性和交互性的虚拟环境中开展充满开放性、经济性和高效性的实验。以提高学生实践创新创业能力为根本出发点，将虚拟实验与实体实验紧密结合，提升实体实验效果。
虚拟仿真教学的国外研究应用现状 国外对虚拟仿真技术的研究起步较早，应用较为广泛。英国开放大学实验室应用网络、虚拟现实等技术开发了虚拟仪器共享使用项目，能够在线实现所有实验室功能，学生可通过虚拟仪器软件进行在线实验，也可以借助遥控仪器进行远程控制实验。美国大学采用平板电脑完成课程实验，教师通过iPad上的移动应用程序与学生分享从中心实验室数字显微镜中获取的数据和图像资源[4]。美国麻省理工学院的Web Lab远程实验室允许学生在自己的电脑上设计并修改电路模型，远程操控实验室里的测试设备[5]；美国俄勒冈大学物理系的物理实验网站包含了天体物理、能量与环境、力学、热学等方面的几十种虚拟实验[6]。西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室。加拿大大学建设了3D实验室和人类创客虚拟仿真教学实验室，配备最先进的3D扫描仪和打印机、动作传感器以及激光切割机等高科技设备，真正做到“虚实结合、能实不虚”的教学原则[7]。
虚拟仿真教学的国内研究应用现状 我国在近些年也加快了国家级虚拟仿真实验教学中心建设的过程，积极探索，深入研究，根据《教育信息化十年发展规划》的指导意见，教育部在2013—2015年启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，得到了社会各界的积极的响应和支持[8]。现已遴选出300个国家级虚拟仿真实验教学中心，环境科学与工程领域已建成复旦大学环境科学虚拟仿真实验教学中心、桂林理工大学环境污染防治与生态保护虚拟仿真实验教学中心等多个国家级虚拟仿真实验教学中心。
环境专业及课程分析及发展现状
环境工程专业特点分析 环境工程专业是一门集化学、物理学、生物学、医学、地学等综合性学科，具有知识面广、跨度大实践性和综合性强的特点。该学科以培养学生解决复杂环境工程问题能力为主要目标，不仅要求学生掌握本专业的基础理论、基本知识，具有一定的专业理论水平，更重要的是要求学生具有较高的实践能力，能够把知识运用到生产实际中，为行业建设服务。基于这一特征，注重对学生实践技能的培养，强化实践性教学就成为本专业的重中之重。随着环保产业迅速发展，行业技术人才市场缺口日益增大，但大多企业认为高校应届毕业生存在岗位适应能力不足、上手能力弱、综合应用能力差等问题。面对培养应用型人才的总体目标，目前各高校迫切需要建立符合新时代发展要求的实践教学体系，加大实践和工程训练内容，培养行业需要的拔尖人才。
仪器分析课程分析 仪器分析是测定物质的化学组成、含量、状态和进行科学研究与质量监控的重要手段。《仪器分析》是环境类专业的重要的化学类选修课程之一，该课程系统性地介绍各种化学研究中常见、常用仪器的基本分析原理与适用范围，旨在培养学生能够根据科学实验、生产生活的实际状况选择合适的仪器分析方法，开拓学科交叉创新性研究的科学思维，为学生后续阶段的专业学习、科研工作打下坚实的基础。然而，在实际的《仪器分析》教学中，受制于多种因素影响和限制，传统实验教学存在许多问题：
1. 实验内容鲜少展开，实验课时设置不充足，授课过程中只能对学生分组进行演示，部分同学甚至不能清楚地观察到实验的演示过程，难以达到相关实验的教学目的和要求；
2. 部分实验涉及大型贵重仪器设备，台套数不足，且实验难度大、耗时长、在实验课程教学过程中，难以做到每个实验每位学生都亲自上手，同时不具备完全开设学生自主实验条件；
3. 实验课的理论教学内容抽象，信息量大，仪器操作复杂，学生难以理解，课前预习不充分，导致实验过程进行不顺利。
4. 实验教学考核方式单一，实验教学考核主要由平时表现和实验报告决定，导致学生只注重实验报告书写，而忽略了实验过程的体验，无法体现学生的实际操作能力和创新能力，难以达到高素质复合型新工科人才的培养需求。
基于虚拟仿真技术的环境类专业《仪器分析》实验教学的优势
虚拟仿真实验室的建设可以有效地解决目前传统实验模式所遇到的问题，呈现真实感强、直观精确、操作性强的实验场景。具有以下优势：
1. 高度仿真的虚拟环境，客观真实生动，可以增强学生的沉浸感和临场感，降低教学难度，提高学生对仪器原理和结构的感性认识和学习兴趣。
2. 虚拟仿真实验在网络技术及云计算平台的支撑下，可以突破时间和空间的限制，再现实际实验过程。反复的实验操作，可以加深学生对仪器操作的感性认识和使用熟练程度，为后续实体实验的操作的正确性提供保障，提高实验操作效率，降低仪器设备成本。
3. 虚拟仿真实验以 “学生为中心”，完整实验教学模块，支持学生自主探索学习实践，可以最大限度的发挥学生的主动性和创造性。
4. 虚拟仿真实验不受到时间和空间的约束，随时随地进行实验，方便搭载复杂、规模宏大的实验平台；
5. 虚拟仿真实验平台的搭建极大方便了对实验系统进行更新迭代，快速适应高新技术的发展，使得学生能随时追踪新技术和新设备，对学生的知识视野开阔起到了非常积极的作用，同时还节省了实验的经费。
结语
借助虚拟仿真技术推进环境工程专业仪器分析实验教学改革与探索，是为了解决传统理论教育与学生工程化培养之间的矛盾，拓展实验及实践教学的深度和广度，提高实验、实践教学的实效，贯彻实验教学与理论教学结合、实验教学与科学研究结合、室内实验与现场实验结合、基础实验与工程设计实验结合的“四结合”实验教学方式，为人才培养构建实验（实习）平台、实战平台和创新平台（“三平台”），从而实现对学生全方位、多层次的实践训练。
为此，如果能依托虚拟仿真实验室的建设，针对环境类专业教学过程中所涉及到的《仪器分析》实验，开展虚拟仿真技术应用于实验实践教学的改革与探索，探索并形成模块化和层次化的虚拟仿真实验教学体系，将有助于解决传统教学中存在的设备少、费用高、实验复杂、安全难以保证等问题，使学生充分学习、亲身体验本专业的实验与实践过程，为强化学生实践和创新能力培养提供重要保障，给学生提供探究性学习平台，激发学生对本专业的学习和研究兴趣，并对推动实验与实践教学改革和教学质量不断提升有重要意义。
参考文献：
[1] 殷悦. 论信息技术教育应用的发展展望[J]. 速读旬刊, 2016, (4).
[2] 张家年, 孙祯祥. 学校信息化主管的素质结构和实践模式研究[J]. 现代教育技术, 2013, 23(6): 18-23.
[3] 金鑫, 耿娜. 应用型高校开设机器人专业的必要性和初步探索[J]. 教育教学论坛, 2019, No.398(04): 167-168.
[4] 王卫国, 胡今鸿, 刘宏. 国外高校虚拟仿真实验教学现状与发展[J]. 实验室研究与探索, 2015, (05): 214-219.
[5] 晁政, 刘鸿宇, 黄武, 等. 虚拟仿真教学的发展现状[J]. 电子世界, 2014, 000(019): 168-168.
[6] 李凌云, 王海军. 网络虚拟实验系统研究现状与发展趋势[J]. 现代教育技术, 2008, (04): 117-120.
[7] 杨军亚. 基于Internet的EDA虚拟实验室系统及电路优化设计技术研究[D]. 西安电子科技大学, 2003.
[8] 李平. 推进虚拟现实技术应用 提高高校教育教学质量[J]. 实验室研究与探索, 2018.
作者简介:邱琪（1994.02-），女，辽宁本溪人，满族，环境工程专业硕士，济南大学，助理实验师，研究方向为水污染控制工程
教育部高等学校给排水科学与工程专业教学指导分委员会教育教学改革研究项目（GPSJZW2019-25）
