虛擬仿真助力下污水處理工藝實驗教學(xué)方案設(shè)計與實踐

徐玉萍，鄧 芳，包靜玥，劉 瑤

（武漢工商學(xué)院，武漢 430065）

教育部印發(fā)的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020）年》提出深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育教學(xué)的深度融合，虛擬仿真實驗教學(xué)是信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展的體現(xiàn)，與學(xué)科專業(yè)深度融合帶來的教學(xué)改革和創(chuàng)新，對教育質(zhì)量的提高產(chǎn)生重要積極的作用[1-5]。許多高校環(huán)境工程專業(yè)建立虛擬仿真實驗[6-8]并將之與傳統(tǒng)課程結(jié)合創(chuàng)新教學(xué)方式[9-11]，將虛擬仿真實驗與真實實驗、實訓(xùn)虛實結(jié)合，協(xié)同培養(yǎng)學(xué)生實踐能力。

武漢工商學(xué)院環(huán)境工程系自主研發(fā)“污水處理工藝虛擬仿真實驗”獲批國家級虛擬仿真實驗項目，并建立了包含水污染指標(biāo)檢測實驗、污水處理工藝設(shè)計和污水處理系統(tǒng)仿真運(yùn)行三個模塊的污水處理虛擬仿真實驗平臺。依托該平臺創(chuàng)新實踐教學(xué)手段，在污水處理工藝實驗中采用虛實結(jié)合的模式，提高了學(xué)生綜合實驗?zāi)芰?、自主?chuàng)新和實踐能力，對提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)效果起到積極促進(jìn)作用。

一、污水處理工藝實驗教學(xué)方案

（一）教學(xué)方案設(shè)計

傳統(tǒng)課程體系中水污染控制工程課程設(shè)計針對污水處理廠進(jìn)行工藝設(shè)計，學(xué)生按設(shè)計任務(wù)書完成工藝設(shè)計計算，編制設(shè)計說明書，繪制工藝設(shè)計圖。污水處理工藝全流程運(yùn)行實驗因流程長、系統(tǒng)龐大復(fù)雜，以及設(shè)備、場地及實驗周期等原因，無法在實驗室開設(shè)，因而學(xué)生的學(xué)習(xí)只停留在設(shè)計階段，對污水處理單元工作原理的理解仍停留在理論。為適應(yīng)教育信息化大趨勢，武漢工商學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)自主研發(fā)了污水處理工藝虛擬仿真實驗，解決了這類復(fù)雜實驗無法開設(shè)的難題。將傳統(tǒng)課程體系中水污染控制工程課程設(shè)計和虛擬仿真實驗結(jié)合，在虛擬仿真助力下將工藝設(shè)計成果通過虛擬仿真實現(xiàn)，并開展工藝全流程運(yùn)行實驗，進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置、調(diào)整、優(yōu)化及故障的處理。通過學(xué)習(xí)可加深學(xué)生對有關(guān)廢水處理理論的理解，掌握污水處理工藝設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生水處理工藝工程系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和運(yùn)行等工程實踐能力。

（二）CDIO 實驗原理

水污染控制工程課程設(shè)計在傳統(tǒng)教學(xué)中按照構(gòu)思工藝流程、污水處理廠工藝設(shè)計的過程完成這一教學(xué)活動，即通過CDIO 中C 構(gòu)思（Conceive）、D 設(shè)計（Design）環(huán)節(jié)，完成污水處理工藝設(shè)計。然后借助虛擬仿真，構(gòu)建并運(yùn)行仿真污水處理廠，即開展I 實施（Implement）和O運(yùn)行（Operate）。在虛擬仿真助力下，通過虛實結(jié)合教學(xué)模式可完成污水處理工藝從設(shè)計研發(fā)到運(yùn)行整個生命周期，使學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而在工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。虛擬仿真助力下“污水處理工藝”實驗設(shè)計階段及CDIO 實驗原理如圖1 所示。

圖1 實驗設(shè)計階段及原理

（三）虛實結(jié)合教學(xué)實施過程

污水處理工藝實驗包括污水處理工藝設(shè)計和污水處理廠運(yùn)行實驗，其中工藝設(shè)計包括工藝流程搭建、單體構(gòu)筑物設(shè)計計算、總平面布置、工藝管線布置、高程計算及布置。按照實驗過程全程虛實結(jié)合，構(gòu)建污水處理工藝設(shè)計、污水處理廠運(yùn)行管理能力培養(yǎng)模式。

1.虛擬仿真實驗步驟

進(jìn)入虛擬仿真實驗平臺污水處理工藝設(shè)計模塊，模擬工藝設(shè)計、運(yùn)行、管理整個過程。按照工程設(shè)計的流程，先經(jīng)過工藝流程搭建、單體構(gòu)筑物設(shè)計、總平面布置和工藝管線布置，完成污水處理工藝的設(shè)計；然后在3D場景中搭建仿真污水處理廠、開展仿真污水廠運(yùn)行實驗，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，最后可進(jìn)入仿真污水廠進(jìn)行運(yùn)行、管理。實驗平臺將龐大復(fù)雜的處理工藝分解，將污水處理構(gòu)筑物積木化、可視化，可瀏覽構(gòu)筑物三維圖掌握構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更好地理解其功能、作用和設(shè)計方法。3D場景中通過拖拽單體構(gòu)筑物三維模型進(jìn)行總體布置。在DCS 界面進(jìn)行仿真污水處理廠全流程實驗，通過設(shè)定、調(diào)整優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，觀察和記錄運(yùn)行參數(shù)與出水水質(zhì)的響應(yīng)情況并記錄數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)出水的達(dá)標(biāo)排放。具體實驗流程如圖2 所示。

圖2 虛擬仿真實驗流程

2.虛實結(jié)合的實驗過程

虛擬仿真實驗可完成全流程污水處理工藝實驗，但污水處理工藝設(shè)計計算關(guān)聯(lián)性復(fù)雜，無法完成完整的設(shè)計計算，開展水污染控制工程課程設(shè)計是必不可少的，虛擬仿真實驗和水污染控制工程課程設(shè)計二者虛實結(jié)合、優(yōu)勢互補(bǔ)，形成虛實結(jié)合污水處理工藝實驗，實驗全過程采用虛實結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生工藝設(shè)計能力、工程開發(fā)能力，教學(xué)過程如圖3 所示。

圖3 污水處理工藝實驗教學(xué)過程

（1）指導(dǎo)學(xué)生在虛擬仿真平臺進(jìn)行線上練習(xí)，熟悉水處理工藝設(shè)計的整個流程，通過反復(fù)練習(xí)，掌握設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、工程技術(shù)規(guī)范的應(yīng)用，初步掌握污水處理工藝設(shè)計要求和方法。通過虛擬仿真實驗平臺考核學(xué)生實驗掌握情況，完成實驗后系統(tǒng)自動輸出實驗報告，實驗分?jǐn)?shù)達(dá)到要求后可開始進(jìn)行課程設(shè)計。

（2）在線下課程設(shè)計中，下發(fā)設(shè)計任務(wù)后，完成污水處理工藝設(shè)計中工藝流程搭建、單體構(gòu)筑物設(shè)計計算，此過程以虛擬仿真實驗為輔助，設(shè)計計算中參考構(gòu)筑物三維模型，了解構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更好的理解和掌握構(gòu)筑物設(shè)計方法。

（3）總平面布置之前，將設(shè)計計算結(jié)果輸入虛擬仿真實驗中，在模擬場景中練習(xí)平面布置和工藝管線布置，虛擬仿真實驗中學(xué)生可通過反復(fù)試錯糾錯，掌握平面布置的要點，且抽象問題可具象化，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（4）在線下設(shè)計中進(jìn)行總平面布置、工藝管線布置和高程布置，掌握工程設(shè)計圖紙繪圖要求，完成設(shè)計圖紙。工藝管線布置中，因平面圖中難以直觀構(gòu)筑物進(jìn)出水口，容易出現(xiàn)管線誤接，可進(jìn)入仿真三維模型中瀏覽，充分了解構(gòu)筑物內(nèi)部構(gòu)造，輔助進(jìn)行管線布置。

（5）完成整個設(shè)計計算及設(shè)計圖紙后，在虛擬仿真實驗3D 場景中，按照平面布置圖布置構(gòu)筑物及管線，“建設(shè)”仿真污水處理廠，進(jìn)行污水處理工藝全流程實驗，調(diào)整優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)。

污水處理工藝實驗全流程中虛實結(jié)合的實施過程如圖4 所示。

圖4 污水處理工藝實驗虛實結(jié)合的實施過程

二、實施效果

虛擬仿真助力下污水處理工藝實驗按照CDIO 理念精心設(shè)計，全過程虛實結(jié)合教學(xué)，可解決污水處理廠工藝設(shè)計成果無法實現(xiàn)，設(shè)計環(huán)節(jié)與運(yùn)行實驗、運(yùn)行管理脫離的問題，可解決單一虛擬仿真實驗弊端，另外結(jié)合專業(yè)實習(xí)，可使工藝從設(shè)計到運(yùn)行管理先虛后實，再虛再實，層層遞進(jìn)螺旋上升，取得良好效果，有助于學(xué)生工藝設(shè)計能力、工程開發(fā)能力的培養(yǎng)。通過問卷調(diào)查學(xué)生評價反饋、成績分析、仿真平臺學(xué)習(xí)情況統(tǒng)計，對比虛實結(jié)合污水處理工藝實驗方案實施前后數(shù)據(jù)，具體見表1、表2，可得出實施效果如下。

表1 虛實結(jié)合實驗方案實施效果統(tǒng)計分析（一）

表2 虛實結(jié)合實驗方案實施效果統(tǒng)計分析（二）

（1）實行該模式教學(xué)，使學(xué)生先通過虛擬仿真實驗掌握污水處理工藝設(shè)計流程和方法，先仿后做；通過學(xué)習(xí)、瀏覽工程案例、工程設(shè)計資料和仿真平臺三維模型，使構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視化；大大提高了設(shè)計環(huán)節(jié)的效率和準(zhǔn)確率，實驗成果平均分、高分比例有明顯提高。

（2）設(shè)計污水處理廠后在仿真平臺搭建仿真污水廠，使相對抽象的設(shè)計成果可以直觀表達(dá)出，增強(qiáng)學(xué)習(xí)趣味性，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，絕大多數(shù)學(xué)生對本實驗方案表示滿意（92%），并希望將虛擬仿真技術(shù)推廣到印染廢水、垃圾滲濾液等典型工業(yè)廢水。

（3）通過仿真污水廠運(yùn)行和后續(xù)專業(yè)實習(xí)，可培養(yǎng)學(xué)生工藝設(shè)計能力和運(yùn)行管理能力。通過先虛后實的工程實踐，學(xué)生可掌握多種設(shè)備運(yùn)行控制，完成污水廠運(yùn)行管理和事故應(yīng)急處理，提升專業(yè)實習(xí)效果。

（4）在虛擬仿真助力下，學(xué)生可從污水處理廠構(gòu)思、設(shè)計到實施、到運(yùn)行，完成整個污水處理工藝實驗，可使污水處理知識系統(tǒng)化、具象化、立體化、實用化，增強(qiáng)感知性和趣味性，使學(xué)生以主動的方式學(xué)習(xí)污水處理基本知識。

三、虛擬仿真助力下實驗項目特色

（一）多樣化的教學(xué)方法

（1）以CDIO 工程教學(xué)理念組織教學(xué)過程。以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，以水污染控制工程實驗教學(xué)內(nèi)容為指向，通過構(gòu)思、設(shè)計、實施和運(yùn)行四個實驗環(huán)節(jié)，以“虛實”結(jié)合、以虛補(bǔ)實進(jìn)行工程情景模擬實驗教學(xué)，提高了學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力。

（2）任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)，問題探究式學(xué)習(xí)。在水污染控制工程課程設(shè)計一開始就向?qū)W生明確布置設(shè)計和運(yùn)行任務(wù)，并引入污水處理工藝實驗仿真平臺，以任務(wù)為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生帶著任務(wù)在探索中自主學(xué)習(xí)。將以傳授知識為主的傳統(tǒng)教學(xué)理念，轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問題、完成任務(wù)為主的多維互動式的教學(xué)理念，將再現(xiàn)式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄渴綄W(xué)習(xí)，使學(xué)生處于積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

（3）案例教學(xué)，情景再現(xiàn)。虛擬仿真實驗平臺中涉及到多門專業(yè)課程的相關(guān)知識點，收集有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范、設(shè)計手冊等，同時提供了三維動畫、視頻、照片圖文和污水處理廠工程案例等多種教學(xué)資源，教師可以直接在教學(xué)中調(diào)用、展示這些資料，進(jìn)行案例教學(xué)，常見設(shè)備和構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)、工作原理在虛擬場景中得到了清晰的展現(xiàn)，學(xué)生可身臨其境進(jìn)入工程案例中的仿真污水廠進(jìn)行瀏覽，使學(xué)生有更加深刻的感性認(rèn)識，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。

（二）全方位的評價

虛擬仿真實驗工藝流程搭建、工程設(shè)計計算、總平面布置和運(yùn)行實驗等環(huán)節(jié)中包括客觀題和主觀題，客觀部分直接利用系統(tǒng)進(jìn)行評價給分，系統(tǒng)評分具有激勵式、容錯式的特點，強(qiáng)調(diào)操作過程中允許更正和糾錯。主觀部分如總平面布置，通過系統(tǒng)導(dǎo)出布置圖，由教師給出評閱意見并評分。課程設(shè)計完成后進(jìn)行答辯，由學(xué)生自評、互評，教師評價給分。線上線下采用多樣化評價方式，進(jìn)行全方位考核，給出量化但具有個性化的評價結(jié)果。

（三）傳統(tǒng)教學(xué)的延伸和拓展

虛擬仿真助力下污水處理工藝實驗教學(xué)，通過虛實結(jié)合、以虛補(bǔ)實進(jìn)行工程情景模擬，推進(jìn)了現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)的深度融合，拓展了實驗教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸了實驗教學(xué)時間和空間；另外虛擬仿真工程設(shè)計、水質(zhì)檢測、運(yùn)行操作貫通了多門專業(yè)課程間的知識聯(lián)結(jié)，形成了實驗—實訓(xùn)—實習(xí)三位一體虛實結(jié)合課程體系。

四、結(jié)束語

虛擬仿真實驗項目污水處理工藝實驗與水污染控制課程設(shè)計融合，形成了虛實結(jié)合的教學(xué)模式，使學(xué)生能夠更系統(tǒng)地掌握污水處理工藝設(shè)計、污水指標(biāo)檢測、工藝運(yùn)行等專業(yè)知識。虛擬仿真實驗項目將持續(xù)建設(shè)與更新，不斷累積污水處理新工藝、新技術(shù)，拓展工程案例，與工程實踐無縫對接，逐步形成產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)一體化創(chuàng)新的虛擬仿真實驗教學(xué)體系，并將之與環(huán)境工程專業(yè)水處理方向?qū)I(yè)課程融合，構(gòu)建出與虛擬仿真模塊結(jié)合的“基礎(chǔ)—綜合—創(chuàng)新”三層次，“虛理、虛實、虛創(chuàng)”三結(jié)合的多層次教學(xué)體系，創(chuàng)新才人培養(yǎng)模式和教學(xué)方法，強(qiáng)化大學(xué)生綜合能力訓(xùn)練，培養(yǎng)適合創(chuàng)新性國家建設(shè)的應(yīng)用型創(chuàng)新人才。