基于工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)虛擬仿真平臺體系構(gòu)建

董微巍 李光春 樸春香 梁運江 馮健

[摘 要] 以《農(nóng)業(yè)環(huán)境保護》課程中污水處理實驗教學為例，促進理論與實踐的有機結(jié)合，基于虛擬仿真實驗使學生直觀地掌握工程技術(shù)實驗過程中的基本方法，培養(yǎng)學生分析問題和解決實際工程問題的能力，為當前大學生工程技術(shù)創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供教學新方法、新途徑。

[關鍵詞] 工程技術(shù);創(chuàng)新能力;實踐教學;虛擬仿真

[基金項目] 吉林省高等教育學會“基于互聯(lián)網(wǎng)+背景下民族地區(qū)高校環(huán)境工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的研究”（JGJX2018D358）;延邊大學十三五教育教學課題“地區(qū)高校環(huán)境工程技術(shù)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)網(wǎng)絡平臺體系的構(gòu)建”（ZD2018004）;吉林省本科高等教育教學改革課題“基于‘新農(nóng)科的動物科學類虛擬仿真實驗教學體系構(gòu)建研究”（吉教高[2019]12號）

[作者簡介] 董微?。?979—），女，吉林榆樹人，分析化學博士，副教授，研究方向為微生物資源開發(fā)與利用;馮 ?。?983—），男，吉林大安人，動物科學博士，實驗師（通信作者），研究方向為動物遺傳育種。

[中圖分類號] G642.423 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2020）39-0389-02 ? ?[收稿日期] 2020-04-27

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)被引進到各大高校實踐教學之中，在工程技術(shù)類專業(yè)教學中發(fā)揮著重要作用。農(nóng)業(yè)環(huán)境保護是一門與再生資源能源技術(shù)、化學工程、材料工程、生物學、經(jīng)濟學、管理學等多門學科都有交叉的綜合性學科[1]。在目前的教學方案中，實驗和實習等實踐環(huán)節(jié)已經(jīng)貫穿整個教學過程，在培養(yǎng)學生工程意識、科學求實與創(chuàng)新精神，提高學生工程實踐能力和綜合素質(zhì)發(fā)揮重要作用，為環(huán)保行業(yè)發(fā)展中復合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)奠定基礎[2]。污水處理是農(nóng)業(yè)環(huán)境保護課程教學中的核心內(nèi)容，其處理工藝流程與設備構(gòu)造在教學中難以直觀體現(xiàn)，加之其影響因素極端復雜，學生難以把握現(xiàn)象全貌。為了改善這個弊端，采用虛擬仿真實訓結(jié)合實際操作進行學生的培訓，以其逼真的“現(xiàn)實”感牢牢吸引學生，將情景教學與探討問題導向式教學法進行融合，使學生帶著問題邊體驗、邊學習，發(fā)揮潛能，提高解決問題能力，從而改變傳統(tǒng)教學模式，實現(xiàn)綠色實驗教學。

一、虛擬仿真技術(shù)在污水處理實踐教學中應用

學生可在污水處理實訓基地與虛擬仿真軟件間穿梭，充分體驗現(xiàn)實與虛擬優(yōu)勢互補帶來的操作滿足感?？蛇M一步提高學生實踐操作能力，分析問題解決問題以及創(chuàng)新能力，從而真正的掌握操控處理設備技術(shù)。

（一）構(gòu)建高度仿真的虛擬工廠環(huán)境、能實不虛，虛實結(jié)合，激發(fā)學生興趣實現(xiàn)綠色實驗教學

以實際生產(chǎn)工藝為原型，根據(jù)污水廠工藝流程的實際情況，使學生深入到模擬現(xiàn)場進行實際操作，以動態(tài)形式逼真地展示廠區(qū)內(nèi)概況、工程相關設備的內(nèi)部構(gòu)造、工作原理以及相關工藝流程的動態(tài)演示等。綜合訓練學生對于流程工藝、環(huán)保設備、分析儀表、系統(tǒng)控制、電氣操作等方面的能力。憑借虛擬現(xiàn)實、多媒體、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡通信等技術(shù)，讓學生在虛擬環(huán)境中開展學習和實驗，了解設備運行時內(nèi)部狀態(tài)、人機互動，加深學生對相關知識的理解，激發(fā)創(chuàng)新思維與興趣，降低實驗成本、減少環(huán)境污染，提高實踐環(huán)節(jié)的教學質(zhì)量，有效開展綠色實驗教學。

（二）虛擬平臺自動化控制，教師學生自主設計，開展自主研究活動，培養(yǎng)學生工程應用能力，建立科研創(chuàng)新理念

通過校內(nèi)工程模擬實驗平臺專業(yè)實驗的訓練，實時展現(xiàn)污水處理的過程與現(xiàn)象，包含了污水處理廠的兩個工藝，即A2O和AB兩套工藝，同時設計了深度處理、污泥處理與回流及水質(zhì)監(jiān)測與分析等單元，讓學生初步建立起工程概念。采用3D場景模擬污水處理現(xiàn)場的實際狀態(tài)，教師學生可以自主設置各種可能的選項、障礙、問題，引導學生對所出現(xiàn)故障緊急采取應對措施，逐步熟悉和掌握潔凈區(qū)管理、生產(chǎn)崗位操作、污水處理中污水指標的檢驗操作。通過問題模式激發(fā)學生興趣，提高解決問題能力，為環(huán)保企業(yè)培養(yǎng)應用型，創(chuàng)新型，技術(shù)性人才奠定基礎。

（三）系統(tǒng)的模塊式知識點訓練，仿真練習與考核，輔助教學，豐富教材內(nèi)容，提高實驗教學質(zhì)量

設計了系統(tǒng)的知識點模塊，包含有豐富的教學素材，借助文字、圖片、flash、三維模型、音頻、視頻等形式，對水處理工藝設計與水質(zhì)指標標準評價等相關知識進行講解。通過模擬仿真系統(tǒng)，了解原本書本中二維圖片和文字描述的情景，改變原有的理論強而實踐弱的缺陷，能夠在原有理論基礎上，進一步地提高學生實踐操作能力，了解未來用人單位對人才所應具備的能力的真實需求，實現(xiàn)了模擬仿真軟件輔助教學的功能。通過虛實結(jié)合，有效訓練了學生創(chuàng)新實驗和解決實際問題的能力，使理論知識更好的應用于實踐，提高實驗教學質(zhì)量。

二、污水處理虛擬仿真實驗教學體系與模塊組成

污水處理虛擬仿真實驗堅持“能實不虛”的原則，從污水處理設備單元操作的實際出發(fā)，將實驗教學中無法觀察到的現(xiàn)象及實施困難、高危、高成本、高污染的單元操作采用3D虛擬仿真的形式整體展現(xiàn)。在教學中，采用線上線下相結(jié)合的方式，在線統(tǒng)計學生在虛擬仿真實驗中出現(xiàn)的問題，在課堂或?qū)嶒灛F(xiàn)場中進行深入講解，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實實驗教學之間的良性互動和互相促進。加深學生對污水處理基本單元操作中理論知識的理解，調(diào)動學生學習積極性，發(fā)揮潛能提高自主學習意識，提高教學質(zhì)量與效果，滿足本科教學需要，污水處理中虛擬仿真實驗共分4個教學模塊，以不同模式展現(xiàn)給學生。

（一）A2O工藝虛擬仿真模塊

A2O法又稱AAO法，是英文Anaerobic-Anoxic-Oxic第一個字母的簡稱（厭氧—缺氧—好氧法），是一種常用的污水處理工藝，可用于二級污水處理或三級污水處理，以及中水回用，具有良好的脫氮除磷效果。主要包括四種構(gòu)筑設備：粗格柵、細格柵、曝氣沉砂池、生物反應器、厭氧反應器，原污水與從沉淀池排出的含磷回流污泥同步進入，本反應器主要功能是釋放磷，同時部分有機物進行氨化;缺氧反應器，首要功能是脫氮，硝態(tài)氮是通過內(nèi)循環(huán)由好氧反應器送來的，循環(huán)的混合液量較大，一般為2Q;好氧反應器—曝氣池，這一反應單元是多功能的，去除BOD，硝化和吸收磷等均在此處進行。混合液從這里回流到缺氧反應器。

（二）AB工藝虛擬仿真模塊

在AB工藝虛擬仿真模塊中主要包括粗格柵、細格柵和曝氣沉砂池;A段曝氣池工藝將曝氣池分為高低負荷兩段，各有獨立的沉淀和污泥回流系統(tǒng)。高負荷段（A段）停留時間約20～40分鐘，以生物絮凝吸附作用為主，同時發(fā)生不完全氧化反應，生物主要為短世代的細菌群落，去除BOD達50%以上;中沉池及T型氧化溝工藝處理的整個過程如進水、曝氣、沉淀、污泥穩(wěn)定和出水等全部集中在氧化溝內(nèi)完成，最早的氧化溝不需另設初次沉淀池、二次沉淀池和污泥回流設備。學生以可操作模式和飛行模式之間自由切換，在飛行模式下，學員可自由游覽廠區(qū)，了解廠區(qū)總布局。

（三）教師評價模塊體系

教師可通過仿真軟件布置作業(yè)、處理故障、操作時長等場景，仿真崗位中選擇對學生進行目的性實驗教學和考核評價，感受真實，加深印象，可以通過考核模塊分析學生成績，指導學生更深入地學習實踐技能知識，理解污染處理工藝過程和構(gòu)筑物設計原理，了解生產(chǎn)第一線的操作過程與操作技能，培養(yǎng)學生運用理論知識分析問題、解決工程實際問題的能力，使實驗教學更好的服務于社會。

三、結(jié)語

虛擬仿真實驗項目進一步完善與豐富課堂教學與工程實踐內(nèi)容，多維度呈現(xiàn)學習和訓練內(nèi)容，不斷改進虛擬仿真時空環(huán)境從視覺、聽覺和動覺上吸引學生，激發(fā)學習者的學習興趣。為使用者開啟自選模式，為其目的性實驗滿足實驗條件，讓學生在完全開放的實驗環(huán)境下完成綜合實訓，進一步提高學生的分析和解決問題能力，使學生真正了解工程技術(shù)實踐與流程，最終達到提升學生自主設計和創(chuàng)新實踐的能力。與此同時，可實現(xiàn)構(gòu)建教育最大化的資源共享平臺，將打造為一個學科融合、網(wǎng)絡共享虛擬仿真綜合實踐基地，面向全社會高校和企業(yè)培訓員工開放使用，為全國范圍內(nèi)環(huán)保企業(yè)員工提供培訓和考核平臺，全面提升教育資源利用率。未來我們將更好的利用虛擬仿真教學資源，滿足多地區(qū)、多學校、不同學科專業(yè)的教學需求。

參考文獻

[1]虎保成.論新時期高職院校教師隊伍建設的途徑與措施[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2012（10）：35-36.

[2]劉健.創(chuàng)新性應用型人才綜合培養(yǎng)體系探析[J].東莞理工學院學報，2010（4）：108-112.