虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在環(huán)境工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

吳芳芳，林 皓，郭紹英，胡家朋

（武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

環(huán)境工程專業(yè)是一門集化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地學(xué)等綜合性學(xué)科，具有知識(shí)面廣、跨度大實(shí)踐性和綜合性強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。該學(xué)科以解決復(fù)雜環(huán)境工程問(wèn)題能力為主要培養(yǎng)目標(biāo)，因此實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力的教學(xué)是該學(xué)科重要教學(xué)內(nèi)容。隨著環(huán)保產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，環(huán)保行業(yè)技術(shù)人才市場(chǎng)缺口日益增大，但大多企業(yè)認(rèn)為高校應(yīng)屆畢業(yè)生存在崗位適應(yīng)能力不足、上手能力弱、綜合應(yīng)用能力差等問(wèn)題[2-3]。建立符合新時(shí)代發(fā)展要求的實(shí)踐教學(xué)體系，加大實(shí)踐和工程訓(xùn)練，熟練掌握工程及運(yùn)行技能，提高解決復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的能力是目前高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的迫切需要[4]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字化媒體技術(shù)等人機(jī)交互、大數(shù)據(jù)、云等多種技術(shù)手段，構(gòu)建一個(gè)具有交互效能多維化的信息實(shí)驗(yàn)環(huán)境。因其高效、安全、近乎真實(shí)的操作，完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)不能或很難完成的教學(xué)效果，已經(jīng)在生物[5]、醫(yī)學(xué)[6]、土木[7]等領(lǐng)域的實(shí)踐教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于成本高、消耗大的大型綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是呈現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[8-9]。本文以實(shí)驗(yàn)室廢水處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)為例，通過(guò)優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)和程序，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效率，旨在為高校環(huán)境工程專業(yè)開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系提供參考經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

目前環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)存在以下制約因素[10-13]：（1）為滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，需要開(kāi)設(shè)大量實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程，在傳統(tǒng)實(shí)操模式下，實(shí)踐教學(xué)總體費(fèi)用升高；（2）由于專業(yè)特點(diǎn)，許多綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)施占地面積大、儀器設(shè)備繁雜，實(shí)驗(yàn)耗材多，而較難開(kāi)設(shè)。尤其是處理系統(tǒng)的運(yùn)行管理和過(guò)程優(yōu)化等無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)直觀體現(xiàn)；（3）部分實(shí)驗(yàn)涉及大型貴重儀器設(shè)備，臺(tái)套數(shù)不足，學(xué)生無(wú)法親自操作，只能以觀察來(lái)代替動(dòng)手操作；（4）實(shí)踐實(shí)習(xí)場(chǎng)所，受場(chǎng)地、人員、安全等因素限制，大多只接受參觀認(rèn)知，無(wú)法觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更不能進(jìn)行運(yùn)行操作。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用過(guò)程模擬仿真技術(shù)，將設(shè)備工作原理算法化，根據(jù)工藝流程結(jié)構(gòu)、環(huán)境工程原理、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等原理搭建數(shù)學(xué)模型。通過(guò)交互式操作將前臺(tái)的用戶操作指令傳送到后臺(tái)的數(shù)學(xué)模型中，經(jīng)數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算實(shí)時(shí)表征出各個(gè)工藝數(shù)據(jù)的真實(shí)值，借此反饋出每一個(gè)操作條件變化與工藝現(xiàn)象之間的關(guān)系，模擬出實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境下的實(shí)時(shí)參數(shù)變化。因其具有生動(dòng)形象、操作簡(jiǎn)單、綠色安全、實(shí)驗(yàn)投資少，可滿足大批量學(xué)生同時(shí)操作的特點(diǎn)，逐漸發(fā)展成為實(shí)踐教學(xué)的重要手段[14-15]。

2 環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)室廢水成分復(fù)雜多變，需要根據(jù)不同的廢水水質(zhì)情況選擇采用不同的組合方法來(lái)處理。項(xiàng)目采用DCS組態(tài)軟件對(duì)處理工藝進(jìn)行模擬，還原一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)室綜合廢水處理站和模擬學(xué)員下廠實(shí)習(xí)過(guò)程的情景。以逼真形象展示水處理相關(guān)設(shè)備、各儀表等的運(yùn)行，綜合訓(xùn)練學(xué)生對(duì)工藝流程、關(guān)鍵設(shè)備的原理結(jié)構(gòu)、安全、儀表、系統(tǒng)正常開(kāi)停車、事故處理等操作的能力。

該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可根據(jù)不同的進(jìn)水水質(zhì)情況選擇合理的處理工藝及崗位進(jìn)行訓(xùn)練，圖1為實(shí)驗(yàn)室廢水某一水質(zhì)情況下的工藝流程圖。學(xué)生根據(jù)界面提示逐一進(jìn)行操作，了解廢水處理工藝流程、設(shè)備操控、原理知識(shí)、相關(guān)參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造等部分。該系統(tǒng)可將實(shí)驗(yàn)過(guò)程全方位、真實(shí)地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，集知識(shí)掌握和能力培養(yǎng)于一體，能有效地增強(qiáng)教學(xué)效果。

圖1 實(shí)驗(yàn)室廢水某一水質(zhì)情況下的工藝操作界面Fig.1 The process operation interface of a waste water quality situction

2.2 教學(xué)方法

學(xué)生在課前預(yù)先進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)及考核，熟練掌握知識(shí)并通過(guò)考核后，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課教學(xué)。實(shí)驗(yàn)課中教師對(duì)仿真廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行操作，學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)，了解系統(tǒng)運(yùn)行操作規(guī)程后進(jìn)行獨(dú)立操作。學(xué)生利用計(jì)算機(jī)輔助手段，對(duì)單體工藝過(guò)程進(jìn)行分析及工藝參數(shù)調(diào)整，進(jìn)而對(duì)水處理過(guò)程系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定其各個(gè)部位的屬性和性能指標(biāo)。通過(guò)該模塊的仿真練習(xí)，讓學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識(shí)，掌握處理工藝操作技能，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，提升工程設(shè)計(jì)綜合意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為四大模塊，分別為知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)、知識(shí)點(diǎn)考核、工藝選擇、工藝操作。

2.2.1 知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中將實(shí)驗(yàn)室廢水的特點(diǎn)及涉及處理單元的工藝原理及運(yùn)行條件等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理總結(jié)，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)平臺(tái)。知識(shí)點(diǎn)包括實(shí)驗(yàn)室廢水處理工藝中常用的物理方法、化學(xué)方法、生物處理方法等。要求學(xué)生在仿真模擬實(shí)驗(yàn)前完成知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

2.2.2 知識(shí)點(diǎn)考核

在軟件界面中設(shè)計(jì)了相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的考核，不僅可以了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，同時(shí)也可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解及應(yīng)用能力。學(xué)生必須通過(guò)知識(shí)點(diǎn)考核后才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

2.2.3 工藝選擇

仿真系統(tǒng)可隨機(jī)生成對(duì)應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)類型的廢水水質(zhì)，學(xué)生通過(guò)已掌握的知識(shí)點(diǎn)分析判斷廢水的水質(zhì)特征，并依此選擇合理的工藝流程組合進(jìn)行模擬處理。

2.2.4 工藝操作

學(xué)生在充分理解實(shí)驗(yàn)室廢水處理的相關(guān)知識(shí)背景下，對(duì)過(guò)程微觀變化進(jìn)行全面觀察，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)出水水質(zhì)指標(biāo)判斷工藝參數(shù)優(yōu)化的準(zhǔn)確性，如圖2。建立動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行工藝的工程理念，達(dá)到傳統(tǒng)實(shí)習(xí)及參觀教學(xué)無(wú)法企及的教學(xué)效果。

圖2 石英砂-活性炭-微濾的工藝進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Fig.2 The water quality indicators of quartz sand,activated carbon and microfiltration process

2.3 評(píng)價(jià)考核體系

實(shí)驗(yàn)課程考核成績(jī)由理論知識(shí)測(cè)評(píng)、操作技能評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)標(biāo)(水質(zhì)分析)考評(píng)三部分組成。

2.3.1 理論知識(shí)測(cè)評(píng)

考核學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室廢水處理工藝中，所涉及的專業(yè)理論知識(shí)的掌握程度，主要形式為軟件中設(shè)置的思考題，教師分發(fā)的試題試卷以及教師的隨堂提問(wèn)等。例如混凝助凝注意事項(xiàng)、氣浮工藝原理、RO工作原理等，能夠根據(jù)3D的工藝流程圖找到相關(guān)的處理單元，并學(xué)習(xí)和掌握設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造和運(yùn)行原理，回答教師在課堂上關(guān)于工藝單元、設(shè)備構(gòu)造等方面的提問(wèn)。理論知識(shí)測(cè)評(píng)成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的20%。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)操作技能評(píng)價(jià)

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室廢水處理工藝流程進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，系統(tǒng)根據(jù)操作順序、操作規(guī)范和參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性等對(duì)操作技能進(jìn)行分析評(píng)分，操作技能得分占總評(píng)成績(jī)的40%。

2.3.3 排放廢水水質(zhì)結(jié)果考評(píng)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室廢水處理工藝流程選擇，開(kāi)車運(yùn)行調(diào)節(jié)并優(yōu)化工藝運(yùn)行參數(shù)(包括水力停留時(shí)間、加藥量等)，掌握不同運(yùn)行參數(shù)條件下，系統(tǒng)對(duì)廢水的處理效果，要求出水水質(zhì)符合GB/T 18920—2002城市污水再生利用-城市雜用水水質(zhì)的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)標(biāo)考評(píng)成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的40%。

3 教學(xué)效果

引入仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩年來(lái)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性有了明顯提高，參與工程創(chuàng)新性的項(xiàng)目逐年增長(zhǎng)，工程理念得到進(jìn)一步提升。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展與完成不僅使學(xué)生了解、熟悉項(xiàng)目各主要環(huán)節(jié)的要求和規(guī)范，在實(shí)踐過(guò)程中主動(dòng)學(xué)習(xí)新的知識(shí)，提高了文獻(xiàn)收集和分析能力，還激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)的興趣，促進(jìn)部分學(xué)生繼續(xù)深造學(xué)習(xí)。近幾年學(xué)院每年均有多位學(xué)生考入211等重點(diǎn)大學(xué)進(jìn)行研究生學(xué)習(xí)。在后續(xù)畢業(yè)實(shí)習(xí)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生更能針對(duì)性地學(xué)習(xí)了解生產(chǎn)運(yùn)行相關(guān)問(wèn)題，提高了實(shí)習(xí)的針對(duì)性和實(shí)習(xí)效果。在對(duì)用人單位滿意度調(diào)查數(shù)據(jù)表明近兩年來(lái)畢業(yè)生在解決復(fù)雜環(huán)境工程問(wèn)題的能力方面得到了用人單位的高度認(rèn)可和贊揚(yáng)，大量用人單位因往屆畢業(yè)生的良好工作能力而繼續(xù)錄用應(yīng)屆畢業(yè)生。

4 總結(jié)與展望

由于環(huán)境工程專業(yè)的教學(xué)特點(diǎn)注重實(shí)踐，將虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用到實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐中，使虛擬仿真教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，不僅解決大型綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以開(kāi)設(shè)、資金投入大、教學(xué)效果差等問(wèn)題，還提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)知，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力，鍛煉學(xué)生綜合素質(zhì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)化了實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容、環(huán)節(jié)、程序、評(píng)價(jià)等，但是還存在運(yùn)行環(huán)境的兼容性、視頻交互的流暢性、實(shí)訓(xùn)交互的多維性等需改進(jìn)的地方。同時(shí)還需進(jìn)一步提升仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)操性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，共同促進(jìn)環(huán)境工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力。