給排水科學與工程專業虛擬仿真實踐教學探索＊

張磊，周紅星

（唐山學院土木工程學院，河北唐山 063000）

1 研究背景

教學質量國家標準規定給排水科學與工程專業的人才應掌握解決給水排水工程問題的理論和方法，具有應用所學專業知識解決工程實際問題的能力[1]。為實現這一人才目標，必須強化實踐教學環節，實踐教學是理論教學的延伸，是培養學生工程能力的重要環節，是促進學生知識和工程實踐能力協調發展與提高的重要手段[2]。但是由于給排水專業的綜合性和工程性很強[3-4]，往往在實踐的交互性和操作的系統性方面不能滿足要求，引入虛擬仿真技術在專業實踐教學中有著顯著的意義。

唐山學院的人才培養目標是培養素質高、能力強的高級應用型人才，隨著相關教學改革工作的進行，給排水科學與工程專業實踐教學資源和體系中存在的問題逐漸顯現出來，因此利用虛擬仿真技術進行專業實踐教學的探索和改革顯得尤為緊迫。

2 實踐教學引入虛擬仿真技術的背景

給排水科學與工程專業的實踐教學涉及到水廠的參觀、水廠工藝流程和構筑物的運行實踐、建筑給排水在建工程的參觀和施工實踐等方面內容，工程性和交叉性非常強，目前開展實踐教學過程中面臨著一些問題，影響了學生對專業知識的吸收和理解。

2.1 實踐基地不易尋找，實踐工作不深入

給排水專業學生實習實訓的地點主要是一些自來水廠、生活污水處理廠、建筑施工工地、環保設備廠家等，受到場地、人員數量、安全等方面因素的限制[5]，一些企業不愿意或者無法接收如此大規模的學生進行實踐學習。目前慶南水廠、北控水務集團和至鼎集團等企業為學生提供了一些實習基地，但是整體來說實習基地的數量偏少，個別時候同一批學生在不同的實習環節會去到相同的基地，并且出于安全的考慮，大多企業只接受學生參觀認知實習，很難真正給學生提供動手操作的實踐機會，實習多流于形式，實踐逐漸變成了參觀[6]。

2.2 實踐設備運行周期長，數量受限制

為了實踐環節的進行，學院采購了給水處理技術綜合實驗平臺和水環境檢測與治理技術實驗平臺2 種實訓設備，通過實訓平臺的操作，可以培養學生水處理工藝設計與管道連接能力、構筑物的調試和運行管理能力。但是，這些設備的運行周期較長，學生在對實驗設備每一次工藝參數的調整和操作手段的變化，都需要幾個小時甚至是幾十個小時的運行才能觀察到相應的實驗結果，具有一定的滯后性。而且實驗裝置的占地面積較大，成本較高，受場地和資金的限制，不能購買太多套數，目前這2 種實驗平臺各購買了2套，學生需要分組分批次進行實驗，增加了教師的工作量，個別學生也會出現依賴同組同學的偷懶現象，降低了實習的效果。

2.3 特殊情況下，傳統實踐教學無法開展

2020 年新冠疫情的特殊時期，只能通過網絡授課的方式開展教學活動，實踐環節亦是如此，以往的深入實踐基地的方式不能開展，教師只能通過給學生播放工程視頻的方式進行，實踐教學效果不盡如人意。

3 虛擬仿真實踐教學的探索

給排水科學與工程專業的學生在本科期間要經過認識實習、專業實習、生產實訓和畢業實習4 個實習實踐環節，以認識實習和生產實訓為切入點，引入了虛擬仿真技術。這2 個環節引入的虛擬仿真實踐項目為城市給水廠3D 虛擬現實仿真和城市污水廠3D 虛擬現實仿真。虛擬仿真軟件具有學習、練習和考核3 種模式，教師可以控制學生端開展相應實訓項目。在學習模式學生可以對各個構筑物結構、運行過程進行全面的觀察，對構筑物進行拆分，并對涉及到的知識點進行相應的學習。在練習模式可以根據軟件提示完成水處理流程的各個操作步驟，實時觀察到相應的處理結果，生成報告，學生可以在報告中查看自己操作時出錯的步驟，進行有針對性的改正練習。在練習模式軟件不限制操作次數，學生可進行反復練習，鞏固學習效果。在考核模式軟件將隱藏知識點和操作步驟提示，系統自動生成個性化的實踐考核試題，對學生進行理論知識和實際操作的考核，并根據考核情況進行成績核算。

3.1 認識實習

認識實習開設于大學一年級第二學期，時長2 周，是為了培養學生的工程意識，學生第一次從專業角度認識工程實體，對學生的影響僅是形象塑造而非實踐能力培養[7]。在這一環節安排學生參觀了唐山市慶南水廠和西郊污水處理廠，參觀的過程中學生對給水廠和污水廠有了一個整體的認知，觀察到一些處理構筑物的外觀，受水廠實際工作運行環境的限制，學生只能通過技術人員的文字描述來想象水處理構筑物的內部結構、運行原理和工作方式。在虛擬仿真軟件實踐中，教師先利用軟件對水廠進行講解，學生通過3D 視圖可以從任意角度對水廠的各個構筑物和管道連接情況、構筑物內部結構進行細致的觀察，隨意進行部件的拆分，配合動畫的方式對工作原理進行深入的理解，學習涉及到的專業知識，通過反復練習進一步熟悉水廠的水處理流程，最后在隱藏得分步驟的情況下按照水廠的水處理流程進行認知考核。

3.2 生產實訓

生產實訓開設于大學四年級第一學期，時長1 周，屬于強化的實踐環節，是進一步提高學生的工程實踐能力，培養工程技術、對接工程實體的基本手段[8]。在這一環節安排學生利用實驗室現有的給水處理技術綜合實驗平臺和水環境監測與治理技術實驗平臺進行了給水廠和污水廠處理工藝的實際操作，通過調整運行工況，得到不同的水質處理結果。由于水處理構筑物的處理運行需要一定的時間，每次工藝參數調整后都需要一段時間才能得到水處理結果，受實訓時間、設備數量和學生人數的限制，學生難以進行所有常見運行工況的操作，只安排了給水廠的過濾池和污水廠的A2/O 這2 種構筑物工況調整。另外，由于學生對設備操作的不熟練，個別的實驗組操作步驟不正確，沒有得到預期的結果。

在虛擬仿真軟件中，生產實訓部分包括水廠正常工藝運行和事故工況處理2 部分內容。軟件以一座設計水量20 萬m3/d 的生活污水處理廠為依托，在正常工藝運行環節，要求學生將進水量調整到設計水量，并按照合理的操作步驟、操作順序完成整個污水處理工藝的啟動運行，讓各個構筑物正常運轉，水廠的二級處理出水滿足GB 18918—2002 中一級B 標準；在事故處理環節，要求學生查看各處理單元運行情況，根據所學的專業知識及DCS 工藝指標，判斷事故原因，通過調整運行工況進行解決。

3.3 教學效果評價

虛擬仿真軟件系統擺脫了時間和空間的限制，整個專業幾十名學生能同時開展實習項目，系統中項目的設置類似于游戲的通關，激發了學生的學習興趣，目前已經在唐山學院給排水專業三屆學生中開展了虛擬仿真實踐教學，以問卷的方式對學生對虛擬仿真的態度和教學效果進行了反饋調查，共收集到了有效調查問卷205 份。在學生態度方面，從問卷調查結果可以得出，學生對于實踐環節引入虛擬仿真技術的接受度很高，92%以上的學生認為有必要開展虛擬仿真教學，而且學生對這種教學的適應性很強，86.92%（178 名）的學生表示非常適應虛擬仿真實踐過程，6.90%（16 名）的學生表示適應，僅6.18%（11 名）的學生不太適應這一實踐模式。分析原因主要有2 方面，一是參與調查問卷的205 名學生均是第一次接觸虛擬仿真技術，對仿真系統的操作陌生，這導致一些接受新鮮事物能力比較弱的學生出現了不太適應的情況；另一方面虛擬仿真軟件不能100%還原現實場景，同時一些操作步驟和數據已經默認，導致學生對部分原理和數據缺乏足夠理解的必要性，有些學生整個操作流程結束之后也不太明白自己的實訓過程，這也導致了學生不太適應。學生對虛擬仿真技術喜歡程度的調查結果與適應性的調查結果基本一致。在教學效果方面，由問卷統計結果可以得出，虛擬仿真技術的引入總體上提升了實踐教學質量。有共91.81%（188 名）的學生認為虛擬仿真技術的引入，提高了自主學習能力，參與感和積極性得到了較大提升。這是因為以往知識的傳授多是以教師講解為主，輔以圖片展示和視頻演示的方式進行，虛擬仿真技術讓學生動手操作，實現了教學手段的升級，提供了多元化的學習途徑，類似于游戲通關的項目設置，增強了實訓的娛樂性，更加吸引學生，引導其主動探索實訓項目內容，教學中一直強調的“自主學習”得到了實現。但是，由于軟件在還原真實場景方面還有不足，所以在能反映真實情況調查中僅有56.25%（115 名）的學生同意，這也是虛擬仿真技術本身具有的局限性，尤其是學生在對實際工程和構筑物實物不了解的情況下，很難將其與虛擬軟件中的模型對應起來，因此在實踐教學中要采用“虛實”結合的方法進行，通過實物增強學生的感性認識，進行優勢互補。在虛擬仿真軟件中，學生可以看到各個構筑物在不同工作狀態下內部發生的反應，結合整個工藝流程進一步理解其在處理工藝中所起的作用，還可以針對不同進水水質情況，調整運行參數，實時觀察處理結果，在短時間內進行反復的工況運行和事故處理練習，這是傳統教學方式無法實現的，因此調查中較大比例的同學可以“完全”或者“大部分”掌握構筑物的運行操作，有93.08%（191 名）的同學通過虛擬仿真技術提高了自身實踐能力。

4 總結

實踐教學在給排水科學與工程專業人才培養中占據重要的地位[9]，本文以認識實習和生產實訓2 個環節為例，闡述了將虛擬仿真實踐教學與傳統實踐教學進行結合的探索。綜合來說，虛擬仿真技術的引入豐富了實踐教學模式，完善了實踐教學過程考核和成績評定規則[10]，激發了學生的學習興趣，有利于學生工程應用和實踐能力的提高。引入虛擬仿真技術的時候需要注意虛擬技術具有一定的局限性。首先是軟件的評分考核不夠完善，沒有將構筑物的操作順序納入評分項，而實際工程中不嚴格按照操作規程，很有可能造成事故。其次是利用仿真軟件進行實踐與利用實物進行工程實訓相比較在一定程度上弱化了學生對構筑物運行性能和參數的了解，降低了誤差分析能力，在傳統實訓中，不同組學生的實訓數據會有差異，而在仿真軟件中，運行數據和處理結果系統已經默認設置好，按照操作步驟完成，所有人都會得到同樣的實訓數據，并且某一環節操作失敗，可以迅速重新進行，實時得到數據結果。最后是它對學生動手能力的鍛煉是比較有限的，尤其是在學生對實際構筑物不了解的情況下，很難將實物和仿真模型對應起來，因此，在進行實踐環節設計的時候，要充分利用傳統實踐教學方式和虛擬仿真技術的優點，采用虛擬技術與實際操作相結合，“虛實結合、以虛補實”的方式進行。