水生態(tài)修復(fù)虛擬仿真實訓(xùn)平臺的建設(shè)與應(yīng)用

潘倩?陳華

摘要：基于“雙高計劃”水利水電建筑工程專業(yè)群特色及人才培養(yǎng)方案，依托學(xué)科發(fā)展優(yōu)勢和科研平臺，構(gòu)建了水生態(tài)修復(fù)虛擬仿真實訓(xùn)平臺教學(xué)系統(tǒng)，實訓(xùn)平臺由污染源調(diào)查、水生態(tài)調(diào)查、截污控源及污染治理、水生態(tài)修復(fù)、水生態(tài)工程運(yùn)營維護(hù)五個模塊組成。虛擬仿真實訓(xùn)平臺的應(yīng)用有效地解決了理論課與實踐聯(lián)系不緊密、實踐技能掌握不到位、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、缺乏創(chuàng)新性等諸多現(xiàn)實問題。對教學(xué)應(yīng)用和教學(xué)效果進(jìn)行了探討，以期有助于更有效地利用虛擬仿真實訓(xùn)項目，真正做到為理論教學(xué)提供虛擬素材，為實踐教學(xué)提供輔助手段。

關(guān)鍵詞：高等職業(yè)院校；水生態(tài)修復(fù)；虛擬仿真實訓(xùn)

一、前言

水生態(tài)修復(fù)專業(yè)是多學(xué)科交叉融合而成的復(fù)合型專業(yè)，涉及環(huán)境工程、水利工程、水污染控制、景觀學(xué)等諸多領(lǐng)域[1-2]。受政策效應(yīng)、社會需求、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多因素的協(xié)同驅(qū)動，水生態(tài)修復(fù)專業(yè)人才需求激增，水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的推進(jìn)急需一批具備理論與實踐經(jīng)驗的專業(yè)人才，因此，相關(guān)的教學(xué)越來越重視學(xué)生對復(fù)雜工程問題的認(rèn)知、研判和設(shè)計能力，關(guān)注學(xué)生在實踐中的經(jīng)驗積累，這也進(jìn)一步提升了實踐教學(xué)在培養(yǎng)方案中的權(quán)重。

以水生態(tài)修復(fù)技術(shù)課程的相關(guān)實踐為例，傳統(tǒng)的實訓(xùn)實踐成本高、風(fēng)險大，實訓(xùn)尺度下又難以復(fù)原工程原貌。加之受到疫情影響，學(xué)生外出實踐面臨著較高的風(fēng)險和不確定性。因此，為保障教學(xué)活動的有序進(jìn)行，有必要設(shè)計補(bǔ)償性或替代性方案。虛擬仿真實訓(xùn)具有成本低、互動性強(qiáng)等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于相關(guān)工程專業(yè)的各類教學(xué)和實踐中[3]，教學(xué)與實踐必須實現(xiàn)有機(jī)融合。虛擬仿真實訓(xùn)的意義在于通過學(xué)科交叉融合，對新專業(yè)、新課程、新理論展開研究與實踐，實現(xiàn)學(xué)生專業(yè)實踐能力的成長，同時促進(jìn)理論與實踐有機(jī)銜接，打通專業(yè)學(xué)習(xí)到實踐實習(xí)、職業(yè)實訓(xùn)到思維創(chuàng)新的發(fā)展隔閡[4]。

深圳市茅洲河生態(tài)治理工程先后入選水利部全面推行河長制湖長制典型案例、生態(tài)環(huán)境部美麗河湖推介案例和廣東省十大美麗河湖案例，形成了一系列可復(fù)制、可推廣的水環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)經(jīng)驗。本研究以實際的生態(tài)修復(fù)工作流程為主線，基于自主探究式、人機(jī)交互式、虛實結(jié)合式等三種方式結(jié)合的教學(xué)方法，開發(fā)了我國首個以茅洲河生態(tài)治污典型案例為素材的水生態(tài)修復(fù)虛擬仿真實訓(xùn)。通過仿真實訓(xùn)操作，學(xué)生可對流域生態(tài)修復(fù)技術(shù)措施有整體、直觀的認(rèn)識。

基于“雙高計劃”水利水電建筑工程專業(yè)群特色及人才培養(yǎng)方案，依托學(xué)科發(fā)展優(yōu)勢和科研平臺，構(gòu)建了水生態(tài)修復(fù)虛擬仿真實訓(xùn)平臺，在傳統(tǒng)理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，增加污染源調(diào)查、水生態(tài)調(diào)查、截污控源及污染治理、水生態(tài)修復(fù)、水生態(tài)工程運(yùn)營維護(hù)等傳統(tǒng)教學(xué)及實訓(xùn)難以實施的戶外大尺度實訓(xùn)內(nèi)容，拓寬了高職院校實踐教學(xué)的深度和廣度，增加實踐教學(xué)趣味性，提高學(xué)生的積極性，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、科研能力等。

二、虛擬仿真實訓(xùn)平臺建設(shè)內(nèi)容

以水生態(tài)修復(fù)工程項目實施流程為主線進(jìn)行開發(fā)，重點(diǎn)包括污染源調(diào)查、水生態(tài)調(diào)查、截污控源及污染治理、水生態(tài)修復(fù)、水生態(tài)工程運(yùn)營維護(hù)等五大模塊任務(wù)（見圖1）。

（一）污染源調(diào)查模塊

污染源調(diào)查是水生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)性工作，污染源識別、溯源是從業(yè)者的基本技能，本模塊以茅洲河典型斷面為三維場景，學(xué)生可以在虛擬空間中漫游（見圖2），在場景漫游中設(shè)置各項疑似污染源信息。污染源涉及多類別的點(diǎn)源、面源污染，學(xué)生對污染源進(jìn)行逐一排查、識別，并判斷是否對河流水質(zhì)造成重要的影響（見圖3、圖4），有效提高學(xué)生對污染源的調(diào)查方法、理論計算及識別的能力。

（二）水生態(tài)調(diào)查模塊

學(xué)生進(jìn)入虛擬場景后使用調(diào)查工具，調(diào)查水域的水質(zhì)理化指標(biāo)、水生動物、浮游藻類及水生植物，了解河湖生態(tài)基本狀況，掌握生態(tài)調(diào)查方法，主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)。布設(shè)采樣點(diǎn)：學(xué)生根據(jù)提示及采樣規(guī)范在場景中靈活布設(shè)采樣點(diǎn)，自主選擇調(diào)查頻次、指標(biāo)等參數(shù)（見圖5）。采樣工具學(xué)習(xí)：學(xué)生首先學(xué)習(xí)每個采樣工具的使用方法，然后通過連線考查察，掌握調(diào)查工具使用方法后進(jìn)入場景使用（見圖6）。樣品采集與保存：選擇一處采樣點(diǎn)作為代表，采集水生動物、浮游藻類及水生植物，以及現(xiàn)場檢測水質(zhì)（水溫、水深、透明度、電導(dǎo)率、pH值、渾濁度、溶解氧等）。學(xué)生根據(jù)提供的采樣方法資料，選擇工具和儀器模擬進(jìn)行樣品采集和現(xiàn)場檢測，教師考查學(xué)生對采樣知識和樣品運(yùn)輸、保存等知識點(diǎn)的掌握情況。

（三）截污控源及污染治理模塊

根據(jù)污染源調(diào)查及水生態(tài)調(diào)查模塊的調(diào)查結(jié)果，確定當(dāng)前的水質(zhì)級別，選擇治理訴求和修復(fù)技術(shù)方案。重點(diǎn)針對截污納管措施，包括場景中模擬有污水口直排入河流，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行操作封堵排污口，收集污水至城市污水廠。

同時設(shè)置了常見流域污染治理工藝方法進(jìn)行三維搭建，直至河道生態(tài)分?jǐn)?shù)達(dá)標(biāo)。底泥清淤：設(shè)置不同底泥情況場景，根據(jù)軟件提供的不同清淤手段，包括干法清淤和水下清淤等，學(xué)生根據(jù)實際情況選擇合適的清淤方法（見圖7）。曝氣增氧：介紹不同曝氣增氧的形式，學(xué)生可調(diào)節(jié)曝氣量，可將曝氣裝置放在河道中任意位置（見圖8）。不同的曝氣量對應(yīng)相應(yīng)的三維曝氣效果。

（四）生態(tài)修復(fù)模塊

本模塊設(shè)置了人工濕地、生態(tài)浮島、人工魚道、生態(tài)護(hù)岸等常用的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。以人工濕地修復(fù)技術(shù)為例，系統(tǒng)地對人工濕地的工藝原理、設(shè)計規(guī)范及施工要點(diǎn)進(jìn)行全面考核，學(xué)生可以在三維場景中進(jìn)行施工建設(shè)，包括植物的選擇、填料的設(shè)計、防滲層的選擇等。提供三維基礎(chǔ)場景，學(xué)生從人工濕地設(shè)備模型庫中選擇合適的施工件、設(shè)備件拖拽到場景中，完成人工濕地的搭建（見圖9）。搭建完成后計算運(yùn)行，可以實時查看濕地運(yùn)行狀態(tài)下的污染物脫除效果參數(shù)，調(diào)整設(shè)計參數(shù)，可以得到不同的污染物去除效果參數(shù)（見圖10）。

（五）運(yùn)營維護(hù)模塊

對后期運(yùn)維過程中可能出現(xiàn)的幾種環(huán)境異常情況進(jìn)行模擬，異常情況模擬隨機(jī)出現(xiàn)，具備操作的靈活性，考查學(xué)生對異常情況的應(yīng)變能力、分析能力和解決能力（見圖11）。異常情況通常包括以下幾點(diǎn)：一是定期進(jìn)行植被修剪，根據(jù)使用植被的生長規(guī)律制定修剪周期。二是曝氣系統(tǒng)壓力異常，存在的原因應(yīng)該是管路堵塞或者脫落等情況，需要進(jìn)行人工干預(yù)。三是出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)等綜合性問題，需要對各工段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析反饋。不同的異常情況對應(yīng)的河道特點(diǎn)、水質(zhì)數(shù)據(jù)和生態(tài)結(jié)構(gòu)組成靈活變化，具備差異性。

三、虛擬仿真實訓(xùn)在教學(xué)中的應(yīng)用及效果

（一）教學(xué)方案

水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)是一項嚴(yán)謹(jǐn)而復(fù)雜的工程，在實踐中，學(xué)生很難在短時間內(nèi)實現(xiàn)流域普查及修復(fù)實踐。虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)使學(xué)生在虛擬場景中進(jìn)行操作，將復(fù)雜、難度大的實訓(xùn)先通過虛擬仿真軟件進(jìn)行模擬操作，讓學(xué)生進(jìn)一步掌握水生態(tài)修復(fù)技術(shù)的要點(diǎn)和難點(diǎn)。同時遵循實際的工作流程主線，細(xì)化設(shè)計腳本，包括教、學(xué)、練、考等流程設(shè)計，進(jìn)行實訓(xùn)平臺開發(fā)，包括三維模型搭建、虛擬場景布置、flash 動畫制作、路徑動作規(guī)劃等。最后形成水生態(tài)修復(fù)技術(shù)虛擬仿真實訓(xùn)平臺，并通過平臺的運(yùn)用，建立了一套“自評+他評”相結(jié)合的新型評價模式，使陌生、抽象的教學(xué)內(nèi)容變得直觀具體，增強(qiáng)學(xué)生對水生態(tài)修復(fù)技術(shù)的認(rèn)識和理解。

（二） 教學(xué)效果

按照設(shè)計的教學(xué)方案，在專業(yè)群以及水生態(tài)修復(fù)技術(shù)專業(yè)等6個班級中進(jìn)行了問卷調(diào)查分析（收回248份調(diào)查問卷），效果良好。96.77%的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實訓(xùn)對實際工程實踐有所幫助，92.74%的學(xué)生認(rèn)為進(jìn)行完虛擬仿真實訓(xùn)后，對水生態(tài)修復(fù)的整體流程有更清晰的掌握，99.19%的學(xué)生認(rèn)為更愿意以虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)方式輔助理論教學(xué)開展課程學(xué)習(xí)。

雖然虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)能夠提高學(xué)生對水生態(tài)修復(fù)工程應(yīng)用的整體認(rèn)識，但完全依賴虛擬仿真平臺教學(xué)無法使學(xué)生真正掌握水生態(tài)修復(fù)技術(shù)所要求的全部知識點(diǎn)，無法讓學(xué)生產(chǎn)生直觀的印象。因此，課程設(shè)計時增設(shè)學(xué)校周邊水生態(tài)修復(fù)工程項目現(xiàn)場戶外踏勘教學(xué)，實現(xiàn)虛擬走進(jìn)現(xiàn)實。

四、結(jié)語

虛擬仿真實訓(xùn)是教育與科技的融合，是教學(xué)與科研的滲透，這種“虛實結(jié)合、以實補(bǔ)虛、以虛促實”的實踐教學(xué)模式有助于學(xué)生獲得系統(tǒng)、全面的實訓(xùn)技能訓(xùn)練，建立完整的知識體系，拓寬學(xué)生視野，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、思維能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

通過水生態(tài)修復(fù)仿真實訓(xùn)教學(xué)，讓學(xué)生在高度仿真的場景中開展教、學(xué)、練、考，最終實現(xiàn)學(xué)生吃透規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、精通工藝、熟練操作，全面提升學(xué)生工程應(yīng)用及綜合設(shè)計能力，仿真實訓(xùn)彌補(bǔ)了由于工程周期長或安全因素?zé)o法進(jìn)行實體工程實訓(xùn)的遺憾，為靈活多樣性的教學(xué)方法改革和探索提供了可能，大幅提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，從而開創(chuàng)虛擬實訓(xùn)和實體實訓(xùn)協(xié)同育人的新局面。

參考文獻(xiàn)

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基金項目：1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院“雙高計劃”水利水電建筑工程專業(yè)群建設(shè)項目；2.國家級職業(yè)教育教師教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊——水生態(tài)修復(fù)技術(shù)專業(yè)（項目編號：CXTD020）

作者單位：潘倩，廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院；陳華，廣東省環(huán)保研究總院有限公司

責(zé)任編輯：張津平