新工科建設背景下環境工程實訓與虛擬仿真的教學融合研究*

程 聰，呂康樂**，丁耀斌，周俊鍬，熊 玲，葉楊龍

(1.中南民族大學資源與環境學院，湖北 武漢 430074；2.武漢鑫測檢測技術有限公司，湖北 武漢 430074)

2017年，教育部在高等教育發展戰略研討會上，達成“新工科”建設復旦共識。其中，提出要加快建設和發展新工科：除了設置和發展一批新興工科專業外，還要推動現有工科專業的改革創新。需要加強工程教育與產業發展緊密結合，在教學各個環節中主動對接產業發展需求和企業技術創新要求，把握行業人才需求方向。改革培養機制、強化實習實訓、通過校企合作共建課程、共建實驗室和實訓實習基地，促進人才培養與產業需求緊密結合。中南民族大學2017年開始申請環境工程專業工程教育認證，從培養環境工程專業學生工程能力角度出發，一直積極探索建立工程教育實踐平臺和成熟的實踐教學體系，積極與企業聯系開展產學研項目，陸續建立了校內工程中式實訓平臺、虛擬仿真實驗室，并開展工程實訓與虛擬仿真的教學融合研究。

1 教學融合的目的

1)解決環境工程實踐教學受制于生產企業的被動局面，保證環境工程專業人才培養教學活動的正常秩序[1]。

2)構建學校自有的校內工程中式實訓平臺和虛擬仿真實驗室，讓實踐教學的“學”與“做”落到實處。保證學生復雜工程問題能力得到充分的訓練。

3)化解純虛擬仿真實驗的弊端。結合實體實驗和虛擬仿真實驗的優點，加強虛擬仿真與中試實訓工程教育集約化平臺的構建；將工程實訓與虛擬仿真教學手段相融合，設計環境工程中式實訓與仿真實驗相結合的實踐教學體系；實施“傳統實驗——工程中式實訓——仿真實驗”螺旋式學習，在校內就能實現“兩次循環、虛實結合”：理論學習——校內實驗——理論學習，虛擬仿真實驗——工程中式實訓實驗——理論學習[2-4]。

2 工程中式實訓平臺搭建

工程中式實訓平臺是為了滿足生產實訓教學而建立的。我院從2017年開始申請環境專業工程教育認證，一直探索構建適合環境工程專業學生校內生產實習實訓中試平臺。目前建成了環境工程專業工程演示實驗室。構建水環境監測與治理技術實驗/開發平臺，小型氣體脫硫實驗裝置，揮發性有機物(VOCs)吸附脫附裝置，生物接觸氧化法處理有機工業廢水系統。該平臺涉及水、氣兩大知識領域，污水處理系統和大氣處理系統均無限接近工程實際，是本院教師根據實際工程項目需要自主或半自主設計。中式實訓平臺的設備大部分是由透明的有機玻璃材質制成，這樣即使設備在有負荷狀態下運行，學生也能看清設備的內部結構和運行情況，比外出工廠參觀實習更直觀。同時，水處理系統和大氣處理系統均無限接近工程實際，學生在校內就能進行工藝運行實操，不止限于只看不練、脫離實際的理論學習。

水環境監測與治理技術實驗/開發平臺是一套完整污水處理工藝模型，如圖1所示。它按照實際污水處理工藝項目縮比建成，平臺采用模塊化設計。供水系統包括：原水箱，其中，污水處理系統，在線監測與控制系統。污水處理系統由有機玻璃材質的不同水處理構筑物組成，包括格柵調節池、沉砂池、A2/O生物反應器、MBR生物膜反應器、活性炭吸附柱、SBR池、砂濾柱、加藥池等；在線監測與控制系統包括電氣控制柜、觸摸屏、PLC可編程控制器、組態監控軟件、DO和PH在線監測儀等。通過水處理構筑物的不同組合，構建多種水處理工藝，同時還可以對構筑物內部結構進行改造，建成新的處理單元。目前改造成功的有：沉砂池改裝成斜板沉淀池和斜管沉淀池，A2/O生物反應器改裝成微電解反應池，SBR池改裝為Fenton反應池或混凝攪拌池。學生可以根據污水水質設計出不同的水處理組合工藝，然后進行管道改裝連接、電氣連接及工藝運行調試，同時還可以根據工藝流程需要對PLC可編程控制程序進行改寫。污水水質分析——水處理方案的比選與確定——構筑物及設備的選擇與改造、運行參數等的設計——設備及管道連接——水處理工藝運行與調試——PLC自動運行控制與水質在線監測——出水水質監測，學生整套流程操作和校外企業員工做水處理項目一致，學生經過訓練可直接與生產實際結合。

圖1 工程中式實訓平臺——水環境監測與治理技術實驗/開發平臺

3 虛擬仿真實訓平臺搭建

我校虛擬仿真實訓中心是整合原有相關優質資源建設的校級虛擬仿真/工程實訓平臺，中心配有高清融合投影系統、服務站、工作站、仿真實訓平臺和工程制度等各類專業設備軟件，并收藏工程設計相關的各類型手冊、書籍和圖紙800余冊，可滿足全校師生開展虛擬仿真、工程設計、生產實習和課程設計等教學、教改活動。圍繞環境工程核心課程群，開發虛擬仿真實驗實訓軟件。目前，開發了城市污水處理廠3D仿真實訓軟件、大氣污染控制仿真實訓軟件之旋風除塵實驗、BOD5測定實驗仿真軟件、總氮測定實驗仿真軟件等。

以城市污水處理廠3D仿真實訓軟件為例。針對氣浮工藝、氧化溝工藝、SBR工藝、UASB工藝、生物接觸氧化工藝等，建立虛擬仿真實驗模塊，模擬工藝中泵房、沉砂池、初沉池、曝氣池、二沉池、污泥濃縮池等水處理構筑物的正常運行操作，模擬污水處理廠常見設備故障操作，模擬污水處理廠常見工藝事故處理操作，并可通過參數調整產生相應的正常或故障響應。

實驗軟件有工藝正常運行以及開、停車、事故處理等操作，具有情節、角色等概念的交互式操作系統，2020—2021年疫情期間，承擔了我院所有在校學生生產操作實習和畢業實習。仿真實驗將正常的工藝操作仿真和事故處理模擬相整合，同時兼顧中控室里的DCS操作培訓、室外操作培訓和應急預案處理條例培訓等，最終滿足實驗教學與課程考核功能等的要求[5-6]。

4 工程實訓與虛擬仿真教學融合實施過程

以污水處理廠設計項目為例，該虛實結合的實驗教學項目包括：城市污水處理廠3D仿真軟件訓練，水處理工藝方案設計，基于工程中式實訓平臺，構筑物及設備的改造與管道連接，基于中試平臺運行水處理工藝運行調試直至出水水質達標，回到虛擬仿真平臺實訓操作及水質監測。教學實施過程如圖2所示。

圖2 教學實施過程

1)實驗前。通過對水污染控制工程等環境工程專業核心課程理論知識的學習，掌握水處理工藝流程理論知識，學會根據實際水處理工程項目需求，進行水處理方案的比選；學習CAD畫圖軟件，我院CAD課程在虛擬仿真實驗室開設，教師講解CAD課程時，引入城市污水處理廠3D仿真軟件的講解；最終學生能夠獨立畫出水處理單元設計圖紙。

2)虛擬仿真實驗。在這一教學環節中，教師先在中式實訓平臺和仿真水處理系統上進行演示，學生在虛擬仿真軟件可以很直觀地看清楚水處理工藝流程、運行及每個處理單元內部結構；學生人手一機，觀摩學習，了解整個工程運行操作規程與原理，如系統或每個水處理單元的起停車、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，學生可以從外形到內部構造進行認知學習；之后學生在仿真系統上動手練習，模擬與污水處理廠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。同時每個水處理單元的仿真模型在工程中式實訓平臺都有原型化的裝置，在仿真訓練的基礎上再回到中式實訓平臺，對原型化處理單元進行操作，實現虛實結合，比較與分析，實踐能力得到螺旋式提升。

在虛擬仿真實驗中，學生將虛擬仿真與污水處理廠實習和工程中式實訓平臺對比，掌握污水處理工藝各處理單元的內部結構和工作原理、設備操作、工序銜接、PLC控制。

3)工程中式實訓。這一教學環節是以設計并實現水處理工程項目的方式提出教學任務：要求學生根據待處理的污水水質與水量，設計并提交水處理工藝方案及其設計圖紙，然后在中式實訓平臺是根據水處理設計方案進行設備改造與管道連接，在進行工藝的運行與參數調試，使得最終出水水質達到排放標準，運行穩定后對水質進行實時監測并學會基本的PLC遠程控制。

通過實際工程中式實訓操作，掌握水處理工藝流程與運行操作方法，在工序銜接、流程操作與控制結果方面，將工程中式實訓操作與虛擬仿真相結合，了解水處理工程運行操作規程，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，培養學生的工藝設計能力與運行管理能力。

5 實施效果

工程實訓與虛擬仿真教學融合的實施，堅持了以“工程能力學習成果為導向、以學生為中心”的工程教育認證理念，實現了仿真技術與工程環境的靈活切換，調動了學生實驗操作積極性，激發了學生自主學習能力，在這兩大平臺上可以完成多項環境工程專業實驗、實習、設計等實踐教學項目，虛實結合，達到知識、能力培養要求。

在后期的實踐教學改革中，還應不斷完善仿真教學軟件的功能，建立針對水、氣、固廢處理多種工藝系統軟件和工程中式實訓平臺，建立和完善“理論教學+虛擬仿真+工程中式實訓操作”的三維教學模式，保證實踐教學質量螺旋式上升。