虛擬仿真助力下污水處理工藝實驗教學方案設計與實踐

徐玉萍，鄧 芳，包靜玥，劉 瑤

（武漢工商學院，武漢 430065）

教育部印發的《教育信息化十年發展規劃（2011—2020）年》提出深入推進信息技術與高等教育教學的深度融合，虛擬仿真實驗教學是信息技術與教育教學融合發展的體現，與學科專業深度融合帶來的教學改革和創新，對教育質量的提高產生重要積極的作用[1-5]。許多高校環境工程專業建立虛擬仿真實驗[6-8]并將之與傳統課程結合創新教學方式[9-11]，將虛擬仿真實驗與真實實驗、實訓虛實結合，協同培養學生實踐能力。

武漢工商學院環境工程系自主研發“污水處理工藝虛擬仿真實驗”獲批國家級虛擬仿真實驗項目，并建立了包含水污染指標檢測實驗、污水處理工藝設計和污水處理系統仿真運行三個模塊的污水處理虛擬仿真實驗平臺。依托該平臺創新實踐教學手段，在污水處理工藝實驗中采用虛實結合的模式，提高了學生綜合實驗能力、自主創新和實踐能力，對提高人才培養質量和教學效果起到積極促進作用。

一、污水處理工藝實驗教學方案

（一）教學方案設計

傳統課程體系中水污染控制工程課程設計針對污水處理廠進行工藝設計，學生按設計任務書完成工藝設計計算，編制設計說明書，繪制工藝設計圖。污水處理工藝全流程運行實驗因流程長、系統龐大復雜，以及設備、場地及實驗周期等原因，無法在實驗室開設，因而學生的學習只停留在設計階段，對污水處理單元工作原理的理解仍停留在理論。為適應教育信息化大趨勢，武漢工商學院環境工程專業自主研發了污水處理工藝虛擬仿真實驗，解決了這類復雜實驗無法開設的難題。將傳統課程體系中水污染控制工程課程設計和虛擬仿真實驗結合，在虛擬仿真助力下將工藝設計成果通過虛擬仿真實現，并開展工藝全流程運行實驗，進行運行參數的設置、調整、優化及故障的處理。通過學習可加深學生對有關廢水處理理論的理解，掌握污水處理工藝設計方法，培養學生水處理工藝工程系統的設計、開發和運行等工程實踐能力。

（二）CDIO 實驗原理

水污染控制工程課程設計在傳統教學中按照構思工藝流程、污水處理廠工藝設計的過程完成這一教學活動，即通過CDIO 中C 構思（Conceive）、D 設計（Design）環節，完成污水處理工藝設計。然后借助虛擬仿真，構建并運行仿真污水處理廠，即開展I 實施（Implement）和O運行（Operate）。在虛擬仿真助力下，通過虛實結合教學模式可完成污水處理工藝從設計研發到運行整個生命周期，使學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式進行學習，從而在工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面達到預定目標。虛擬仿真助力下“污水處理工藝”實驗設計階段及CDIO 實驗原理如圖1 所示。

圖1 實驗設計階段及原理

（三）虛實結合教學實施過程

污水處理工藝實驗包括污水處理工藝設計和污水處理廠運行實驗，其中工藝設計包括工藝流程搭建、單體構筑物設計計算、總平面布置、工藝管線布置、高程計算及布置。按照實驗過程全程虛實結合，構建污水處理工藝設計、污水處理廠運行管理能力培養模式。

1.虛擬仿真實驗步驟

進入虛擬仿真實驗平臺污水處理工藝設計模塊，模擬工藝設計、運行、管理整個過程。按照工程設計的流程，先經過工藝流程搭建、單體構筑物設計、總平面布置和工藝管線布置，完成污水處理工藝的設計；然后在3D場景中搭建仿真污水處理廠、開展仿真污水廠運行實驗，調整運行參數，最后可進入仿真污水廠進行運行、管理。實驗平臺將龐大復雜的處理工藝分解，將污水處理構筑物積木化、可視化，可瀏覽構筑物三維圖掌握構筑物內部結構，更好地理解其功能、作用和設計方法。3D場景中通過拖拽單體構筑物三維模型進行總體布置。在DCS 界面進行仿真污水處理廠全流程實驗，通過設定、調整優化運行參數，觀察和記錄運行參數與出水水質的響應情況并記錄數據，以實現出水的達標排放。具體實驗流程如圖2 所示。

圖2 虛擬仿真實驗流程

2.虛實結合的實驗過程

虛擬仿真實驗可完成全流程污水處理工藝實驗，但污水處理工藝設計計算關聯性復雜，無法完成完整的設計計算，開展水污染控制工程課程設計是必不可少的，虛擬仿真實驗和水污染控制工程課程設計二者虛實結合、優勢互補，形成虛實結合污水處理工藝實驗，實驗全過程采用虛實結合，培養學生工藝設計能力、工程開發能力，教學過程如圖3 所示。

圖3 污水處理工藝實驗教學過程

（1）指導學生在虛擬仿真平臺進行線上練習，熟悉水處理工藝設計的整個流程，通過反復練習，掌握設計標準、工程技術規范的應用，初步掌握污水處理工藝設計要求和方法。通過虛擬仿真實驗平臺考核學生實驗掌握情況，完成實驗后系統自動輸出實驗報告，實驗分數達到要求后可開始進行課程設計。

（2）在線下課程設計中，下發設計任務后，完成污水處理工藝設計中工藝流程搭建、單體構筑物設計計算，此過程以虛擬仿真實驗為輔助，設計計算中參考構筑物三維模型，了解構筑物內部結構，更好的理解和掌握構筑物設計方法。

（3）總平面布置之前，將設計計算結果輸入虛擬仿真實驗中，在模擬場景中練習平面布置和工藝管線布置，虛擬仿真實驗中學生可通過反復試錯糾錯，掌握平面布置的要點，且抽象問題可具象化，提高學生學習興趣。

（4）在線下設計中進行總平面布置、工藝管線布置和高程布置，掌握工程設計圖紙繪圖要求，完成設計圖紙。工藝管線布置中，因平面圖中難以直觀構筑物進出水口，容易出現管線誤接，可進入仿真三維模型中瀏覽，充分了解構筑物內部構造，輔助進行管線布置。

（5）完成整個設計計算及設計圖紙后，在虛擬仿真實驗3D 場景中，按照平面布置圖布置構筑物及管線，“建設”仿真污水處理廠，進行污水處理工藝全流程實驗，調整優化運行參數。

污水處理工藝實驗全流程中虛實結合的實施過程如圖4 所示。

圖4 污水處理工藝實驗虛實結合的實施過程

二、實施效果

虛擬仿真助力下污水處理工藝實驗按照CDIO 理念精心設計，全過程虛實結合教學，可解決污水處理廠工藝設計成果無法實現，設計環節與運行實驗、運行管理脫離的問題，可解決單一虛擬仿真實驗弊端，另外結合專業實習，可使工藝從設計到運行管理先虛后實，再虛再實，層層遞進螺旋上升，取得良好效果，有助于學生工藝設計能力、工程開發能力的培養。通過問卷調查學生評價反饋、成績分析、仿真平臺學習情況統計，對比虛實結合污水處理工藝實驗方案實施前后數據，具體見表1、表2，可得出實施效果如下。

表1 虛實結合實驗方案實施效果統計分析（一）

表2 虛實結合實驗方案實施效果統計分析（二）

（1）實行該模式教學，使學生先通過虛擬仿真實驗掌握污水處理工藝設計流程和方法，先仿后做；通過學習、瀏覽工程案例、工程設計資料和仿真平臺三維模型，使構筑物內部結構可視化；大大提高了設計環節的效率和準確率，實驗成果平均分、高分比例有明顯提高。

（2）設計污水處理廠后在仿真平臺搭建仿真污水廠，使相對抽象的設計成果可以直觀表達出，增強學習趣味性，提高了學生學習興趣，絕大多數學生對本實驗方案表示滿意（92%），并希望將虛擬仿真技術推廣到印染廢水、垃圾滲濾液等典型工業廢水。

（3）通過仿真污水廠運行和后續專業實習，可培養學生工藝設計能力和運行管理能力。通過先虛后實的工程實踐，學生可掌握多種設備運行控制，完成污水廠運行管理和事故應急處理，提升專業實習效果。

（4）在虛擬仿真助力下，學生可從污水處理廠構思、設計到實施、到運行，完成整個污水處理工藝實驗，可使污水處理知識系統化、具象化、立體化、實用化，增強感知性和趣味性，使學生以主動的方式學習污水處理基本知識。

三、虛擬仿真助力下實驗項目特色

（一）多樣化的教學方法

（1）以CDIO 工程教學理念組織教學過程。以現代信息技術為依托，以水污染控制工程實驗教學內容為指向，通過構思、設計、實施和運行四個實驗環節，以“虛實”結合、以虛補實進行工程情景模擬實驗教學，提高了學生實踐能力和創新能力。

（2）任務驅動式教學，問題探究式學習。在水污染控制工程課程設計一開始就向學生明確布置設計和運行任務，并引入污水處理工藝實驗仿真平臺，以任務為主線、教師為主導、學生為主體，引導學生帶著任務在探索中自主學習。將以傳授知識為主的傳統教學理念，轉變為以解決問題、完成任務為主的多維互動式的教學理念，將再現式教學轉變為探究式學習，使學生處于積極的學習狀態。

（3）案例教學，情景再現。虛擬仿真實驗平臺中涉及到多門專業課程的相關知識點，收集有相關標準、設計規范、設計手冊等，同時提供了三維動畫、視頻、照片圖文和污水處理廠工程案例等多種教學資源，教師可以直接在教學中調用、展示這些資料，進行案例教學，常見設備和構筑物的結構、工作原理在虛擬場景中得到了清晰的展現，學生可身臨其境進入工程案例中的仿真污水廠進行瀏覽，使學生有更加深刻的感性認識，極大地激發了學生的學習興趣和學習熱情。

（二）全方位的評價

虛擬仿真實驗工藝流程搭建、工程設計計算、總平面布置和運行實驗等環節中包括客觀題和主觀題，客觀部分直接利用系統進行評價給分，系統評分具有激勵式、容錯式的特點，強調操作過程中允許更正和糾錯。主觀部分如總平面布置，通過系統導出布置圖，由教師給出評閱意見并評分。課程設計完成后進行答辯，由學生自評、互評，教師評價給分。線上線下采用多樣化評價方式，進行全方位考核，給出量化但具有個性化的評價結果。

（三）傳統教學的延伸和拓展

虛擬仿真助力下污水處理工藝實驗教學，通過虛實結合、以虛補實進行工程情景模擬，推進了現代信息技術與實驗教學的深度融合，拓展了實驗教學內容的廣度和深度，延伸了實驗教學時間和空間；另外虛擬仿真工程設計、水質檢測、運行操作貫通了多門專業課程間的知識聯結，形成了實驗—實訓—實習三位一體虛實結合課程體系。

四、結束語

虛擬仿真實驗項目污水處理工藝實驗與水污染控制課程設計融合，形成了虛實結合的教學模式，使學生能夠更系統地掌握污水處理工藝設計、污水指標檢測、工藝運行等專業知識。虛擬仿真實驗項目將持續建設與更新，不斷累積污水處理新工藝、新技術，拓展工程案例，與工程實踐無縫對接，逐步形成產學研創一體化創新的虛擬仿真實驗教學體系，并將之與環境工程專業水處理方向專業課程融合，構建出與虛擬仿真模塊結合的“基礎—綜合—創新”三層次，“虛理、虛實、虛創”三結合的多層次教學體系，創新才人培養模式和教學方法，強化大學生綜合能力訓練，培養適合創新性國家建設的應用型創新人才。