新工科建設(shè)背景下環(huán)境工程實訓(xùn)與虛擬仿真的教學(xué)融合研究*

程 聰，呂康樂**，丁耀斌，周俊鍬，熊 玲，葉楊龍

(1.中南民族大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢鑫測檢測技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430074)

2017年，教育部在高等教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會上，達成“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識。其中，提出要加快建設(shè)和發(fā)展新工科：除了設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)外，還要推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新。需要加強工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合，在教學(xué)各個環(huán)節(jié)中主動對接產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新要求，把握行業(yè)人才需求方向。改革培養(yǎng)機制、強化實習實訓(xùn)、通過校企合作共建課程、共建實驗室和實訓(xùn)實習基地，促進人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求緊密結(jié)合。中南民族大學(xué)2017年開始申請環(huán)境工程專業(yè)工程教育認證，從培養(yǎng)環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生工程能力角度出發(fā)，一直積極探索建立工程教育實踐平臺和成熟的實踐教學(xué)體系，積極與企業(yè)聯(lián)系開展產(chǎn)學(xué)研項目，陸續(xù)建立了校內(nèi)工程中式實訓(xùn)平臺、虛擬仿真實驗室，并開展工程實訓(xùn)與虛擬仿真的教學(xué)融合研究。

1 教學(xué)融合的目的

1)解決環(huán)境工程實踐教學(xué)受制于生產(chǎn)企業(yè)的被動局面，保證環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)教學(xué)活動的正常秩序[1]。

2)構(gòu)建學(xué)校自有的校內(nèi)工程中式實訓(xùn)平臺和虛擬仿真實驗室，讓實踐教學(xué)的“學(xué)”與“做”落到實處。保證學(xué)生復(fù)雜工程問題能力得到充分的訓(xùn)練。

3)化解純虛擬仿真實驗的弊端。結(jié)合實體實驗和虛擬仿真實驗的優(yōu)點，加強虛擬仿真與中試實訓(xùn)工程教育集約化平臺的構(gòu)建；將工程實訓(xùn)與虛擬仿真教學(xué)手段相融合，設(shè)計環(huán)境工程中式實訓(xùn)與仿真實驗相結(jié)合的實踐教學(xué)體系；實施“傳統(tǒng)實驗——工程中式實訓(xùn)——仿真實驗”螺旋式學(xué)習，在校內(nèi)就能實現(xiàn)“兩次循環(huán)、虛實結(jié)合”：理論學(xué)習——校內(nèi)實驗——理論學(xué)習，虛擬仿真實驗——工程中式實訓(xùn)實驗——理論學(xué)習[2-4]。

2 工程中式實訓(xùn)平臺搭建

工程中式實訓(xùn)平臺是為了滿足生產(chǎn)實訓(xùn)教學(xué)而建立的。我院從2017年開始申請環(huán)境專業(yè)工程教育認證，一直探索構(gòu)建適合環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生校內(nèi)生產(chǎn)實習實訓(xùn)中試平臺。目前建成了環(huán)境工程專業(yè)工程演示實驗室。構(gòu)建水環(huán)境監(jiān)測與治理技術(shù)實驗/開發(fā)平臺，小型氣體脫硫?qū)嶒炑b置，揮發(fā)性有機物(VOCs)吸附脫附裝置，生物接觸氧化法處理有機工業(yè)廢水系統(tǒng)。該平臺涉及水、氣兩大知識領(lǐng)域，污水處理系統(tǒng)和大氣處理系統(tǒng)均無限接近工程實際，是本院教師根據(jù)實際工程項目需要自主或半自主設(shè)計。中式實訓(xùn)平臺的設(shè)備大部分是由透明的有機玻璃材質(zhì)制成，這樣即使設(shè)備在有負荷狀態(tài)下運行，學(xué)生也能看清設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行情況，比外出工廠參觀實習更直觀。同時，水處理系統(tǒng)和大氣處理系統(tǒng)均無限接近工程實際，學(xué)生在校內(nèi)就能進行工藝運行實操，不止限于只看不練、脫離實際的理論學(xué)習。

水環(huán)境監(jiān)測與治理技術(shù)實驗/開發(fā)平臺是一套完整污水處理工藝模型，如圖1所示。它按照實際污水處理工藝項目縮比建成，平臺采用模塊化設(shè)計。供水系統(tǒng)包括：原水箱，其中，污水處理系統(tǒng)，在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)由有機玻璃材質(zhì)的不同水處理構(gòu)筑物組成，包括格柵調(diào)節(jié)池、沉砂池、A2/O生物反應(yīng)器、MBR生物膜反應(yīng)器、活性炭吸附柱、SBR池、砂濾柱、加藥池等；在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)包括電氣控制柜、觸摸屏、PLC可編程控制器、組態(tài)監(jiān)控軟件、DO和PH在線監(jiān)測儀等。通過水處理構(gòu)筑物的不同組合，構(gòu)建多種水處理工藝，同時還可以對構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改造，建成新的處理單元。目前改造成功的有：沉砂池改裝成斜板沉淀池和斜管沉淀池，A2/O生物反應(yīng)器改裝成微電解反應(yīng)池，SBR池改裝為Fenton反應(yīng)池或混凝攪拌池。學(xué)生可以根據(jù)污水水質(zhì)設(shè)計出不同的水處理組合工藝，然后進行管道改裝連接、電氣連接及工藝運行調(diào)試，同時還可以根據(jù)工藝流程需要對PLC可編程控制程序進行改寫。污水水質(zhì)分析——水處理方案的比選與確定——構(gòu)筑物及設(shè)備的選擇與改造、運行參數(shù)等的設(shè)計——設(shè)備及管道連接——水處理工藝運行與調(diào)試——PLC自動運行控制與水質(zhì)在線監(jiān)測——出水水質(zhì)監(jiān)測，學(xué)生整套流程操作和校外企業(yè)員工做水處理項目一致，學(xué)生經(jīng)過訓(xùn)練可直接與生產(chǎn)實際結(jié)合。

圖1 工程中式實訓(xùn)平臺——水環(huán)境監(jiān)測與治理技術(shù)實驗/開發(fā)平臺

3 虛擬仿真實訓(xùn)平臺搭建

我校虛擬仿真實訓(xùn)中心是整合原有相關(guān)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)的校級虛擬仿真/工程實訓(xùn)平臺，中心配有高清融合投影系統(tǒng)、服務(wù)站、工作站、仿真實訓(xùn)平臺和工程制度等各類專業(yè)設(shè)備軟件，并收藏工程設(shè)計相關(guān)的各類型手冊、書籍和圖紙800余冊，可滿足全校師生開展虛擬仿真、工程設(shè)計、生產(chǎn)實習和課程設(shè)計等教學(xué)、教改活動。圍繞環(huán)境工程核心課程群，開發(fā)虛擬仿真實驗實訓(xùn)軟件。目前，開發(fā)了城市污水處理廠3D仿真實訓(xùn)軟件、大氣污染控制仿真實訓(xùn)軟件之旋風除塵實驗、BOD5測定實驗仿真軟件、總氮測定實驗仿真軟件等。

以城市污水處理廠3D仿真實訓(xùn)軟件為例。針對氣浮工藝、氧化溝工藝、SBR工藝、UASB工藝、生物接觸氧化工藝等，建立虛擬仿真實驗?zāi)K，模擬工藝中泵房、沉砂池、初沉池、曝氣池、二沉池、污泥濃縮池等水處理構(gòu)筑物的正常運行操作，模擬污水處理廠常見設(shè)備故障操作，模擬污水處理廠常見工藝事故處理操作，并可通過參數(shù)調(diào)整產(chǎn)生相應(yīng)的正常或故障響應(yīng)。

實驗軟件有工藝正常運行以及開、停車、事故處理等操作，具有情節(jié)、角色等概念的交互式操作系統(tǒng)，2020—2021年疫情期間，承擔了我院所有在校學(xué)生生產(chǎn)操作實習和畢業(yè)實習。仿真實驗將正常的工藝操作仿真和事故處理模擬相整合，同時兼顧中控室里的DCS操作培訓(xùn)、室外操作培訓(xùn)和應(yīng)急預(yù)案處理條例培訓(xùn)等，最終滿足實驗教學(xué)與課程考核功能等的要求[5-6]。

4 工程實訓(xùn)與虛擬仿真教學(xué)融合實施過程

以污水處理廠設(shè)計項目為例，該虛實結(jié)合的實驗教學(xué)項目包括：城市污水處理廠3D仿真軟件訓(xùn)練，水處理工藝方案設(shè)計，基于工程中式實訓(xùn)平臺，構(gòu)筑物及設(shè)備的改造與管道連接，基于中試平臺運行水處理工藝運行調(diào)試直至出水水質(zhì)達標，回到虛擬仿真平臺實訓(xùn)操作及水質(zhì)監(jiān)測。教學(xué)實施過程如圖2所示。

圖2 教學(xué)實施過程

1)實驗前。通過對水污染控制工程等環(huán)境工程專業(yè)核心課程理論知識的學(xué)習，掌握水處理工藝流程理論知識，學(xué)會根據(jù)實際水處理工程項目需求，進行水處理方案的比選；學(xué)習CAD畫圖軟件，我院CAD課程在虛擬仿真實驗室開設(shè)，教師講解CAD課程時，引入城市污水處理廠3D仿真軟件的講解；最終學(xué)生能夠獨立畫出水處理單元設(shè)計圖紙。

2)虛擬仿真實驗。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師先在中式實訓(xùn)平臺和仿真水處理系統(tǒng)上進行演示，學(xué)生在虛擬仿真軟件可以很直觀地看清楚水處理工藝流程、運行及每個處理單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)；學(xué)生人手一機，觀摩學(xué)習，了解整個工程運行操作規(guī)程與原理，如系統(tǒng)或每個水處理單元的起停車、故障停車的基本操作、設(shè)備運行控制方法、故障查詢操作方法等，學(xué)生可以從外形到內(nèi)部構(gòu)造進行認知學(xué)習；之后學(xué)生在仿真系統(tǒng)上動手練習，模擬與污水處理廠同步的運行管理操作，不必擔心對設(shè)備的損傷，通過反復(fù)的實操達到實踐教學(xué)目的。同時每個水處理單元的仿真模型在工程中式實訓(xùn)平臺都有原型化的裝置，在仿真訓(xùn)練的基礎(chǔ)上再回到中式實訓(xùn)平臺，對原型化處理單元進行操作，實現(xiàn)虛實結(jié)合，比較與分析，實踐能力得到螺旋式提升。

在虛擬仿真實驗中，學(xué)生將虛擬仿真與污水處理廠實習和工程中式實訓(xùn)平臺對比，掌握污水處理工藝各處理單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理、設(shè)備操作、工序銜接、PLC控制。

3)工程中式實訓(xùn)。這一教學(xué)環(huán)節(jié)是以設(shè)計并實現(xiàn)水處理工程項目的方式提出教學(xué)任務(wù)：要求學(xué)生根據(jù)待處理的污水水質(zhì)與水量，設(shè)計并提交水處理工藝方案及其設(shè)計圖紙，然后在中式實訓(xùn)平臺是根據(jù)水處理設(shè)計方案進行設(shè)備改造與管道連接，在進行工藝的運行與參數(shù)調(diào)試，使得最終出水水質(zhì)達到排放標準，運行穩(wěn)定后對水質(zhì)進行實時監(jiān)測并學(xué)會基本的PLC遠程控制。

通過實際工程中式實訓(xùn)操作，掌握水處理工藝流程與運行操作方法，在工序銜接、流程操作與控制結(jié)果方面，將工程中式實訓(xùn)操作與虛擬仿真相結(jié)合，了解水處理工程運行操作規(guī)程，如系統(tǒng)的起停車、故障停車的基本操作、設(shè)備運行控制方法、故障查詢操作方法等，培養(yǎng)學(xué)生的工藝設(shè)計能力與運行管理能力。

5 實施效果

工程實訓(xùn)與虛擬仿真教學(xué)融合的實施，堅持了以“工程能力學(xué)習成果為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心”的工程教育認證理念，實現(xiàn)了仿真技術(shù)與工程環(huán)境的靈活切換，調(diào)動了學(xué)生實驗操作積極性，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習能力，在這兩大平臺上可以完成多項環(huán)境工程專業(yè)實驗、實習、設(shè)計等實踐教學(xué)項目，虛實結(jié)合，達到知識、能力培養(yǎng)要求。

在后期的實踐教學(xué)改革中，還應(yīng)不斷完善仿真教學(xué)軟件的功能，建立針對水、氣、固廢處理多種工藝系統(tǒng)軟件和工程中式實訓(xùn)平臺，建立和完善“理論教學(xué)+虛擬仿真+工程中式實訓(xùn)操作”的三維教學(xué)模式，保證實踐教學(xué)質(zhì)量螺旋式上升。