實(shí)體與仿真相結(jié)合的水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

金文　李潔　吳奇

摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)水處理工程實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的局限性，設(shè)計(jì)開發(fā)水處理實(shí)體實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)，介紹設(shè)計(jì)思想和實(shí)體實(shí)驗(yàn)裝置、仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成以及在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)以實(shí)為本、虛實(shí)結(jié)合，不僅能夠在真實(shí)環(huán)境中運(yùn)行，同時(shí)能夠基于實(shí)體原型仿真模擬操作，借助虛實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制、運(yùn)行管理等實(shí)踐教學(xué)工作，使學(xué)生在“實(shí)體實(shí)驗(yàn)—仿真實(shí)驗(yàn)—實(shí)體實(shí)驗(yàn)”螺旋式學(xué)習(xí)中獲得工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 水處理；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；仿真系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）06-0148-03

Abstract Due to the experimental limitations for the traditional water treatment teaching， a new practical teaching system is designed and developed， which combines the entity experiment and its simulation experiment. It also introduces designing ideas， entity experimental apparatus， simulation platform， as well as the application in the practical teaching. The new teaching system not only be able to run in a real environment， but also can fulfill the practical teaching for the water treatment system design， control， operation with the help of experimental platforms， under the simulating operation with physical prototypes. Therefore， students can acquire the practical ability during the spiral learning based on the combination of experiments with entities and simulation experiments.

Key words water treatment； experimental system； simulation system

1 引言

高等教育人才培養(yǎng)要求學(xué)生不僅要掌握必要的專業(yè)理論知識(shí)，更需要具備較強(qiáng)的實(shí)踐能力和現(xiàn)場(chǎng)探索及解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。水處理工程是一門工程性強(qiáng)的課程，要求理論與實(shí)踐并重，理論教學(xué)使學(xué)生掌握工藝原理知識(shí)，實(shí)踐教學(xué)決定著對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)。然而，實(shí)踐教學(xué)依賴于實(shí)驗(yàn)條件，為了提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，就要不斷加強(qiáng)水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)。但是，多數(shù)水處理設(shè)備雖然具有很強(qiáng)的工程處理能力，但在實(shí)踐教學(xué)上可操作性差，由于工藝系統(tǒng)龐大而復(fù)雜、設(shè)備數(shù)量多且管道錯(cuò)綜盤雜，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)設(shè)置教學(xué)知識(shí)點(diǎn)或操作點(diǎn)對(duì)設(shè)備損耗較大，使設(shè)備成為認(rèn)識(shí)工程系統(tǒng)的模型，實(shí)踐教學(xué)的“學(xué)”與“做”落不到實(shí)處。因此，重新構(gòu)建實(shí)用的水處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和教學(xué)模式勢(shì)在必行[1-2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，用軟件搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、模擬系統(tǒng)運(yùn)行、增加控制點(diǎn)操作管理等方法已成為改善實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)濟(jì)可行之路。對(duì)此，在實(shí)踐教學(xué)改革研究中涌現(xiàn)了大量虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)和研究[3-5]。然而，我國(guó)虛擬實(shí)驗(yàn)的研究還存在很多問(wèn)題與不足，如不注重教學(xué)設(shè)計(jì)、操作過(guò)程存在認(rèn)知阻礙等，需要研究人員結(jié)合學(xué)生認(rèn)知過(guò)程、多媒體表達(dá)信息方式和教學(xué)設(shè)計(jì)理念等方面，研究形成一套從設(shè)計(jì)開發(fā)到實(shí)施、管理的方案，實(shí)現(xiàn)輔助教學(xué)的目的[6-7]。

水處理工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是綜合考慮實(shí)體工程系統(tǒng)和虛擬仿真系統(tǒng)雙方優(yōu)勢(shì)而提出的建設(shè)方案。單純采用仿真軟件代替實(shí)體設(shè)備的實(shí)驗(yàn)，雖然成本低、操作方便，但軟件中水處理工程的理想化環(huán)境無(wú)法替代實(shí)體實(shí)驗(yàn)；而僅靠實(shí)體設(shè)備實(shí)驗(yàn)又不能快速培養(yǎng)學(xué)生解決工程運(yùn)行實(shí)際問(wèn)題的能力。本文結(jié)合實(shí)體實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建一套新型水處理工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，基于工作過(guò)程和認(rèn)知規(guī)律設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)，實(shí)施“實(shí)體實(shí)驗(yàn)—仿真實(shí)驗(yàn)—實(shí)體實(shí)驗(yàn)”螺旋式學(xué)習(xí)，提升學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)。

2 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是將理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，按照認(rèn)知規(guī)律構(gòu)建虛、實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，突出學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力培養(yǎng)，為學(xué)生主動(dòng)性、探究性、創(chuàng)造性地學(xué)習(xí)提供條件。

在虛擬仿真與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)中，堅(jiān)持“以實(shí)為本，虛實(shí)結(jié)合，交替實(shí)施，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”的原則，實(shí)體實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)，仿真實(shí)驗(yàn)是補(bǔ)充。在虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)中，充分利用實(shí)體實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)性，發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，互相促進(jìn)，按照實(shí)現(xiàn)虛擬仿真與實(shí)際操作有機(jī)結(jié)合的目的，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)融合，知識(shí)與能力同步培養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含多個(gè)綜合型、開放型實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分，如水處理設(shè)備、水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水處理工程運(yùn)行管理及自動(dòng)控制等，為學(xué)生提供實(shí)體和虛擬的工程環(huán)境，提高學(xué)生工程意識(shí)，在虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)操作中掌握工程理論知識(shí)和工程實(shí)踐能力。教師首先對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行演示，將所授的理論知識(shí)融于其中，然后引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)在仿真平臺(tái)上操作實(shí)驗(yàn)，以此訓(xùn)練學(xué)生在設(shè)備認(rèn)知、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自控調(diào)試方面的技能。在仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生人手一機(jī)，而且仿真模型都有原型化的裝置，在仿真訓(xùn)練的基礎(chǔ)上再對(duì)原型化的裝置操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)操作的比較分析。這樣既降低了教學(xué)成本，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知、到親自動(dòng)手仿真實(shí)驗(yàn)、再回到實(shí)物操作實(shí)驗(yàn)的螺旋式實(shí)踐能力提升過(guò)程。

3 實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

水處理實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括水處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。水處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用RO反滲透水處理技術(shù)，利用先進(jìn)的初濾、活性炭過(guò)濾、PVC合金超濾膜過(guò)濾和紫外線消毒等組合處理工藝而設(shè)計(jì)建成，它包括原水箱、原水泵、多介質(zhì)過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器、精密過(guò)濾器、高壓水泵、反滲透系統(tǒng)、純水箱等設(shè)備，可對(duì)水質(zhì)進(jìn)行凈化處理，達(dá)到飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。水處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成見圖1。水處理實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中配套搭建了水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可對(duì)凈化水質(zhì)進(jìn)行分析檢測(cè)。

水處理實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)踐教學(xué)方面可開設(shè)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如水體中COD、微生物、含氧量等多項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定，石英砂濾、超濾等各項(xiàng)水質(zhì)處理的實(shí)驗(yàn)與評(píng)價(jià)，以及水處理系統(tǒng)運(yùn)行管理控制等，使學(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上開展綜合性、設(shè)計(jì)性、搭接式實(shí)驗(yàn)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)是配合已建的水處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立的一套可操作的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。在仿真系統(tǒng)中，利用圖形軟件構(gòu)建了實(shí)體水處理系統(tǒng)中各類設(shè)備、儀表、工具，通過(guò)工控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)工藝流程、組建完整的水處理系統(tǒng)。圖形軟件選用SolidWorks軟件，其繪圖效果逼真，設(shè)備結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外三維呈現(xiàn)，有利于學(xué)生對(duì)水處理設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理、工藝過(guò)程的認(rèn)知[8]；水處理系統(tǒng)工藝流程和運(yùn)行控制子系統(tǒng)采用KingView組態(tài)軟件搭建，它可以將設(shè)備、儀表靈活組建，不需要操作者精通C語(yǔ)言編程，只是在設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)核心部分時(shí)需要用編程方法將設(shè)備儀表等對(duì)象模型和控制融入組態(tài)軟件當(dāng)中。水處理系統(tǒng)工藝流程界面如圖2所示。

水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)最大特點(diǎn)是利用基于Windows環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、處理和控制的工控組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)水處理工程的設(shè)計(jì)、工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與工藝過(guò)程的控制，為實(shí)踐教學(xué)提供了良好的操作界面和簡(jiǎn)捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，在實(shí)驗(yàn)操作上只要將預(yù)設(shè)置的各種實(shí)驗(yàn)功能以軟件模塊形式進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)”，便可以容易地完成實(shí)踐教學(xué)需要達(dá)到的各項(xiàng)功能。

5 實(shí)踐教學(xué)案例

水處理設(shè)備拆裝 針對(duì)實(shí)體水處理系統(tǒng)中核心設(shè)備及常用工具，在水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)建設(shè)中均采用SolidWorks軟件建立仿真對(duì)象，通過(guò)組態(tài)軟件中點(diǎn)位圖的導(dǎo)入功能，將所有對(duì)象圖形導(dǎo)入組態(tài)軟件中，建立水處理系統(tǒng)設(shè)備專業(yè)圖庫(kù)子系統(tǒng)（水處理設(shè)備庫(kù)）。教師在教學(xué)過(guò)程中先從設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理的理論教學(xué)入手，再通過(guò)實(shí)體設(shè)備演示操作引導(dǎo)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，然后利用仿真水處理設(shè)備庫(kù)讓學(xué)生選出設(shè)備并親自動(dòng)手拆裝設(shè)備。學(xué)生可以從外形到內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)，通過(guò)設(shè)備剖解掌握其結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，最后再回到實(shí)體設(shè)備運(yùn)行，完成對(duì)每一個(gè)水處理設(shè)備的學(xué)習(xí)要求。

水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在組態(tài)軟件的開發(fā)界面下，設(shè)計(jì)了水處理工藝流程子系統(tǒng)和運(yùn)行控制子系統(tǒng)，并且這兩個(gè)界面可以方便地進(jìn)行切換。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，既要完成有針對(duì)性地指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)水處理系統(tǒng)中典型設(shè)備的工作過(guò)程，如多介質(zhì)過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器、反滲透機(jī)組的水處理過(guò)程和反沖洗過(guò)程；又要幫助學(xué)生掌握水處理系統(tǒng)的組成及其工藝流程的設(shè)計(jì)，把眾多的水處理設(shè)備、儀表、閥門用管道有效地組合成一個(gè)完整的系統(tǒng)，完成特定的水質(zhì)處理要求并達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中是以課程設(shè)計(jì)的方式提出教學(xué)任務(wù)，要求學(xué)生對(duì)一個(gè)水處理系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并提交水處理工程方案及其設(shè)計(jì)圖紙。因此，水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真系統(tǒng)還利用C語(yǔ)言編寫的接口軟件將CAD制圖軟件與組態(tài)軟件連接構(gòu)成一個(gè)整體，使學(xué)生能夠根據(jù)自己所設(shè)計(jì)的水處理工程方案，完成設(shè)計(jì)系統(tǒng)的CAD制圖。同時(shí)，利用C語(yǔ)言編寫的接口軟件將Word軟件也植入軟件包內(nèi)，使學(xué)生能夠在該系統(tǒng)中編寫工程設(shè)計(jì)方案。教師可對(duì)學(xué)生編寫的工程設(shè)計(jì)方案及繪制的CAD圖的質(zhì)量進(jìn)行考核評(píng)判，作為課程設(shè)計(jì)考核成績(jī)。

水處理系統(tǒng)運(yùn)行控制 利用PLC技術(shù)進(jìn)行水處理工藝過(guò)程動(dòng)畫連接，模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)水處理系統(tǒng)工藝過(guò)程的運(yùn)行管理進(jìn)行仿真操作。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師先分別在實(shí)體和仿真水處理系統(tǒng)上進(jìn)行操作，學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)，了解系統(tǒng)運(yùn)行操作規(guī)程，如系統(tǒng)的起停車、故障停車的基本操作、設(shè)備運(yùn)行控制方法、故障查詢操作方法等；之后學(xué)生在仿真系統(tǒng)上動(dòng)手練習(xí)，模擬與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)同步的運(yùn)行管理操作，不必?fù)?dān)心對(duì)設(shè)備的損傷，通過(guò)反復(fù)的實(shí)操達(dá)到實(shí)踐教學(xué)目的。

水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)對(duì)水處理工藝流程設(shè)置了測(cè)量點(diǎn)和控制點(diǎn)，因此在仿真平臺(tái)上引入了水處理工程系統(tǒng)自動(dòng)控制內(nèi)容。在這一部分虛擬環(huán)境中加入常用的測(cè)量?jī)x表，加深學(xué)生理解和掌握其工作原理和電氣控制原理以及它們的安裝、使用等知識(shí)。在教學(xué)過(guò)程中，教師通過(guò)實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上儀表的使用操作，引導(dǎo)學(xué)生熟悉水處理系統(tǒng)控制方法和要求；學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上不斷學(xué)習(xí)和練習(xí)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)測(cè)量和自動(dòng)控制在水處理工程系統(tǒng)運(yùn)行中的作用，掌握主要設(shè)備控制參數(shù)和調(diào)節(jié)要求，對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠合理分析、有效處理，并且掌握自控儀表選擇及安裝規(guī)范，準(zhǔn)確操作水處理工程系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)，提高學(xué)生面對(duì)實(shí)際工程出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)的應(yīng)變能力和分析能力。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于水處理實(shí)體和仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，將理論與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合、實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作與仿真模擬運(yùn)行訓(xùn)練相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了仿真技術(shù)與真實(shí)環(huán)境的靈活切換，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)的相互補(bǔ)充。學(xué)生可以在實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上認(rèn)知學(xué)習(xí)，在仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上動(dòng)手操作，完成多項(xiàng)水處理實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，最后再回到實(shí)體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，虛實(shí)結(jié)合，達(dá)到知識(shí)、能力培養(yǎng)要求。水處理實(shí)體和仿真相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作能力的培養(yǎng)，豐富了實(shí)踐教學(xué)手段，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，保證了教學(xué)質(zhì)量。

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