實體與仿真相結合的水處理實驗教學改革與實踐

金文　李潔　吳奇

摘 要 針對傳統水處理工程實驗在教學中的局限性，設計開發水處理實體實驗與仿真實驗相結合的實踐教學系統，介紹設計思想和實體實驗裝置、仿真實驗平臺的構成以及在實踐教學中的應用。該系統以實為本、虛實結合，不僅能夠在真實環境中運行，同時能夠基于實體原型仿真模擬操作，借助虛實實驗平臺完成水處理系統設計、控制、運行管理等實踐教學工作，使學生在“實體實驗—仿真實驗—實體實驗”螺旋式學習中獲得工程實踐能力。

關鍵詞 水處理；實驗系統；仿真系統

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）06-0148-03

Abstract Due to the experimental limitations for the traditional water treatment teaching， a new practical teaching system is designed and developed， which combines the entity experiment and its simulation experiment. It also introduces designing ideas， entity experimental apparatus， simulation platform， as well as the application in the practical teaching. The new teaching system not only be able to run in a real environment， but also can fulfill the practical teaching for the water treatment system design， control， operation with the help of experimental platforms， under the simulating operation with physical prototypes. Therefore， students can acquire the practical ability during the spiral learning based on the combination of experiments with entities and simulation experiments.

Key words water treatment； experimental system； simulation system

1 引言

高等教育人才培養要求學生不僅要掌握必要的專業理論知識，更需要具備較強的實踐能力和現場探索及解決工程實際問題的能力。水處理工程是一門工程性強的課程，要求理論與實踐并重，理論教學使學生掌握工藝原理知識，實踐教學決定著對學生能力的培養。然而，實踐教學依賴于實驗條件，為了提高實踐教學質量，就要不斷加強水處理實驗教學系統建設。但是，多數水處理設備雖然具有很強的工程處理能力，但在實踐教學上可操作性差，由于工藝系統龐大而復雜、設備數量多且管道錯綜盤雜，系統運行時設置教學知識點或操作點對設備損耗較大，使設備成為認識工程系統的模型，實踐教學的“學”與“做”落不到實處。因此，重新構建實用的水處理實驗系統和教學模式勢在必行[1-2]。

隨著計算機技術的高速發展，用軟件搭建仿真實驗平臺、模擬系統運行、增加控制點操作管理等方法已成為改善實踐教學的經濟可行之路。對此，在實踐教學改革研究中涌現了大量虛擬實驗教學建設和研究[3-5]。然而，我國虛擬實驗的研究還存在很多問題與不足，如不注重教學設計、操作過程存在認知阻礙等，需要研究人員結合學生認知過程、多媒體表達信息方式和教學設計理念等方面，研究形成一套從設計開發到實施、管理的方案，實現輔助教學的目的[6-7]。

水處理工程實驗教學系統是綜合考慮實體工程系統和虛擬仿真系統雙方優勢而提出的建設方案。單純采用仿真軟件代替實體設備的實驗，雖然成本低、操作方便，但軟件中水處理工程的理想化環境無法替代實體實驗；而僅靠實體設備實驗又不能快速培養學生解決工程運行實際問題的能力。本文結合實體實驗和仿真實驗的優點，構建一套新型水處理工程實驗教學平臺，基于工作過程和認知規律設計實踐教學，實施“實體實驗—仿真實驗—實體實驗”螺旋式學習，提升學生實踐能力培養。

2 虛實結合的實驗系統設計思路

實驗系統設計指導思想是將理論知識與工程實踐相結合，按照認知規律構建虛、實實驗平臺及相關教學內容，突出學生分析問題、解決問題的能力培養，為學生主動性、探究性、創造性地學習提供條件。

在虛擬仿真與實體實驗相結合的實踐教學中，堅持“以實為本，虛實結合，交替實施，優勢互補”的原則，實體實驗是基礎，仿真實驗是補充。在虛實結合實踐教學中，充分利用實體實驗與仿真實驗的互補性，發揮各自優點，互相促進，按照實現虛擬仿真與實際操作有機結合的目的，實現理論與實踐的有機融合，知識與能力同步培養。

實驗系統包含多個綜合型、開放型實驗教學部分，如水處理設備、水處理系統設計、水處理工程運行管理及自動控制等，為學生提供實體和虛擬的工程環境，提高學生工程意識，在虛實結合的實驗操作中掌握工程理論知識和工程實踐能力。教師首先對實體實驗裝置進行演示，將所授的理論知識融于其中，然后引導學生運用理論知識在仿真平臺上操作實驗，以此訓練學生在設備認知、系統設計、自控調試方面的技能。在仿真實驗教學中，學生人手一機，而且仿真模型都有原型化的裝置，在仿真訓練的基礎上再對原型化的裝置操作，實現對仿真實驗和真實操作的比較分析。這樣既降低了教學成本，又提高了學生的學習興趣和學習效率，實現學生從實物演示實驗的認知、到親自動手仿真實驗、再回到實物操作實驗的螺旋式實踐能力提升過程。

3 實體實驗系統搭建

水處理實體實驗系統包括水處理實驗平臺和水質分析實驗平臺。水處理實驗平臺采用RO反滲透水處理技術，利用先進的初濾、活性炭過濾、PVC合金超濾膜過濾和紫外線消毒等組合處理工藝而設計建成，它包括原水箱、原水泵、多介質過濾器、活性炭過濾器、精密過濾器、高壓水泵、反滲透系統、純水箱等設備，可對水質進行凈化處理，達到飲用水水質標準。水處理實驗平臺組成見圖1。水處理實體實驗系統中配套搭建了水質分析實驗平臺，可對凈化水質進行分析檢測。

水處理實體實驗系統在實踐教學方面可開設多項實驗項目，如水體中COD、微生物、含氧量等多項指標測定，石英砂濾、超濾等各項水質處理的實驗與評價，以及水處理系統運行管理控制等，使學生在專業課程學習的基礎上開展綜合性、設計性、搭接式實驗。

4 仿真實驗系統構建

水處理實驗教學仿真系統是配合已建的水處理實驗平臺建立的一套可操作的仿真實驗教學平臺。在仿真系統中，利用圖形軟件構建了實體水處理系統中各類設備、儀表、工具，通過工控組態軟件設計工藝流程、組建完整的水處理系統。圖形軟件選用SolidWorks軟件，其繪圖效果逼真，設備結構從內到外三維呈現，有利于學生對水處理設備結構和工作原理、工藝過程的認知[8]；水處理系統工藝流程和運行控制子系統采用KingView組態軟件搭建，它可以將設備、儀表靈活組建，不需要操作者精通C語言編程，只是在設計仿真系統核心部分時需要用編程方法將設備儀表等對象模型和控制融入組態軟件當中。水處理系統工藝流程界面如圖2所示。

水處理實驗教學仿真系統最大特點是利用基于Windows環境下的數據采集、監測、處理和控制的工控組態軟件，實現對水處理工程的設計、工程現場數據的采集與工藝過程的控制，為實踐教學提供了良好的操作界面和簡捷的工程實現方法，在實驗操作上只要將預設置的各種實驗功能以軟件模塊形式進行簡單的“組態”，便可以容易地完成實踐教學需要達到的各項功能。

5 實踐教學案例

水處理設備拆裝 針對實體水處理系統中核心設備及常用工具，在水處理實驗教學仿真系統建設中均采用SolidWorks軟件建立仿真對象，通過組態軟件中點位圖的導入功能，將所有對象圖形導入組態軟件中，建立水處理系統設備專業圖庫子系統（水處理設備庫）。教師在教學過程中先從設備結構和工作原理的理論教學入手，再通過實體設備演示操作引導學生感性認識，然后利用仿真水處理設備庫讓學生選出設備并親自動手拆裝設備。學生可以從外形到內部構造進行認知學習，通過設備剖解掌握其結構和工作過程，最后再回到實體設備運行，完成對每一個水處理設備的學習要求。

水處理系統設計 在組態軟件的開發界面下，設計了水處理工藝流程子系統和運行控制子系統，并且這兩個界面可以方便地進行切換。在這一教學環節中，既要完成有針對性地指導學生學習水處理系統中典型設備的工作過程，如多介質過濾器、活性炭過濾器、反滲透機組的水處理過程和反沖洗過程；又要幫助學生掌握水處理系統的組成及其工藝流程的設計，把眾多的水處理設備、儀表、閥門用管道有效地組合成一個完整的系統，完成特定的水質處理要求并達到國家標準。在這一教學環節中是以課程設計的方式提出教學任務，要求學生對一個水處理系統進行合理設計，并提交水處理工程方案及其設計圖紙。因此，水處理實驗教學仿真系統還利用C語言編寫的接口軟件將CAD制圖軟件與組態軟件連接構成一個整體，使學生能夠根據自己所設計的水處理工程方案，完成設計系統的CAD制圖。同時，利用C語言編寫的接口軟件將Word軟件也植入軟件包內，使學生能夠在該系統中編寫工程設計方案。教師可對學生編寫的工程設計方案及繪制的CAD圖的質量進行考核評判，作為課程設計考核成績。

水處理系統運行控制 利用PLC技術進行水處理工藝過程動畫連接，模擬現場設備運行，實現對水處理系統工藝過程的運行管理進行仿真操作。在這一教學環節中，教師先分別在實體和仿真水處理系統上進行操作，學生觀摩學習，了解系統運行操作規程，如系統的起停車、故障停車的基本操作、設備運行控制方法、故障查詢操作方法等；之后學生在仿真系統上動手練習，模擬與工業現場同步的運行管理操作，不必擔心對設備的損傷，通過反復的實操達到實踐教學目的。

水處理實驗教學系統對水處理工藝流程設置了測量點和控制點，因此在仿真平臺上引入了水處理工程系統自動控制內容。在這一部分虛擬環境中加入常用的測量儀表，加深學生理解和掌握其工作原理和電氣控制原理以及它們的安裝、使用等知識。在教學過程中，教師通過實體實驗系統上儀表的使用操作，引導學生熟悉水處理系統控制方法和要求；學生在仿真實驗系統上不斷學習和練習，進一步認識測量和自動控制在水處理工程系統運行中的作用，掌握主要設備控制參數和調節要求，對系統出現故障時能夠合理分析、有效處理，并且掌握自控儀表選擇及安裝規范，準確操作水處理工程系統的運行和維護，提高學生面對實際工程出現問題時的應變能力和分析能力。

6 結束語

基于水處理實體和仿真相結合的實驗平臺建設，將理論與實踐教學相結合、實體實驗系統操作與仿真模擬運行訓練相結合，實現了仿真技術與真實環境的靈活切換，傳統實驗與虛擬實驗的相互補充。學生可以在實體實驗系統上認知學習，在仿真實驗系統上動手操作，完成多項水處理實驗、實習、設計等實踐教學項目，最后再回到實體實驗系統進行真實實驗，虛實結合，達到知識、能力培養要求。水處理實體和仿真相結合的實踐教學，加強了學生對實驗操作能力的培養，豐富了實踐教學手段，提高了學生學習積極性，保證了教學質量。

參考文獻

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