談環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)

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摘要：以安徽師范大學(xué)環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐為例，探究了從傳統(tǒng)的“我講你聽”模式單一的課程設(shè)置到具有廣度和深度的教與學(xué)改革創(chuàng)新模式，以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程理論知識(shí)生動(dòng)化、監(jiān)測(cè)儀器先進(jìn)化和測(cè)定對(duì)象的豐富化。通過多層次、遞進(jìn)式虛擬仿真體系，突破時(shí)間與空間的局限，利用計(jì)算機(jī)科學(xué)使教學(xué)更接近解決實(shí)際問題，從而提高了學(xué)生噪聲監(jiān)測(cè)的實(shí)踐技能。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)；獨(dú)立開發(fā)；實(shí)踐技能

1引言

虛擬仿真技術(shù)就是用一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)［1］。虛擬世界由計(jì)算機(jī)生成，可以是現(xiàn)實(shí)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(jìn)行自然的交互［2］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)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(jìn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教育信息化的重要建設(shè)內(nèi)容，是計(jì)算機(jī)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(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，可優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)發(fā)展［7］。在國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)共享平臺(tái)中環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域項(xiàng)目共30項(xiàng)，關(guān)于環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)暫時(shí)是空白。環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)對(duì)于本科教學(xué)環(huán)節(jié)來說，是一個(gè)非?；A(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)課程。但由于時(shí)間、空間和學(xué)生安全因素各方面的限制無法切實(shí)實(shí)現(xiàn)。在安徽省2018年虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革省級(jí)質(zhì)量工程中，安徽師范大學(xué)獲批的環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，針對(duì)許多高校該實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)開設(shè)過程中存在監(jiān)測(cè)場(chǎng)景局限、課程時(shí)長(zhǎng)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(shí)手段生動(dòng)化描述實(shí)驗(yàn)理論與設(shè)備簡(jiǎn)介、豐富多樣化模擬各種噪聲環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)景［9］以及噪聲現(xiàn)場(chǎng)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(shí)踐能力。

2環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)的實(shí)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(shí)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(duì)城市區(qū)域噪聲功能區(qū)進(jìn)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(duì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，嚴(yán)格規(guī)定各噪聲功能區(qū)晝夜限值、測(cè)量方法以及各種環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)的意義在于，通過準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)得到的測(cè)定值（通常為等效連續(xù)聲級(jí)）與聲排放標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比，以超過與不超過排放標(biāo)準(zhǔn)或者質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)該聲環(huán)境是否影響人的正常生活、是否對(duì)人的身心健康有害。以人為本，環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)建立的合理性與環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，決定了環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)的實(shí)踐意義。

3環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

通過對(duì)國內(nèi)一些高校開設(shè)的環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置與實(shí)踐能力要求存在很大的差距：理論與實(shí)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(cè)實(shí)驗(yàn)的環(huán)境噪聲對(duì)象單一，主要是市內(nèi)交通噪聲以及功能區(qū)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)境噪聲類型，這與實(shí)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(shí)相悖；第二，根據(jù)GB3069－2008《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)儀器必須達(dá)到國家Ⅱ型及其以上的積分平均聲級(jí)計(jì)或環(huán)境噪聲自動(dòng)檢測(cè)儀器，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的聲級(jí)計(jì)大多數(shù)是無積分平均的聲級(jí)計(jì)，需要人為選取采集數(shù)據(jù)的數(shù)目，讀取瞬時(shí)聲級(jí)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)基本上以整50、100、200等有限的統(tǒng)計(jì)數(shù)量，因此，傳統(tǒng)噪聲實(shí)驗(yàn)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(cè)結(jié)果。在有限的課程時(shí)長(zhǎng)中，通過虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)創(chuàng)新方法，可以突破空間場(chǎng)景的局限以及教學(xué)資源的短缺來達(dá)到更好的教學(xué)效果。

4遞進(jìn)式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一共設(shè)計(jì)了15個(gè)知識(shí)點(diǎn)3個(gè)模塊（圖1）。第一模塊，理論知識(shí)梳理形成對(duì)環(huán)境噪聲的感性認(rèn)識(shí)和長(zhǎng)記憶；第二模塊，不同場(chǎng)景下環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)的典型范例進(jìn)行虛擬仿真實(shí)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(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度。

5環(huán)境噪聲情景虛擬仿真設(shè)計(jì)重點(diǎn)

環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的課程時(shí)長(zhǎng)一般為3～4學(xué)時(shí)，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(cè)方法。針對(duì)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(huì)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(diǎn)在于：根據(jù)工業(yè)噪聲環(huán)境影響環(huán)評(píng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(qiáng)噪聲源［12］，行駛的貨車車輛以及冷卻塔等，本項(xiàng)目給學(xué)生提供網(wǎng)頁平臺(tái)自主進(jìn)入學(xué)習(xí)，模擬實(shí)際噪聲監(jiān)測(cè)流程通過unity3D場(chǎng)景建模，首先，通過對(duì)話方式向工廠負(fù)責(zé)人了解工廠生產(chǎn)時(shí)段與特點(diǎn)，搜集工業(yè)噪聲聲源，再在工廠的廠界外圍墻1m距離設(shè)置準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)位點(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)在主體界限外；第二，建筑施工廠界噪聲一般為間歇時(shí)間長(zhǎng)，瞬時(shí)噪聲顯著，通常用8小時(shí)等效連續(xù)聲級(jí)和最大聲級(jí)Lmax來同時(shí)評(píng)價(jià)，普通的聲級(jí)計(jì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的幾點(diǎn)思考

6．1教學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的效率

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

6．2新時(shí)代教學(xué)模式的新變化

實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)幫助學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)和理解客觀世界規(guī)律，不僅針對(duì)空間、場(chǎng)所局限難以重現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，可采取虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)于資源有限，可節(jié)約時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本的實(shí)驗(yàn)都可以建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。根據(jù)2019年7月，教育部《教育部高等教育司關(guān)于開展2019年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定工作的通知（教高函［2019］33號(hào)）》，繼續(xù)開設(shè)305個(gè)項(xiàng)目的認(rèn)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(shí)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病毒疫情期間，線上教學(xué)成為主導(dǎo)模式，推進(jìn)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(cè)仿真虛擬實(shí)驗(yàn)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(diǎn)擊量達(dá)到1006次。

6．3實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的保障

實(shí)驗(yàn)教師作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主導(dǎo)者首先要從該實(shí)驗(yàn)的背景做深入的調(diào)查，了解實(shí)驗(yàn)開設(shè)的優(yōu)勢(shì)與不足，實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)施過程盡力與最新的國家標(biāo)準(zhǔn)要求之間拉近差距。教師引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的規(guī)范化要求也是至關(guān)重要，在實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要做到：實(shí)施實(shí)驗(yàn)預(yù)演練、課程中把握學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)操作標(biāo)準(zhǔn)化要求、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的及時(shí)分析、實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤及時(shí)指正、撰寫高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

7結(jié)語

環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)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?cè)谶m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(cè)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(shí)驗(yàn)的建設(shè)讓學(xué)生更接近噪聲監(jiān)測(cè)實(shí)踐，它是一個(gè)持續(xù)的、不斷改進(jìn)完善的課程建設(shè)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅是共享教學(xué)資源，節(jié)約社會(huì)成本，更是新時(shí)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。

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作者：李文文 楊耿 夏傳俊 孟菁 甘為民 單位：安徽師范大學(xué)