基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的水處理教學(xué)體系重構(gòu)與實(shí)施

＊徐玉萍 鄭丹 陶玲 鄧芳

（武漢工商學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院 湖北 430070）

隨著信息化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)家提出深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育教學(xué)的深度融合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是信息技術(shù)與教育教學(xué)融合發(fā)展的體現(xiàn)，各個(gè)高校積極建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[1-5]，并對(duì)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)體系及教學(xué)方法進(jìn)行革新[6-8]，取得了顯著的成效。我校環(huán)境工程專業(yè)自主研發(fā)“污水處理工藝虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”獲批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將其與環(huán)境工程專業(yè)水處理課程群深度融合，整合教學(xué)內(nèi)容，重構(gòu)虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)體系，并持續(xù)更新教學(xué)內(nèi)容，對(duì)提升學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力有實(shí)際意義。

1.污水處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要結(jié)合，是學(xué)科專業(yè)知識(shí)體系與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。開發(fā)污水處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，促進(jìn)以學(xué)生為中心的教學(xué)體系建設(shè)，有利于提升學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力和工程能力，推動(dòng)創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)。我校環(huán)境工程專業(yè)自主研發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了污水處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)包括水污染指標(biāo)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、污水處理工藝設(shè)計(jì)、污水處理系統(tǒng)仿真運(yùn)行實(shí)驗(yàn)三個(gè)模塊，見圖1～4。能夠開展常規(guī)污水指標(biāo)檢測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)；可按照CDIO理念，利用工藝設(shè)計(jì)模塊中構(gòu)筑物積木單元庫(kù)開展污水處理工藝設(shè)計(jì)；另外開展污水處理廠運(yùn)行管理安全教育，工藝仿真運(yùn)行，進(jìn)行污水處理工藝全流程實(shí)驗(yàn)及典型事故處理等。

圖1 污水處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊及功能

(1)水污染指標(biāo)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

該模塊重點(diǎn)面向污水處理廠運(yùn)行過程中常規(guī)指標(biāo)（BOD5、COD、SS、MLSS、DO、TN、TP等），建立數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶?kù)，開發(fā)仿真平臺(tái)軟件，學(xué)生可在交互虛擬環(huán)境中針對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行模擬采樣和檢測(cè)。檢測(cè)儀器設(shè)備構(gòu)造可視、實(shí)驗(yàn)過程逼真，學(xué)生在操作過程中需具備環(huán)境監(jiān)測(cè)的基本知識(shí)，通過仿真實(shí)驗(yàn)可直觀、詳細(xì)的了解檢測(cè)實(shí)驗(yàn)完整過程，為真實(shí)實(shí)驗(yàn)科學(xué)性和有效性打下基礎(chǔ)，增加其成功概率，見圖2。

圖2 水污染指標(biāo)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

(2)污水處理工藝設(shè)計(jì)

污水處理工藝設(shè)計(jì)模塊見圖3，該模塊設(shè)置有城市污水、垃圾滲濾液、印染廢水三種典型廢水處理工藝設(shè)計(jì)。利用虛擬仿真技術(shù)和數(shù)字模擬技術(shù)將污水處理單元、設(shè)備解構(gòu)并“積木化”、3D化、可視化，按照CDIO工程教育模式，學(xué)生通過構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行四個(gè)環(huán)節(jié)，完成污水處理工藝設(shè)計(jì)。

圖3 污水處理工藝設(shè)計(jì)

處理構(gòu)筑物設(shè)置為“積木單元庫(kù)”，學(xué)生可根據(jù)污水特點(diǎn)及處理要求構(gòu)思處理方案，靈活搭建工藝，可強(qiáng)化能力為先的人才培養(yǎng)理念，提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極性和主動(dòng)性。“積木單元庫(kù)”中利用3D仿真技術(shù)使處理構(gòu)筑物內(nèi)部可視、具象，學(xué)生可直觀了解構(gòu)筑物內(nèi)部構(gòu)造，幫助其更好的理解和掌握處理單元功能及作用，在總體布置環(huán)節(jié)，可使學(xué)生更好的理解處理構(gòu)筑物之間管線的連接和布局。傳統(tǒng)教學(xué)中無(wú)法將設(shè)計(jì)內(nèi)容變?yōu)閷?shí)體，本模塊實(shí)驗(yàn)操作中學(xué)生可通過拖拽處理單元“3D積木”“建設(shè)”虛擬仿真污水處理廠，實(shí)施設(shè)計(jì)內(nèi)容，完成CDIO中的I環(huán)節(jié)。

(3)污水處理系統(tǒng)仿真運(yùn)行

創(chuàng)建仿真運(yùn)行模塊模擬實(shí)際水處理整體工藝流程，學(xué)生可利用數(shù)字化仿真模型調(diào)整運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行污水處理運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，分析其對(duì)處理效果的影響，更好地了解微觀尺度下水處理設(shè)備內(nèi)部的反應(yīng)機(jī)理和工藝過程，增進(jìn)工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法的創(chuàng)新性思維。另一方面，在模塊預(yù)設(shè)一些生產(chǎn)中常見的非正常情況和生產(chǎn)故障，使學(xué)生在仿真操作中對(duì)生產(chǎn)的全過程進(jìn)行控制。此模塊可解決污水處理工藝流程長(zhǎng)、系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)污水處理全流程實(shí)驗(yàn)的難題，真正實(shí)現(xiàn)CDIO中的O環(huán)節(jié)，可提升學(xué)生在教學(xué)中的參與度和理解度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，見圖4。

圖4 污水處理系統(tǒng)仿真運(yùn)行

2.虛實(shí)結(jié)合的多層次教學(xué)體系構(gòu)建

污水處理是環(huán)境工程專業(yè)的主要研究方向，課程體系龐雜，綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)。為培養(yǎng)學(xué)生水污染控制工藝設(shè)計(jì)能力和工程研發(fā)能力，以“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛、以虛助實(shí)、虛實(shí)互補(bǔ)”為原則，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)深度融合進(jìn)教學(xué)體系，通過梳理教學(xué)內(nèi)容，組織教學(xué)過程，對(duì)理論課程、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程、實(shí)習(xí)及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)統(tǒng)籌安排，構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新意識(shí)為目的的“三層次、三模塊、三結(jié)合”污水處理教學(xué)體系，見圖5。

圖5 “三層次、三模塊、三結(jié)合”污水處理教學(xué)體系

其中，“三層次”即按照應(yīng)用型人才培養(yǎng)規(guī)律，形成“先基礎(chǔ)、再綜合、再到創(chuàng)新實(shí)踐”三個(gè)層次遞進(jìn)為主線的教學(xué)體系。基礎(chǔ)層次包括專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)必修課和專業(yè)選修課，專業(yè)選修課程分為兩大類，一類為培養(yǎng)學(xué)生水污染控制工程開發(fā)能力的實(shí)驗(yàn)課程，一類為培養(yǎng)學(xué)生水污染控制工藝設(shè)計(jì)能力的設(shè)計(jì)類課程。綜合層次主要為集中性實(shí)踐課程，包括課程設(shè)計(jì)及實(shí)訓(xùn)課，均采用CDIO模式教學(xué)。創(chuàng)新實(shí)踐層次包括畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽、科技創(chuàng)新實(shí)踐、學(xué)科競(jìng)賽環(huán)節(jié)。另外專業(yè)認(rèn)知實(shí)習(xí)、專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)、專業(yè)綜合實(shí)習(xí)也構(gòu)成了層層遞進(jìn)的“三層次”。

“三模塊”指虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)水污染指標(biāo)檢測(cè)、污水處理工藝設(shè)計(jì)、污水處理系統(tǒng)仿真運(yùn)行三大模塊。三個(gè)模塊為各層次教學(xué)提供服務(wù)，為學(xué)生學(xué)習(xí)過程提供支持。

“三結(jié)合”即①虛擬仿真教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合——虛、理結(jié)合。在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)理論性強(qiáng)，理解扁平化，全天候開放的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可使學(xué)生在掌握理論知識(shí)后通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步掌握理論應(yīng)用方法，持續(xù)完善知識(shí)結(jié)構(gòu)的建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)專業(yè)知識(shí)體系理解的“理性-感性-理性”螺旋提升。②虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)相結(jié)合——虛、實(shí)結(jié)合。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可通過3D虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)真實(shí)感，增加趣味性，可彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)教學(xué)局限性，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，加深學(xué)生對(duì)水處理理論與工程的深刻理解，大大提高學(xué)生綜合實(shí)踐技能。但學(xué)習(xí)者無(wú)法體會(huì)實(shí)際操作的真實(shí)觸感，因受程序控制，實(shí)驗(yàn)過程不會(huì)出現(xiàn)突發(fā)狀況，難以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)突發(fā)情況的判斷能力和應(yīng)對(duì)能力，另外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可一人操作完成，缺少實(shí)體實(shí)驗(yàn)中團(tuán)隊(duì)合作的機(jī)會(huì)。因此虛實(shí)結(jié)合，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)作為實(shí)體實(shí)驗(yàn)的輔助、補(bǔ)充和拓展，應(yīng)以實(shí)體實(shí)驗(yàn)為主。③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與課外創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合——虛、創(chuàng)結(jié)合。通過與企業(yè)產(chǎn)學(xué)研合作，累積成果，持續(xù)開發(fā)拓展平臺(tái)內(nèi)容及功能，不斷更新虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)水處理新技術(shù)、新工藝，充分發(fā)揮工程技術(shù)企業(yè)和信息技術(shù)企業(yè)在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的積極作用，用其開展創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練、學(xué)科競(jìng)賽、科研。

3.虛實(shí)結(jié)合教學(xué)體系的實(shí)施

（1）整合教育教學(xué)資源，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，貫通專業(yè)課程間的知識(shí)聯(lián)結(jié)，完善學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)。污水處理涉及多門理論課程、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程和環(huán)保有關(guān)政策、相關(guān)法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這些知識(shí)點(diǎn)被割裂在多門課程中進(jìn)行傳授，知識(shí)點(diǎn)脈絡(luò)復(fù)雜，學(xué)生難以將其融會(huì)貫通并用于解決實(shí)際問題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)融合了多門課程的基本知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)技能，并且全天候?qū)W(xué)生開放，通過重構(gòu)環(huán)境工程專業(yè)課程體系，統(tǒng)籌安排課程，對(duì)理論課程中重復(fù)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整合，削減基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，精心組織教學(xué)過程，利用虛擬仿真平臺(tái)輔助課程講授，從而使學(xué)生知識(shí)體系更立體，銜接更緊密。

通過建立資源共建共享機(jī)制、持續(xù)發(fā)展機(jī)制，將污水處理新技術(shù)、新工藝、新成果引入，構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、資源優(yōu)化、運(yùn)行高效、開放共享的污水處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不斷豐富環(huán)境工程專業(yè)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源。

（2）將教師為中心的講授式教學(xué)，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生為中心的探討式教學(xué)。利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將理論課程中抽象的處理方法、處理單元、儀器設(shè)備具象化、動(dòng)態(tài)化，全方位展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和接受程度，課堂上可大大減少基礎(chǔ)概念、原理的講授，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，教師提出問題，組織學(xué)生研討，徹底改變教師為主導(dǎo)，語(yǔ)言闡述為主要方式的教學(xué)模式，形成以學(xué)生為主體，面向問題研討的教學(xué)模式。

虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)體系為學(xué)生營(yíng)造“自主學(xué)習(xí)”的環(huán)境和平臺(tái)，由傳統(tǒng)的“以教促學(xué)”的學(xué)習(xí)方式代之為學(xué)生通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識(shí)、技能的新型學(xué)習(xí)方式，有效實(shí)現(xiàn)以教師為中心向以學(xué)生為中心的轉(zhuǎn)變，提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

（3）通過虛擬仿真項(xiàng)目設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。通過將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新實(shí)踐深度融合，可拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度和深度，可靈活加入多種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生自行設(shè)計(jì)符合實(shí)驗(yàn)要求的實(shí)驗(yàn)方案，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練、學(xué)科競(jìng)賽、科學(xué)研究等教學(xué)過程，實(shí)現(xiàn)專業(yè)教育與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的有機(jī)融合，在知識(shí)傳授的過程中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識(shí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力，使人才培養(yǎng)模式從知識(shí)技能型向應(yīng)用創(chuàng)新型轉(zhuǎn)變。

4.結(jié)論與展望

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和課程體系深度融合，重構(gòu)教學(xué)體系，可推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)的融入，拓展實(shí)踐教學(xué)廣度和深度，延伸教學(xué)時(shí)間和空間，對(duì)提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量和水平有促進(jìn)作用。

虛擬仿真平臺(tái)能夠有效整合各類教學(xué)資源，構(gòu)建技術(shù)先進(jìn)、資源優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并可利用信息技術(shù)及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可使學(xué)生在開放、交互的虛擬環(huán)境中自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)，可促使教學(xué)方式向?qū)W生為中心的探討式教學(xué)轉(zhuǎn)變；通過構(gòu)建多層次、立體化、開放式、虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)體系，是教學(xué)模式和教學(xué)改革的突破口，對(duì)促進(jìn)建立創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，提升學(xué)校辦學(xué)水平和教育質(zhì)量有實(shí)際意義。

通過建立資源共建共享機(jī)制，持續(xù)更新教學(xué)體系。打通校際間虛擬仿真資源共享，鼓勵(lì)企業(yè)和其他社會(huì)力量投入數(shù)字教育資源建設(shè)、提供個(gè)性化服務(wù)，創(chuàng)建用戶按需購(gòu)買產(chǎn)品和服務(wù)的機(jī)制，形成人人參與建設(shè)、不斷推陳出新的優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源共建共享局面。將教師科研及合作企業(yè)創(chuàng)新成果、技術(shù)研發(fā)成果和工程應(yīng)用成果，通過虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行再現(xiàn)，持續(xù)更新教學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真平臺(tái)與工程實(shí)踐無(wú)縫對(duì)接，拉近教學(xué)與工程實(shí)踐的距離，使學(xué)生盡早接觸行業(yè)發(fā)展前沿與先進(jìn)技術(shù)，逐步形成產(chǎn)學(xué)研一體化創(chuàng)新的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，對(duì)提升高校辦學(xué)水平和教育質(zhì)量將產(chǎn)生積極的實(shí)際意義。