虛擬儀器技術在水質工程學教學中的應用

張莉莉

【摘要】水質工程學是市政與環境工程等相關專業的核心課程。本文介紹將虛擬儀器技術應用在水質工程學課程教學中，將教學內容立體化、動態化，改變傳統教學方式的弊端，優化教學過程，提高教學質量。

【關鍵詞】水質工程 虛擬儀器技術 課程教學

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）05-0245-01

水質工程學是市政與環境工程等專業的核心課程，歷來是各高校相關專業學習的重點內容。該課程涵蓋物理、化學、生物、化工等多學科的理論，用工程學的方法研究給水和廢水處理的工藝和工程技術，要求學生全面系統地了解水的性質、給水和廢水的水質特征與水質指標等基本概念與理論；掌握城鎮給水與廢水處理技術的基本概念、基本理論、基本計算方法及其發展狀況。課程知識面廣，內容抽象，還包括大量的數據以及公式、設計圖。傳統的教學方式存在內容不夠直觀和全面等弊端，大大影響了課程的教學效果。

虛擬儀器技術是將計算機技術和儀器技術相結合，形成新概念儀器——虛擬儀器，近年來發展十分迅速。將虛擬儀器應用到水質工程學課程中，實現將水處理工藝構筑物從抽象概念到具體實物的轉換，改變傳統語言化的教學現狀，優化教學效果。

一、虛擬化儀器技術的概念

虛擬儀器概念（Virtual Instrumentation）最先是20世紀80年代中期由美國國家儀器公司首先提出的，是基于以計算機硬件為核心的測試平臺上，根據需求設計定義虛擬的操作前面板，由軟件來實現一系列儀器測試功能的一種計算機儀器系統。形象地說法就是“軟件即為儀器”。

“虛擬儀器”可代替傳統的測量儀器，也可自由構建成專有儀器系統。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體。從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。

二、虛擬技術的特點

虛擬儀器之所以被大多數行業所應用，是因為它相對于傳統的技術存在著很多的優勢：①功能先進，具有可開發性，用戶可根據自身需要自行用軟件定義；②儀器功能的改進和擴展只需設計更新對應軟件，而不需購買新的儀器；③儀器使用過程中，檢查和維護費用低；④儀器研制周期較傳統儀器大為縮短。⑤虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發展，可與網絡及其他周邊設備互聯。

虛擬技術在教學方面的作用性更強，可以利用它的開放性和對數據的處理能力，將復雜的教學知識加以仿真，增強真實感，讓學生可以對復雜多樣化的知識進行全面的了解，對各個部分的工作流程看得更加清楚，這樣在給學生的學習增加了興趣的同時，也增強了學生對知識的消化能力。虛擬技術的開放性和獨特的仿真性在我國具有強大的作用。

三、虛擬儀器技術在水質工程學教學中的應用

（一）完善教學內容

目前教師主要采用制作電子幻燈片的形式進行水質工程學的授課，幻燈片的形式多以靜態內容為主，而水質工程學課程中涉及很多水處理技術相關的處理構筑物，需要講解各種構筑物的原理、運行過程及內部構造等知識。幻燈片中單一的圖片和簡單的視頻信息對學生來說并不直觀和全面。雖然課程安排了學生現場參觀實習，但由于實習課時有限以及學生參觀規模較大，可參觀的水處理廠的數量有限。再有運行中的構筑物無法看清它的內部結構及具體的運行過程。

采用虛擬儀器技術可以構建虛擬的處理構筑物，設計虛擬的水處理工藝流程，可提供一種仿真的水處理廠運行的“情境”。學生和老師可以通過計算機外部輸入進行虛擬仿真實驗，實時操作，觀測構筑物及整個處理流程的運行過程。這種直觀的展示可以學生更容易掌握相關的工作原理，對整個水質的工藝流程有足夠的認識，同時可以增加學生的興趣。

（二）提高學生實踐能力

水質工程學課程主要注重培養學生在水處理技術領域的工程實踐能力，所以教學中涉及課程實習和課程設計等教學環節就變得尤為重要。但是由于存在以下幾個原因效果不甚理想，同時也給教師的教學工作和學生的學習帶來了很大的壓力：①水廠實習過程中，出于安全考慮，學生不能近距離觀看。②學生無法跟上現場講解員的節奏，達不到實習效果。③設計過程中，學生缺少立體想象能力，不能夠對尚未接觸過的水工構筑物進行合理地構想，進而繪圖。④很多高校教師由于沒有工程實踐經驗，指導設計的內容與實際工程嚴重脫鉤。

利用虛擬儀器技術所具有的仿真作用將水處理過程充分的展現出來，對每個部分的動態運行過程更加直觀的演示，并讓學生們進行詳細的分析，將水質的工作流程以及處理的方法進行總結。通過這種形式的學習可以使學生對各個參數之間的關系、各個結構的運行有更加清晰的印象，大大的增強了學生的設計能力和工程應用能力。

（三）增強學生學習興趣

在利用虛擬技術將污水處理的過程進行仿真，學生可以通過軟件觀察出處理的過程和水流的情況；可以在操作“虛擬構筑物”的過程中，發現問題，解決問題。這會大大提高學生的學習興趣，提升學習效率和積極性。

總之，虛擬儀器技術必將成為高職院校、科研院所進行教學研究的重要方法和手段，并且具有極大的發展潛力。對提高課程的教學水平、改善工科專業課程實踐環節的不足、優化教學內容、培養具有創新意識和創新能力的工程實踐型人才都將發揮巨大的作用。

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