基于虛擬仿真實驗平臺的水處理教學體系重構與實施

＊徐玉萍 鄭丹 陶玲 鄧芳

（武漢工商學院環境與生物工程學院 湖北 430070）

隨著信息化產業的快速發展，國家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，各個高校積極建設虛擬仿真實驗平臺[1-5]，并對人才培養模式、教學體系及教學方法進行革新[6-8]，取得了顯著的成效。我校環境工程專業自主研發“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，依托虛擬仿真實驗平臺，將其與環境工程專業水處理課程群深度融合，整合教學內容，重構虛實結合的教學體系，并持續更新教學內容，對提升學生創新意識，提高學生實踐創新能力有實際意義。

1.污水處理虛擬仿真實驗平臺建設

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化和實驗教學的重要結合，是學科專業知識體系與信息技術深度融合的產物。開發污水處理虛擬仿真實驗平臺，促進以學生為中心的教學體系建設，有利于提升學生綜合設計能力和工程能力，推動創新實踐能力培養。我校環境工程專業自主研發虛擬仿真實驗，構建了污水處理虛擬仿真實驗平臺，該平臺包括水污染指標檢測實驗、污水處理工藝設計、污水處理系統仿真運行實驗三個模塊，見圖1～4。能夠開展常規污水指標檢測仿真實驗；可按照CDIO理念，利用工藝設計模塊中構筑物積木單元庫開展污水處理工藝設計；另外開展污水處理廠運行管理安全教育，工藝仿真運行，進行污水處理工藝全流程實驗及典型事故處理等。

圖1 污水處理虛擬仿真實驗平臺模塊及功能

(1)水污染指標檢測實驗

該模塊重點面向污水處理廠運行過程中常規指標（BOD5、COD、SS、MLSS、DO、TN、TP等），建立數值仿真實驗模型庫，開發仿真平臺軟件，學生可在交互虛擬環境中針對各指標進行模擬采樣和檢測。檢測儀器設備構造可視、實驗過程逼真，學生在操作過程中需具備環境監測的基本知識，通過仿真實驗可直觀、詳細的了解檢測實驗完整過程，為真實實驗科學性和有效性打下基礎，增加其成功概率，見圖2。

圖2 水污染指標檢測實驗

(2)污水處理工藝設計

污水處理工藝設計模塊見圖3，該模塊設置有城市污水、垃圾滲濾液、印染廢水三種典型廢水處理工藝設計。利用虛擬仿真技術和數字模擬技術將污水處理單元、設備解構并“積木化”、3D化、可視化，按照CDIO工程教育模式，學生通過構思、設計、實施和運行四個環節，完成污水處理工藝設計。

圖3 污水處理工藝設計

處理構筑物設置為“積木單元庫”，學生可根據污水特點及處理要求構思處理方案，靈活搭建工藝，可強化能力為先的人才培養理念，提高學生創新實踐能力，調動學生參與實驗教學的積極性和主動性。“積木單元庫”中利用3D仿真技術使處理構筑物內部可視、具象，學生可直觀了解構筑物內部構造，幫助其更好的理解和掌握處理單元功能及作用，在總體布置環節，可使學生更好的理解處理構筑物之間管線的連接和布局。傳統教學中無法將設計內容變為實體，本模塊實驗操作中學生可通過拖拽處理單元“3D積木”“建設”虛擬仿真污水處理廠，實施設計內容，完成CDIO中的I環節。

(3)污水處理系統仿真運行

創建仿真運行模塊模擬實際水處理整體工藝流程，學生可利用數字化仿真模型調整運行參數進行污水處理運行實驗，分析其對處理效果的影響，更好地了解微觀尺度下水處理設備內部的反應機理和工藝過程，增進工程設計和優化方法的創新性思維。另一方面，在模塊預設一些生產中常見的非正常情況和生產故障，使學生在仿真操作中對生產的全過程進行控制。此模塊可解決污水處理工藝流程長、系統龐大而復雜，無法在實驗室內實現污水處理全流程實驗的難題，真正實現CDIO中的O環節，可提升學生在教學中的參與度和理解度，激發學生的學習興趣和潛能，見圖4。

圖4 污水處理系統仿真運行

2.虛實結合的多層次教學體系構建

污水處理是環境工程專業的主要研究方向，課程體系龐雜，綜合性、實踐性強。為培養學生水污染控制工藝設計能力和工程研發能力，以“虛實結合、能實不虛、以虛助實、虛實互補”為原則，將虛擬仿真實驗深度融合進教學體系，通過梳理教學內容，組織教學過程，對理論課程、實驗實訓課程、實習及虛擬仿真實驗統籌安排，構建以培養學生工程能力和創新意識為目的的“三層次、三模塊、三結合”污水處理教學體系，見圖5。

圖5 “三層次、三模塊、三結合”污水處理教學體系

其中，“三層次”即按照應用型人才培養規律，形成“先基礎、再綜合、再到創新實踐”三個層次遞進為主線的教學體系。基礎層次包括專業基礎課、專業必修課和專業選修課，專業選修課程分為兩大類，一類為培養學生水污染控制工程開發能力的實驗課程，一類為培養學生水污染控制工藝設計能力的設計類課程。綜合層次主要為集中性實踐課程，包括課程設計及實訓課，均采用CDIO模式教學。創新實踐層次包括畢業論文（設計）、創新創業競賽、科技創新實踐、學科競賽環節。另外專業認知實習、專業生產實習、專業綜合實習也構成了層層遞進的“三層次”。

“三模塊”指虛擬仿真實驗平臺水污染指標檢測、污水處理工藝設計、污水處理系統仿真運行三大模塊。三個模塊為各層次教學提供服務，為學生學習過程提供支持。

“三結合”即①虛擬仿真教學與理論教學相結合——虛、理結合。在傳統課堂教學中，學生學習的知識理論性強，理解扁平化，全天候開放的虛擬仿真實驗平臺，可使學生在掌握理論知識后通過虛擬仿真實驗，進一步掌握理論應用方法，持續完善知識結構的建立，實現對專業知識體系理解的“理性-感性-理性”螺旋提升。②虛擬仿真實驗與實體實驗、實訓相結合——虛、實結合。虛擬仿真實驗可通過3D虛擬現實設計，增強真實感，增加趣味性，可彌補實體實驗教學局限性，豐富實驗教學手段，加深學生對水處理理論與工程的深刻理解，大大提高學生綜合實踐技能。但學習者無法體會實際操作的真實觸感，因受程序控制，實驗過程不會出現突發狀況，難以培養學生對突發情況的判斷能力和應對能力，另外，虛擬仿真實驗可一人操作完成，缺少實體實驗中團隊合作的機會。因此虛實結合，虛擬仿真實驗應作為實體實驗的輔助、補充和拓展，應以實體實驗為主。③虛擬仿真實驗與課外創新實踐相結合——虛、創結合。通過與企業產學研合作，累積成果，持續開發拓展平臺內容及功能，不斷更新虛擬仿真實驗平臺水處理新技術、新工藝，充分發揮工程技術企業和信息技術企業在虛擬仿真實驗項目中的積極作用，用其開展創新實踐訓練、學科競賽、科研。

3.虛實結合教學體系的實施

（1）整合教育教學資源，利用虛擬仿真實驗平臺，貫通專業課程間的知識聯結，完善學生知識結構。污水處理涉及多門理論課程、實驗實訓課程和環保有關政策、相關法律法規、標準規范，這些知識點被割裂在多門課程中進行傳授，知識點脈絡復雜，學生難以將其融會貫通并用于解決實際問題。虛擬仿真實驗平臺融合了多門課程的基本知識點和實驗技能，并且全天候對學生開放，通過重構環境工程專業課程體系，統籌安排課程，對理論課程中重復的知識點進行整合，削減基礎性、驗證性實驗，精心組織教學過程，利用虛擬仿真平臺輔助課程講授，從而使學生知識體系更立體，銜接更緊密。

通過建立資源共建共享機制、持續發展機制，將污水處理新技術、新工藝、新成果引入，構建技術先進、資源優化、運行高效、開放共享的污水處理虛擬仿真實驗平臺，不斷豐富環境工程專業優質教學資源。

（2）將教師為中心的講授式教學，轉變為學生為中心的探討式教學。利用虛擬仿真實驗平臺將理論課程中抽象的處理方法、處理單元、儀器設備具象化、動態化，全方位展示內部結構，可提高學生對知識的理解和接受程度，課堂上可大大減少基礎概念、原理的講授，采用任務驅動式教學，教師提出問題，組織學生研討，徹底改變教師為主導，語言闡述為主要方式的教學模式，形成以學生為主體，面向問題研討的教學模式。

虛實結合的教學體系為學生營造“自主學習”的環境和平臺，由傳統的“以教促學”的學習方式代之為學生通過自身與信息環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式，有效實現以教師為中心向以學生為中心的轉變，提升學生學習主動性。

（3）通過虛擬仿真項目設計，培養學生創新意識。通過將虛擬仿真實驗項目實驗實訓、創新實踐深度融合，可拓展實驗教學的廣度和深度，可靈活加入多種設計性實驗內容，學生自行設計符合實驗要求的實驗方案，通過虛擬仿真實驗可以培養學生獨立思考，激發學習興趣；利用虛擬仿真實驗開展創新實踐訓練、學科競賽、科學研究等教學過程，實現專業教育與創新創業教育的有機融合，在知識傳授的過程中培養學生創新精神、創業意識和創新創業的能力，使人才培養模式從知識技能型向應用創新型轉變。

4.結論與展望

將虛擬仿真實驗和課程體系深度融合，重構教學體系，可推進現代信息技術的融入，拓展實踐教學廣度和深度，延伸教學時間和空間，對提升實踐教學質量和水平有促進作用。

虛擬仿真平臺能夠有效整合各類教學資源，構建技術先進、資源優化的實驗項目，并可利用信息技術及時更新實驗內容，提高學生創新意識和創新能力。

虛擬仿真實驗教學可使學生在開放、交互的虛擬環境中自主學習、研究性學習，可促使教學方式向學生為中心的探討式教學轉變；通過構建多層次、立體化、開放式、虛實結合的教學體系，是教學模式和教學改革的突破口，對促進建立創新型人才培養模式，提升學校辦學水平和教育質量有實際意義。

通過建立資源共建共享機制，持續更新教學體系。打通校際間虛擬仿真資源共享，鼓勵企業和其他社會力量投入數字教育資源建設、提供個性化服務，創建用戶按需購買產品和服務的機制，形成人人參與建設、不斷推陳出新的優質數字教育資源共建共享局面。將教師科研及合作企業創新成果、技術研發成果和工程應用成果，通過虛擬仿真技術進行再現，持續更新教學體系，實現虛擬仿真平臺與工程實踐無縫對接，拉近教學與工程實踐的距離，使學生盡早接觸行業發展前沿與先進技術，逐步形成產學研一體化創新的虛擬仿真實驗教學體系，對提升高校辦學水平和教育質量將產生積極的實際意義。