談環境噪聲監測虛擬仿真實驗教學建設

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摘要：以安徽師范大學環境噪聲監測虛擬仿真實驗教學改革實踐為例，探究了從傳統的“我講你聽”模式單一的課程設置到具有廣度和深度的教與學改革創新模式，以實現實驗課程理論知識生動化、監測儀器先進化和測定對象的豐富化。通過多層次、遞進式虛擬仿真體系，突破時間與空間的局限，利用計算機科學使教學更接近解決實際問題，從而提高了學生噪聲監測的實踐技能。

關鍵詞：虛擬仿真；環境噪聲監測；獨立開發；實踐技能

1引言

虛擬仿真技術就是用一個計算機系統模仿另一個真實系統的技術［1］。虛擬世界由計算機生成，可以是現實世界的再現，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］。隨著計算機技術的發展，計算機科學與各學科交叉逐步深化。從可持續發展的角度來看，全球資源、能源急速消耗促進了教育領域的深度改革創新［3］。我國教育部《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》中明確提出，虛擬仿真實驗教學是高校教育信息化的重要建設內容，是計算機信息技術與各學科深度融合的必然產物［4～6］。各大高校努力推進虛擬仿真實驗教學改革，可優化實驗教學資源和促進實踐教學發展［7］。在國家虛擬仿真實驗教學共享平臺中環境科學與工程領域項目共30項，關于環境噪聲監測暫時是空白。環境噪聲監測對于本科教學環節來說，是一個非常基礎的現場監測實驗課程。但由于時間、空間和學生安全因素各方面的限制無法切實實現。在安徽省2018年虛擬仿真實驗教學改革省級質量工程中，安徽師范大學獲批的環境噪聲監測虛擬仿真實驗項目，針對許多高校該實驗在傳統開設過程中存在監測場景局限、課程時長限制、設備資源有限等因素［8］，提出了通過自主研發的虛擬現實手段生動化描述實驗理論與設備簡介、豐富多樣化模擬各種噪聲環境監測場景［9］以及噪聲現場規范化記錄，顯著提高了教學質量和拓寬了學生的實踐能力。

2環境噪聲監測的實踐意義

環境噪聲是環境公害之一，環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。良好的聲環境質量在美好生活中是不可或缺的元素之一［10］。對城市區域噪聲功能區進行劃分，規范噪聲設施設備的噪聲限值，增加各種降噪措施的布局，減少噪聲對人的休息、學習與工作的影響。值得一提的是，通過聲環境影響評價標準體系，嚴格規定各噪聲功能區晝夜限值、測量方法以及各種環境噪聲排放標準。因此，環境噪聲監測的意義在于，通過準確監測得到的測定值（通常為等效連續聲級）與聲排放標準相對比，以超過與不超過排放標準或者質量標準來評價該聲環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，環境噪聲標準建立的合理性與環境噪聲監測的準確性，決定了環境噪聲監測的實踐意義。

3環境噪聲監測實驗教學模式

通過對國內一些高校開設的環境噪聲監測實驗進行調研發現，環境噪聲監測實驗課程設置與實踐能力要求存在很大的差距：理論與實際聯系不夠緊密。調查研究發現見表1，第一，環境噪聲監測實驗的環境噪聲對象單一，主要是市內交通噪聲以及功能區固定監測點環境噪聲類型，這與實踐過程中我國城市噪聲污染以工業企業廠界環境噪聲為主［11］事實相悖；第二，根據GB3069－2008《聲環境質量標準》規定，環境噪聲監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境噪聲自動檢測儀器，而傳統實驗教學使用的聲級計大多數是無積分平均的聲級計，需要人為選取采集數據的數目，讀取瞬時聲級數據個數基本上以整50、100、200等有限的統計數量，因此，傳統噪聲實驗的人為因素影響大、數據采集誤差大，無法給出精確的監測結果。在有限的課程時長中，通過虛實結合的教學創新方法，可以突破空間場景的局限以及教學資源的短缺來達到更好的教學效果。

4遞進式虛擬仿真實驗教學

環境噪聲監測虛擬仿真實驗教學一共設計了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境噪聲的感性認識和長記憶；第二模塊，不同場景下環境噪聲監測的典型范例進行虛擬仿真實踐操作；第三模塊，規范化數據處理與記錄培養學生嚴謹的實驗態度。

5環境噪聲情景虛擬仿真設計重點

環境噪聲監測實驗的課程時長一般為3～4學時，通過環境噪聲情景虛擬仿真使得學生能夠沉浸式學習與總結各種類型噪聲監測方法。針對目前城市最主要的環境噪聲污染類型是工業企業環境噪聲和建筑施工廠界環境噪聲，其次為交通道路噪聲和社會生活噪聲。工業企業噪聲環境噪聲的情景設置重點在于：根據工業噪聲環境影響環評的實踐經驗，工廠外環境噪聲主要來源于工廠車間內設備、固定強噪聲源［12］，行駛的貨車車輛以及冷卻塔等，本項目給學生提供網頁平臺自主進入學習，模擬實際噪聲監測流程通過unity3D場景建模，首先，通過對話方式向工廠負責人了解工廠生產時段與特點，搜集工業噪聲聲源，再在工廠的廠界外圍墻1m距離設置準確的監測位點，采集相應數據。建筑施工廠界環境噪聲設置重點在于：第一，建筑施工噪聲源的主體為建設單位，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小時等效連續聲級和最大聲級Lmax來同時評價，普通的聲級計和人為記數無法做到，必須借助具有積分平均功能的噪聲分析儀。

6實驗教學改革的幾點思考

6．1教學實驗預習的效率

預習實驗的地位不可小覷，不思考地進行照本宣科是大多數本科生實驗的常態，離開書本手足無措，實驗教學不僅僅是一項技能操作的演練，而是實驗課程邏輯的再現，對實驗全局的掌控、建立長記憶，是專業學習素質培養的一個重要組成部分。利用計算機技術以及網絡資源，無差別地提供給學生實驗預習與訓練平臺。

6．2新時代教學模式的新變化

實驗課程的開設幫助學生直觀認識和理解客觀世界規律，不僅針對空間、場所局限難以重現的實驗，可采取虛擬仿真實驗，對于資源有限，可節約時間與經濟成本的實驗都可以建設虛擬仿真實驗。根據2019年7月，教育部《教育部高等教育司關于開展2019年度國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作的通知（教高函［2019］33號）》，繼續開設305個項目的認定，國家用搭積木的方式來建設虛擬仿真教學資源，開啟新時代教學的可持續發展的新模式。尤其在2019年底直至2020年上半年，肆虐全球的COVID－2019病毒疫情期間，線上教學成為主導模式，推進了線上課程建設的新模式轉變的重要改革的步伐。安徽師范大學開設的環境噪聲監測仿真虛擬實驗課程在此期間，完成了在校207名學生的線上課程學習，網絡瀏覽點擊量達到1006次。

6．3實驗教學質量的保障

實驗教師作為實驗教學的主導者首先要從該實驗的背景做深入的調查，了解實驗開設的優勢與不足，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。教師引導實驗的規范化要求也是至關重要，在實施實驗教學中要做到：實施實驗預演練、課程中把握學習的重難點、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、撰寫高質量實驗報告等。

7結語

環境噪聲監測的目的是了解與監督噪聲的質量或者排放情況，保障人們在適宜的聲環境質量下生活、學習與工作。鑒于目前國內大多數學校環境專業的噪聲測定類型單一，儀器設備落后不足的現狀，環境噪聲虛擬仿真實驗的建設讓學生更接近噪聲監測實踐，它是一個持續的、不斷改進完善的課程建設。虛擬仿真實驗項目不僅是共享教學資源，節約社會成本，更是新時代教育信息化的體現，是教學模式轉變的必然產物。

參考文獻

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［12］董曉慧，馬如宏，詹月林．風力發電機組振動噪聲的數字化仿真技術研究［J］．安徽農業科學，2011，39（31）：19646～19647，19652．

作者：李文文 楊耿 夏傳俊 孟菁 甘為民 單位：安徽師范大學