基于工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)虛擬仿真平臺(tái)體系構(gòu)建

董微巍 李光春 樸春香 梁運(yùn)江 馮健

[摘 要] 以《農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)》課程中污水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，促進(jìn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生直觀地掌握工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，為當(dāng)前大學(xué)生工程技術(shù)創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供教學(xué)新方法、新途徑。

[關(guān)鍵詞] 工程技術(shù);創(chuàng)新能力;實(shí)踐教學(xué);虛擬仿真

[基金項(xiàng)目] 吉林省高等教育學(xué)會(huì)“基于互聯(lián)網(wǎng)+背景下民族地區(qū)高校環(huán)境工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的研究”（JGJX2018D358）;延邊大學(xué)十三五教育教學(xué)課題“地區(qū)高校環(huán)境工程技術(shù)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)體系的構(gòu)建”（ZD2018004）;吉林省本科高等教育教學(xué)改革課題“基于‘新農(nóng)科的動(dòng)物科學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建研究”（吉教高[2019]12號(hào)）

[作者簡(jiǎn)介] 董微?。?979—），女，吉林榆樹人，分析化學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)槲⑸镔Y源開發(fā)與利用;馮 健（1983—），男，吉林大安人，動(dòng)物科學(xué)博士，實(shí)驗(yàn)師（通信作者），研究方向?yàn)閯?dòng)物遺傳育種。

[中圖分類號(hào)] G642.423 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）39-0389-02 ? ?[收稿日期] 2020-04-27

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)被引進(jìn)到各大高校實(shí)踐教學(xué)之中，在工程技術(shù)類專業(yè)教學(xué)中發(fā)揮著重要作用。農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)是一門與再生資源能源技術(shù)、化學(xué)工程、材料工程、生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)等多門學(xué)科都有交叉的綜合性學(xué)科[1]。在目前的教學(xué)方案中，實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)等實(shí)踐環(huán)節(jié)已經(jīng)貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，在培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)、科學(xué)求實(shí)與創(chuàng)新精神，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)發(fā)揮重要作用，為環(huán)保行業(yè)發(fā)展中復(fù)合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)[2]。污水處理是農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)課程教學(xué)中的核心內(nèi)容，其處理工藝流程與設(shè)備構(gòu)造在教學(xué)中難以直觀體現(xiàn)，加之其影響因素極端復(fù)雜，學(xué)生難以把握現(xiàn)象全貌。為了改善這個(gè)弊端，采用虛擬仿真實(shí)訓(xùn)結(jié)合實(shí)際操作進(jìn)行學(xué)生的培訓(xùn)，以其逼真的“現(xiàn)實(shí)”感牢牢吸引學(xué)生，將情景教學(xué)與探討問(wèn)題導(dǎo)向式教學(xué)法進(jìn)行融合，使學(xué)生帶著問(wèn)題邊體驗(yàn)、邊學(xué)習(xí)，發(fā)揮潛能，提高解決問(wèn)題能力，從而改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

一、虛擬仿真技術(shù)在污水處理實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)用

學(xué)生可在污水處理實(shí)訓(xùn)基地與虛擬仿真軟件間穿梭，充分體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)帶來(lái)的操作滿足感。可進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)踐操作能力，分析問(wèn)題解決問(wèn)題以及創(chuàng)新能力，從而真正的掌握操控處理設(shè)備技術(shù)。

（一）構(gòu)建高度仿真的虛擬工廠環(huán)境、能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合，激發(fā)學(xué)生興趣實(shí)現(xiàn)綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)

以實(shí)際生產(chǎn)工藝為原型，根據(jù)污水廠工藝流程的實(shí)際情況，使學(xué)生深入到模擬現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際操作，以動(dòng)態(tài)形式逼真地展示廠區(qū)內(nèi)概況、工程相關(guān)設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造、工作原理以及相關(guān)工藝流程的動(dòng)態(tài)演示等。綜合訓(xùn)練學(xué)生對(duì)于流程工藝、環(huán)保設(shè)備、分析儀表、系統(tǒng)控制、電氣操作等方面的能力。憑借虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，了解設(shè)備運(yùn)行時(shí)內(nèi)部狀態(tài)、人機(jī)互動(dòng)，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，激發(fā)創(chuàng)新思維與興趣，降低實(shí)驗(yàn)成本、減少環(huán)境污染，提高實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量，有效開展綠色實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（二）虛擬平臺(tái)自動(dòng)化控制，教師學(xué)生自主設(shè)計(jì)，開展自主研究活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力，建立科研創(chuàng)新理念

通過(guò)校內(nèi)工程模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，實(shí)時(shí)展現(xiàn)污水處理的過(guò)程與現(xiàn)象，包含了污水處理廠的兩個(gè)工藝，即A2O和AB兩套工藝，同時(shí)設(shè)計(jì)了深度處理、污泥處理與回流及水質(zhì)監(jiān)測(cè)與分析等單元，讓學(xué)生初步建立起工程概念。采用3D場(chǎng)景模擬污水處理現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀態(tài)，教師學(xué)生可以自主設(shè)置各種可能的選項(xiàng)、障礙、問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)所出現(xiàn)故障緊急采取應(yīng)對(duì)措施，逐步熟悉和掌握潔凈區(qū)管理、生產(chǎn)崗位操作、污水處理中污水指標(biāo)的檢驗(yàn)操作。通過(guò)問(wèn)題模式激發(fā)學(xué)生興趣，提高解決問(wèn)題能力，為環(huán)保企業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型，創(chuàng)新型，技術(shù)性人才奠定基礎(chǔ)。

（三）系統(tǒng)的模塊式知識(shí)點(diǎn)訓(xùn)練，仿真練習(xí)與考核，輔助教學(xué)，豐富教材內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量

設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)模塊，包含有豐富的教學(xué)素材，借助文字、圖片、flash、三維模型、音頻、視頻等形式，對(duì)水處理工藝設(shè)計(jì)與水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行講解。通過(guò)模擬仿真系統(tǒng)，了解原本書本中二維圖片和文字描述的情景，改變?cè)械睦碚搹?qiáng)而實(shí)踐弱的缺陷，能夠在原有理論基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地提高學(xué)生實(shí)踐操作能力，了解未來(lái)用人單位對(duì)人才所應(yīng)具備的能力的真實(shí)需求，實(shí)現(xiàn)了模擬仿真軟件輔助教學(xué)的功能。通過(guò)虛實(shí)結(jié)合，有效訓(xùn)練了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使理論知識(shí)更好的應(yīng)用于實(shí)踐，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

二、污水處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系與模塊組成

污水處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)堅(jiān)持“能實(shí)不虛”的原則，從污水處理設(shè)備單元操作的實(shí)際出發(fā)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)中無(wú)法觀察到的現(xiàn)象及實(shí)施困難、高危、高成本、高污染的單元操作采用3D虛擬仿真的形式整體展現(xiàn)。在教學(xué)中，采用線上線下相結(jié)合的方式，在線統(tǒng)計(jì)學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，在課堂或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)場(chǎng)中進(jìn)行深入講解，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之間的良性互動(dòng)和互相促進(jìn)。加深學(xué)生對(duì)污水處理基本單元操作中理論知識(shí)的理解，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮潛能提高自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量與效果，滿足本科教學(xué)需要，污水處理中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)共分4個(gè)教學(xué)模塊，以不同模式展現(xiàn)給學(xué)生。

（一）A2O工藝虛擬仿真模塊

A2O法又稱AAO法，是英文Anaerobic-Anoxic-Oxic第一個(gè)字母的簡(jiǎn)稱（厭氧—缺氧—好氧法），是一種常用的污水處理工藝，可用于二級(jí)污水處理或三級(jí)污水處理，以及中水回用，具有良好的脫氮除磷效果。主要包括四種構(gòu)筑設(shè)備：粗格柵、細(xì)格柵、曝氣沉砂池、生物反應(yīng)器、厭氧反應(yīng)器，原污水與從沉淀池排出的含磷回流污泥同步進(jìn)入，本反應(yīng)器主要功能是釋放磷，同時(shí)部分有機(jī)物進(jìn)行氨化;缺氧反應(yīng)器，首要功能是脫氮，硝態(tài)氮是通過(guò)內(nèi)循環(huán)由好氧反應(yīng)器送來(lái)的，循環(huán)的混合液量較大，一般為2Q;好氧反應(yīng)器—曝氣池，這一反應(yīng)單元是多功能的，去除BOD，硝化和吸收磷等均在此處進(jìn)行?；旌弦簭倪@里回流到缺氧反應(yīng)器。

（二）AB工藝虛擬仿真模塊

在AB工藝虛擬仿真模塊中主要包括粗格柵、細(xì)格柵和曝氣沉砂池;A段曝氣池工藝將曝氣池分為高低負(fù)荷兩段，各有獨(dú)立的沉淀和污泥回流系統(tǒng)。高負(fù)荷段（A段）停留時(shí)間約20～40分鐘，以生物絮凝吸附作用為主，同時(shí)發(fā)生不完全氧化反應(yīng)，生物主要為短世代的細(xì)菌群落，去除BOD達(dá)50%以上;中沉池及T型氧化溝工藝處理的整個(gè)過(guò)程如進(jìn)水、曝氣、沉淀、污泥穩(wěn)定和出水等全部集中在氧化溝內(nèi)完成，最早的氧化溝不需另設(shè)初次沉淀池、二次沉淀池和污泥回流設(shè)備。學(xué)生以可操作模式和飛行模式之間自由切換，在飛行模式下，學(xué)員可自由游覽廠區(qū)，了解廠區(qū)總布局。

（三）教師評(píng)價(jià)模塊體系

教師可通過(guò)仿真軟件布置作業(yè)、處理故障、操作時(shí)長(zhǎng)等場(chǎng)景，仿真崗位中選擇對(duì)學(xué)生進(jìn)行目的性實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核評(píng)價(jià)，感受真實(shí)，加深印象，可以通過(guò)考核模塊分析學(xué)生成績(jī)，指導(dǎo)學(xué)生更深入地學(xué)習(xí)實(shí)踐技能知識(shí)，理解污染處理工藝過(guò)程和構(gòu)筑物設(shè)計(jì)原理，了解生產(chǎn)第一線的操作過(guò)程與操作技能，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)分析問(wèn)題、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好的服務(wù)于社會(huì)。

三、結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)一步完善與豐富課堂教學(xué)與工程實(shí)踐內(nèi)容，多維度呈現(xiàn)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練內(nèi)容，不斷改進(jìn)虛擬仿真時(shí)空環(huán)境從視覺(jué)、聽覺(jué)和動(dòng)覺(jué)上吸引學(xué)生，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。為使用者開啟自選模式，為其目的性實(shí)驗(yàn)滿足實(shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生在完全開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下完成綜合實(shí)訓(xùn)，進(jìn)一步提高學(xué)生的分析和解決問(wèn)題能力，使學(xué)生真正了解工程技術(shù)實(shí)踐與流程，最終達(dá)到提升學(xué)生自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新實(shí)踐的能力。與此同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)建教育最大化的資源共享平臺(tái)，將打造為一個(gè)學(xué)科融合、網(wǎng)絡(luò)共享虛擬仿真綜合實(shí)踐基地，面向全社會(huì)高校和企業(yè)培訓(xùn)員工開放使用，為全國(guó)范圍內(nèi)環(huán)保企業(yè)員工提供培訓(xùn)和考核平臺(tái)，全面提升教育資源利用率。未來(lái)我們將更好的利用虛擬仿真教學(xué)資源，滿足多地區(qū)、多學(xué)校、不同學(xué)科專業(yè)的教學(xué)需求。

參考文獻(xiàn)

[1]虎保成.論新時(shí)期高職院校教師隊(duì)伍建設(shè)的途徑與措施[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2012（10）：35-36.

[2]劉健.創(chuàng)新性應(yīng)用型人才綜合培養(yǎng)體系探析[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（4）：108-112.