非重點院校實驗教學平臺建設研究

王娜　楊廠　馬保成　萬瓊　張新艷

【摘 要】 本文以西安科技大學給排水科學與工程專業為例，分析了實驗教學平臺的現狀和存在的問題，提出了一體化給水排水實驗教學平臺建設構思：傳統實驗室的升級改造；虛擬仿真實驗室的合理利用；給水排水實訓基地的合理利用。并且給出了一體化給水排水科學與工程實驗教學平臺三大模塊的立體架構。該平臺的建設可以大大提高給水排水科學與工程專業實驗、實踐教學的深度和廣度，全面提升了本科生實踐能力和創新精神。

【關鍵詞】 非重點院校；給水排水科學與工程；傳統實驗室；虛擬仿真實驗室；實驗教學體系

一、引言

2015年11月，國務院正式印發文件，將“985工程”、“211工程”、“優勢學科創新平臺”、“特色重點學科建設”等重點建設項目，統一納入世界一流大學和一流學科建設。隨著“雙一流”大學的提出，各個高校紛紛看到新的發展機遇，尤其是非“985工程”、“211工程”高等院校。非重點院校的專業建制較晚，專業基礎相對薄弱，需要在新的發展過程中依據自身特色，整合資源，不斷縮小與重點院校的差距并迎頭趕上。《全國高等學校給排水科學與工程專業評估認證文件》規定合格的畢業生應達到：能夠利用專業知識解決復雜工程問題；根據工程實際設計出合理的具有創新性的工藝流程；能夠設計實驗方案，并根據實驗結果對復雜工程問題進行深入研究；具有良好的交流（語言和書面）和團結協作能力。[1]西安科技大學給排水科學與工程專業始建于2006年，現有的實驗教學平臺已無法完全滿足這一人才培養目標的要求，必須構建新的實驗教學體系，強化實驗教學環節，提高實驗教學質量，促進學生知識、能力、思維和素質的協調發展。

二、實驗教學平臺的現狀和存在的問題

學校現有水質工程實驗室、給水工程實驗室、排水工程實驗室、水質分析實驗室4個專業實驗室，其中水力實驗室使用理學院的基礎實驗室，目前的實驗平臺基本能完成教學大綱規定的教學任務，但存在以下問題：開設的內容多為驗證性實驗，缺乏設計性、綜合性和創新性實驗，學生僅為修滿學門而實驗，分析問題和解決問題的能力得不到有效的鍛煉，尤其是個性化和創新能力的發展嚴重不足；實驗室面積有限，關于建筑給水排水、城市管網方面的實驗演示裝置過于簡化，不能很好的展現復雜的城市管網間的相互聯系及運行狀態；實驗室現有的設備多為最基礎的測試分析儀器，精度及系統化不足，無法滿足大學生創新創業活動的開展；目前實驗室的主要作用是滿足大綱規定的實驗課程的開設，課余時間向學生開放度不夠，沒有進行合理有效的利用。

三、一體化給水排水實驗教學平臺建設構思

為解決上述問題，滿足新型給水排水專業本科生的培養要求，結合學校現有條件，聯合傳統實驗室、虛擬仿真實驗室、校內污水處理站構建一個集實驗教學及大學生第二課堂和技能培訓為一體的實驗教學平臺。以下詳細介紹該體系中三個單元的建設構思。

1、傳統實驗室的升級改造

傳統實驗室需要購置一批相對高端的實驗儀器，以滿足大學生創新創業課題及老師科研工作的開展，從而帶動整個學科的發展。同時須對現有的實驗裝備進行重新的分類管理。結合專業分支及其所需設備的特點將實驗室分為4個專業實驗室：城市管道工程實驗室、水質工程實驗室（一）、水質工程實驗室（二）、水分析及微生物實驗室。其中，城市管道工程實驗室需增置部分新型管網系統模型、泵與泵站相關演示及實驗設備，使學生能夠切實直觀地看到整個城市管網系統的雛形。水質工程實驗（一）主要是擺放給水及污水處理流程的演示型設備，目前的兩套設備相對陳舊，占地面積過大，且配置的攪拌等配套設備沒有按照實際尺寸進行等比例縮放，不能達到很好的演示效果，考慮購置占地面積相對較少、能夠確切反應各個構筑物實際運行狀態的新型演示性模型。水質工程實驗室（二）主要放置給水及污水處理各個單元的中試性裝置，可以滿足相關實驗課程的安排及學生開展自主設計實驗的要求。水分析及微生物實驗室，由于該部分涉及的儀器類型較多，對于環境的要求較高，分為兩個單元：一個單元放置水分析普通設備作為學生的實驗操作間，并長期對學生開放；另一個單元作為微生物實驗室及貴重設備操作間，設專門的管理人員，建全管理制度，有序向學生開放。

2、虛擬仿真實驗室的合理利用

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術在計算機上進行的對傳統實驗各操作環節的模擬和仿真。[2][3]虛擬仿真實驗教學通過高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，讓學生在虛擬環境中以不同的角色參與到水行業運行和應對突發事件的模擬演練中，達到培養其運用專業知識解決實際問題的能力，更好地適應未來的工作要求。[4][5]學院已建成了國家級礦山虛擬仿真實驗室，目前硬件設施已完全具備教學要求，只需購置一定的給排水專業軟件即可給本科教學帶來很大便利。

給水排水工程專業的實驗教學與工程實際結合緊密，部分實驗裝備系統龐大，在有限的實驗室空間無法做到面面俱到，不能真實的反應出實際應用中的各種運行狀態，而虛擬實驗可以解決上述問題。目前在給水排水實驗教學中主要應用的軟件有《給水排水處理仿真教學軟件》、[6] SWMM（storm water management model）和MOUSE（Modeling of urban sewer）組成的排水管網模擬仿真系統、由給水管網仿真裝置和在線監控系統組成的給水管網仿真系統、微尺度水系統數字化與管網優化實驗教學平臺等，[7]應根據已有的虛擬實驗平臺選擇投入相對較少的軟件進行給水排水虛擬仿真實驗室的建設。但是給水排水專業的實驗教學工作不可能全部由虛擬仿真手段完成。因此該平臺建設的基本原則為：以實為主，虛實結合。以虛補實，以實驗虛。以傳統實驗室為根基，以虛擬仿真實驗室為傳統實驗教學的有效補充。

目前中國多所給水排水專業的知名高校均不同程度的將虛擬仿真實驗納入實驗教學中，取得了良好的效果。因此該平臺建成后不僅可以為該校實驗教學帶來質的飛躍，還可以為培養給水排水專業高質量創新型人才打下良好的基礎。

3、給水排水實訓基地的合理利用

西安科技大學臨潼校區污水處理站負責處理學校的生活用水，處理后的中水回用于沖廁和園林灌溉，該處理站采取A2/O和膜生物反應器相結合的典型處理工藝。目前給水排水專業的實習均采用校外污水廠參觀實習的方式，不僅成本較高，而且由于時間和空間的限制，實習效果有限。為了合理利用該校內資源，擬依托污水處理站在其西側建立給水排水實訓基地。實訓基地主要開展鍛煉學生動手能力的污水廠常規指標的檢測性實驗，以及提高學生團隊協作能力的污水廠運行調控實驗。根據使用功能在實訓基地主要設置與污水處理站具有相同工藝流程的中試裝置、在線監測系統、污水處理廠常規指標的檢測儀器。實訓基地的實驗項目對外開放，學生可以申請參與污水相關指標的檢測實驗，鍛煉動手能力的同時培養一絲不茍的科學精神；還可以組成實驗團隊以申請“課題”的形式協作完成污水廠運行調試的綜合性實驗，通過對不同運行狀態的檢測，詳細了解各個指標參數對處理水質的影響，撰寫結題報告并計入實習學分。該部分實驗可以有效彌補校外實習不能動手操作的缺憾，培養學生嚴謹的治學作風與堅持不懈的探索精神。“課題”還可結合教師科研項目的子課題，結合大學生“挑戰杯”、“大學生創新創業大賽”等校內外創新性比賽，結合實際的生產性實驗等，調動學生的主動性和創新性，培養團結協作精神。

四、三大模塊的立體架構

由圖1可以看出：一體化給水排水科學與工程實驗教學平臺各部分建設情況及其在教學中的角色分工。在所構建的實驗教學體系中，三大部分相互獨立，又互為補充，形成了培養掌握城市各類水工藝運行理論與方法，可以開展一定實驗研究并能夠利用所學專業知識解決復雜工程問題的新型給水排水工程技術人才的良好基礎平臺。

五、結語

結合西安科技大學現有基礎和住房城鄉建設部高等教育給排水科學與工程專業評估委員會對給水排水科學與工程人才培養目標的要求，構建了更為立體飽滿的實驗教學平臺。該平臺的建設可以大大提高給水排水科學與工程專業實驗、實踐教學的深度和廣度，全面提升了本科生實踐能力和創新精神，是普通高等院校在發展道路上，最大限度利用現有資源提升辦學能力的有效探索。

【參考文獻】

[1] 住房城鄉建設部高等教育給排水科學與工程專業評估委員會. 《全國高等學校給排水科學與工程專業評估認證文件》， 2016 年試行版，2016.09.

[2] 銀玉容，朱能武，施召才等. 虛擬仿真實驗系統在給水排水工程專業實驗教學中的應用[J]. 實驗技術與管理，2016（01）111-113.

[3] 王濟軍，魏雪峰.虛擬實驗的“熱”現狀與“冷”思考[J].中國電化教育， 2011（04）126-129.

[4] 管雪梅，戴天虹，王鐵濱. 高校虛擬實驗平臺的設計及教學應用研究[J].哈爾濱師范大學自然科學學報，2015（01）88-90.

[5] 萬桂怡，崔建軍，張振果. 高校虛擬實驗平臺的設計及實踐[J]. 實驗室研究與探索，2011（03）386-389.

[6] 鄧曼適.《給水排水處理仿真教學軟件》的開發與應用[J].價值工程， 2010（20）191-193.

[7] 郭亮，梁宏，劉京等. 基于虛擬仿真技術的市政環境類實驗教學[J]. 實驗室研究與探索，2015（07）107-110+121.

【作者簡介】

王 娜（1981-）女，河南鄭州人，講師，博士，主要從事給排水科學與工程教學與科研工作.