虛擬仿真實驗在環(huán)境工程專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用

吳芳芳，林 皓，郭紹英，胡家朋

（武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

環(huán)境工程專業(yè)是一門集化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地學(xué)等綜合性學(xué)科，具有知識面廣、跨度大實踐性和綜合性強的特點[1]。該學(xué)科以解決復(fù)雜環(huán)境工程問題能力為主要培養(yǎng)目標(biāo)，因此實驗實踐能力的教學(xué)是該學(xué)科重要教學(xué)內(nèi)容。隨著環(huán)保產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，環(huán)保行業(yè)技術(shù)人才市場缺口日益增大，但大多企業(yè)認(rèn)為高校應(yīng)屆畢業(yè)生存在崗位適應(yīng)能力不足、上手能力弱、綜合應(yīng)用能力差等問題[2-3]。建立符合新時代發(fā)展要求的實踐教學(xué)體系，加大實踐和工程訓(xùn)練，熟練掌握工程及運行技能，提高解決復(fù)雜環(huán)境問題的能力是目前高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的迫切需要[4]。

虛擬仿真實驗技術(shù)運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)、數(shù)字化媒體技術(shù)等人機交互、大數(shù)據(jù)、云等多種技術(shù)手段，構(gòu)建一個具有交互效能多維化的信息實驗環(huán)境。因其高效、安全、近乎真實的操作，完成真實實驗不能或很難完成的教學(xué)效果，已經(jīng)在生物[5]、醫(yī)學(xué)[6]、土木[7]等領(lǐng)域的實踐教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。對于成本高、消耗大的大型綜合性實驗項目，虛擬仿真實驗教學(xué)更是呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，對傳統(tǒng)實驗的教學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[8-9]。本文以實驗室廢水處理虛擬仿真實驗建設(shè)為例，通過優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)和程序，提高實訓(xùn)教學(xué)效率，旨在為高校環(huán)境工程專業(yè)開發(fā)虛擬仿真實驗教學(xué)體系提供參考經(jīng)驗和借鑒。

1 虛擬仿真實驗教學(xué)的必要性

目前環(huán)境工程實驗實踐教學(xué)存在以下制約因素[10-13]：（1）為滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，需要開設(shè)大量實驗實踐課程，在傳統(tǒng)實操模式下，實踐教學(xué)總體費用升高；（2）由于專業(yè)特點，許多綜合性實驗項目設(shè)施占地面積大、儀器設(shè)備繁雜，實驗耗材多，而較難開設(shè)。尤其是處理系統(tǒng)的運行管理和過程優(yōu)化等無法在短時間內(nèi)直觀體現(xiàn)；（3）部分實驗涉及大型貴重儀器設(shè)備，臺套數(shù)不足，學(xué)生無法親自操作，只能以觀察來代替動手操作；（4）實踐實習(xí)場所，受場地、人員、安全等因素限制，大多只接受參觀認(rèn)知，無法觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更不能進(jìn)行運行操作。

虛擬仿真實驗采用過程模擬仿真技術(shù)，將設(shè)備工作原理算法化，根據(jù)工藝流程結(jié)構(gòu)、環(huán)境工程原理、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等原理搭建數(shù)學(xué)模型。通過交互式操作將前臺的用戶操作指令傳送到后臺的數(shù)學(xué)模型中，經(jīng)數(shù)學(xué)模型的運算實時表征出各個工藝數(shù)據(jù)的真實值，借此反饋出每一個操作條件變化與工藝現(xiàn)象之間的關(guān)系，模擬出實際生產(chǎn)環(huán)境下的實時參數(shù)變化。因其具有生動形象、操作簡單、綠色安全、實驗投資少，可滿足大批量學(xué)生同時操作的特點，逐漸發(fā)展成為實踐教學(xué)的重要手段[14-15]。

2 環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學(xué)的實施

2.1 仿真實驗項目建設(shè)內(nèi)容

實驗室廢水成分復(fù)雜多變，需要根據(jù)不同的廢水水質(zhì)情況選擇采用不同的組合方法來處理。項目采用DCS組態(tài)軟件對處理工藝進(jìn)行模擬，還原一個完整的實驗室綜合廢水處理站和模擬學(xué)員下廠實習(xí)過程的情景。以逼真形象展示水處理相關(guān)設(shè)備、各儀表等的運行，綜合訓(xùn)練學(xué)生對工藝流程、關(guān)鍵設(shè)備的原理結(jié)構(gòu)、安全、儀表、系統(tǒng)正常開停車、事故處理等操作的能力。

該虛擬仿真實驗可根據(jù)不同的進(jìn)水水質(zhì)情況選擇合理的處理工藝及崗位進(jìn)行訓(xùn)練，圖1為實驗室廢水某一水質(zhì)情況下的工藝流程圖。學(xué)生根據(jù)界面提示逐一進(jìn)行操作，了解廢水處理工藝流程、設(shè)備操控、原理知識、相關(guān)參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造等部分。該系統(tǒng)可將實驗過程全方位、真實地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，集知識掌握和能力培養(yǎng)于一體，能有效地增強教學(xué)效果。

圖1 實驗室廢水某一水質(zhì)情況下的工藝操作界面Fig.1 The process operation interface of a waste water quality situction

2.2 教學(xué)方法

學(xué)生在課前預(yù)先進(jìn)行知識點的學(xué)習(xí)及考核，熟練掌握知識并通過考核后，再進(jìn)行實驗課教學(xué)。實驗課中教師對仿真廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行操作，學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)，了解系統(tǒng)運行操作規(guī)程后進(jìn)行獨立操作。學(xué)生利用計算機輔助手段，對單體工藝過程進(jìn)行分析及工藝參數(shù)調(diào)整，進(jìn)而對水處理過程系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定其各個部位的屬性和性能指標(biāo)。通過該模塊的仿真練習(xí)，讓學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識，掌握處理工藝操作技能，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，提升工程設(shè)計綜合意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。目前虛擬仿真實驗教學(xué)分為四大模塊，分別為知識點學(xué)習(xí)、知識點考核、工藝選擇、工藝操作。

2.2.1 知識點學(xué)習(xí)

通過仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)中將實驗室廢水的特點及涉及處理單元的工藝原理及運行條件等知識點進(jìn)行梳理總結(jié)，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)平臺。知識點包括實驗室廢水處理工藝中常用的物理方法、化學(xué)方法、生物處理方法等。要求學(xué)生在仿真模擬實驗前完成知識點的學(xué)習(xí)。

2.2.2 知識點考核

在軟件界面中設(shè)計了相關(guān)知識點的考核，不僅可以了解學(xué)生對知識點的掌握程度，同時也可加強學(xué)生對知識點的理解及應(yīng)用能力。學(xué)生必須通過知識點考核后才能進(jìn)行實驗操作。

2.2.3 工藝選擇

仿真系統(tǒng)可隨機生成對應(yīng)不同實驗類型的廢水水質(zhì)，學(xué)生通過已掌握的知識點分析判斷廢水的水質(zhì)特征，并依此選擇合理的工藝流程組合進(jìn)行模擬處理。

2.2.4 工藝操作

學(xué)生在充分理解實驗室廢水處理的相關(guān)知識背景下，對過程微觀變化進(jìn)行全面觀察，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，觀察實驗現(xiàn)象、記錄實驗數(shù)據(jù)，通過出水水質(zhì)指標(biāo)判斷工藝參數(shù)優(yōu)化的準(zhǔn)確性，如圖2。建立動態(tài)穩(wěn)定運行工藝的工程理念，達(dá)到傳統(tǒng)實習(xí)及參觀教學(xué)無法企及的教學(xué)效果。

圖2 石英砂-活性炭-微濾的工藝進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Fig.2 The water quality indicators of quartz sand,activated carbon and microfiltration process

2.3 評價考核體系

實驗課程考核成績由理論知識測評、操作技能評價、實驗結(jié)果達(dá)標(biāo)(水質(zhì)分析)考評三部分組成。

2.3.1 理論知識測評

考核學(xué)生對實驗室廢水處理工藝中，所涉及的專業(yè)理論知識的掌握程度，主要形式為軟件中設(shè)置的思考題，教師分發(fā)的試題試卷以及教師的隨堂提問等。例如混凝助凝注意事項、氣浮工藝原理、RO工作原理等，能夠根據(jù)3D的工藝流程圖找到相關(guān)的處理單元，并學(xué)習(xí)和掌握設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造和運行原理，回答教師在課堂上關(guān)于工藝單元、設(shè)備構(gòu)造等方面的提問。理論知識測評成績占總評成績的20%。

2.3.2 實驗操作技能評價

學(xué)生進(jìn)行實驗室廢水處理工藝流程進(jìn)行虛擬仿真實驗操作，系統(tǒng)根據(jù)操作順序、操作規(guī)范和參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性等對操作技能進(jìn)行分析評分，操作技能得分占總評成績的40%。

2.3.3 排放廢水水質(zhì)結(jié)果考評

根據(jù)實驗室廢水處理工藝流程選擇，開車運行調(diào)節(jié)并優(yōu)化工藝運行參數(shù)(包括水力停留時間、加藥量等)，掌握不同運行參數(shù)條件下，系統(tǒng)對廢水的處理效果，要求出水水質(zhì)符合GB/T 18920—2002城市污水再生利用-城市雜用水水質(zhì)的要求。實驗結(jié)果達(dá)標(biāo)考評成績占總評成績的40%。

3 教學(xué)效果

引入仿真實驗教學(xué)兩年來，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性有了明顯提高，參與工程創(chuàng)新性的項目逐年增長，工程理念得到進(jìn)一步提升。通過實驗的開展與完成不僅使學(xué)生了解、熟悉項目各主要環(huán)節(jié)的要求和規(guī)范，在實踐過程中主動學(xué)習(xí)新的知識，提高了文獻(xiàn)收集和分析能力，還激發(fā)學(xué)生對專業(yè)的興趣，促進(jìn)部分學(xué)生繼續(xù)深造學(xué)習(xí)。近幾年學(xué)院每年均有多位學(xué)生考入211等重點大學(xué)進(jìn)行研究生學(xué)習(xí)。在后續(xù)畢業(yè)實習(xí)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生更能針對性地學(xué)習(xí)了解生產(chǎn)運行相關(guān)問題，提高了實習(xí)的針對性和實習(xí)效果。在對用人單位滿意度調(diào)查數(shù)據(jù)表明近兩年來畢業(yè)生在解決復(fù)雜環(huán)境工程問題的能力方面得到了用人單位的高度認(rèn)可和贊揚，大量用人單位因往屆畢業(yè)生的良好工作能力而繼續(xù)錄用應(yīng)屆畢業(yè)生。

4 總結(jié)與展望

由于環(huán)境工程專業(yè)的教學(xué)特點注重實踐，將虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用到實訓(xùn)教學(xué)實踐中，使虛擬仿真教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)有機結(jié)合，不僅解決大型綜合性實驗教學(xué)難以開設(shè)、資金投入大、教學(xué)效果差等問題，還提升學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強化學(xué)生專業(yè)實踐能力，鍛煉學(xué)生綜合素質(zhì)。虛擬仿真實驗教學(xué)優(yōu)化了實踐教學(xué)的內(nèi)容、環(huán)節(jié)、程序、評價等，但是還存在運行環(huán)境的兼容性、視頻交互的流暢性、實訓(xùn)交互的多維性等需改進(jìn)的地方。同時還需進(jìn)一步提升仿真實驗與實操性實驗教學(xué)的融合，共同促進(jìn)環(huán)境工程專業(yè)的實驗教學(xué)效果，提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力。