虛擬仿真技術在給水排水實驗教學中的應用探索

徐 斌，張天陽，羅振寧，劉 濤

（同濟大學 環境科學與工程學院，上海 200092）

一、虛擬仿真技術教學發展與應用背景

（一）虛擬仿真技術教學的發展情況

近年來，隨著個人計算機、智能手機日益普及，互聯網和通信技術在社會生活、生產活動中不斷發展，全世界范圍內一些大學出現了基于虛擬仿真技術開展教學的諸多案例，例如，美國麻省理工學院、日本東京大學均運用信息技術開展虛擬仿真教學［1］。國外一些大學在課程教學、資源共享和實驗開展等方面已經深入使用虛擬仿真技術，國外有研究也將虛擬仿真教學列為教育界對傳統教學進行改革、提升人才培養質量的重要方向［2］。

我國教育主管單位同樣準確把握了虛擬仿真技術在教學中應用的重要意義，教育部頒布的系列文件均對此有所體現，比如《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》《教育部關于公布首批國家級一流本科課程認定結果的通知》《關于開展第二批國家級一流本科課程認定工作的通知》。《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》指出：加快推進教育信息化進程，加強數字校園、數據中心、現代教學環境等信息化條件建設。《關于一流本科課程建設的實施意見》提出：要加強信息化資源共享平臺建設，實施國家精品開放課程項目，建設一批精品公開課程和精品資源共享課程，向高校和社會開放；強化現代信息技術與教育教學深度融合，解決好教與學模式創新的問題。由此可知，虛擬仿真技術在教學中的應用，是圍繞教育信息化進行教學改革的一種重要渠道。

（二）虛擬仿真技術在給排水學科教學中的應用背景

21世紀計算機技術、各類軟件技術、互聯網和通信技術快速發展，虛擬仿真技術在教學中的應用是先進技術賦能教學改革的一種必然結果。目前，虛擬仿真技術應用于教學主要表現為：多媒體場景呈現、虛擬現實和增強現實等。

虛擬仿真技術，具備沉浸性、交互性、仿真性等特點，虛擬仿真技術在教學中不依賴真實世界的過程來呈現教師所要展示的內容，特別適合一些高成本、高污染、高風險、不易的、周期久的教學過程。這些手段可以解決高等學校在課程教學，特別是一些實驗教學中的固有問題，從而突破傳統課堂的局限。例如，在一些專業中，油田井噴的演示、手術教學演示、爆炸的演示等教學均可以借助虛擬仿真技術得到實現［3］。

傳統的給排水實驗教學受限于實驗規模，實驗教學與工程應用存在一定的脫節，例如，傳統的混凝沉淀實驗、水質指標檢測等簡易實驗，內容和形式單一［4］，實際工程中的大規模生態修復、應急污染處置、水廠運行操作、管網調度難以展示，學生對知識點理解受限，無法有效培養掌握相應技能的工程技術人才。

目前，在全國范圍內，已經有一些給排水學科教學團隊開展了虛擬仿真技術在教學中的應用，取得了教學改革的成效。例如，銀玉容等［5］在給水和排水管網相關的實驗教學中采用了虛擬仿真技術，榮宏偉等［6］將虛擬仿真技術應用于泵與泵站的實驗教學。國內的虛擬仿真實驗課程、虛擬仿真教學平臺、虛擬仿真教學理念等，已經在連續多年的建設下蓬勃發展，取得長足積累［7］，已經逐漸進入了虛擬仿真技術賦能傳統給排水學科實驗教學的階段。

二、傳統實驗教學與虛擬仿真實驗教學的對比

傳統實驗教學與虛擬仿真實驗教學的特征對比如表1所示，通過虛擬仿真實驗教學可以解決傳統實驗教學中的諸多問題。例如，面對理論學習與生產實踐脫節的現實問題，有限的幾個學時無法較好地培養學生的實踐能力。虛擬仿真實驗教學則可以在教學全過程、實驗管理和開展、資源共享等方面突破傳統實驗教學必須實地開展的局限，特別是在避免工程設備難保養、高消耗、高耗能以及危險性等問題的同時，仍然凸顯工程學科教育的實踐性和應用性［8］，促使實驗教學與實際運用的較好統一，從而提升學生的學習熱情，提高理論認知，取得良好的教學成效［9］。

表1 傳統實驗教學與虛擬仿真實驗教學的特征對比

（一）知識點學習和實驗內容的對比

在知識點學習上，傳統實驗知識點載體有限，僅通過課本學習、教師授課方式獲取，學生參與度非常有限，大多僅能開展有限的實驗過程。虛擬仿真實驗教學采用多媒體、虛擬現實和增強現實等多種技術呈現方式，學生可自由探索獲得知識，在仿真操作中體驗全過程。

在實驗內容上，傳統實驗的實驗內容單一，課前要進行大量準備工作，只適用于反應周期較短、成本較低、占地較小、易操作的實驗，并且隨著實驗復雜程度的增加，開展難度也不斷增加。虛擬仿真實驗教學實驗內容豐富多樣，課前無須反復準備，即可開展大規模、演替周期長、高成本、占地大、過程復雜、操作難度高的實驗。

（二）課程規模、考評機制和安全性的對比

在課程規模上，傳統實驗課堂課時和容量有限，時間、地點固定，適用和共享范圍也有限，僅能在本校的少量教學班級中開展教學。虛擬仿真實驗教學不受課時、容量、時間和地點等限制，也可多次重復學習；在向其他高校、企業共享教育資源時也十分便利，實現教學資源的開放與共享。在考評機制上，傳統實驗僅能通過實驗報告和實驗數據體現，虛擬仿真實驗教學可以記錄操作全過程，進行后臺積分、監測考核，對學生學習過程使用豐富的記錄評價方式，增加了考查維度，實現教師在教學過程中對課程評價的精準掌握。

在安全性上，傳統實驗可能涉及有毒有害物質、高溫高壓、易燃易爆等實驗過程，具有一定的安全風險；虛擬仿真實驗教學無任何安全風險。

三、虛擬仿真技術與給排水學科教學相結合的課程設計

傳統的給排水實驗教學受限于實驗規模，易于開展的混凝沉淀實驗，濁度、COD、氨氮、溶解氧等水質指標檢測等實驗，實驗教學與工程應用存在一定的脫節問題。在實際工程中，給排水專業人才常面臨大規模生態修復、應急污染處置、給水廠運行操作、污水處理廠運行操作、管網鋪設與設施調度、管網水力條件調整等大型任務。然而，學生無法直接體驗這些大規模的工程實驗和運用過程，導致學生對知識點理解受限，無法高效培養掌握相應技能的工程技術人才。通過2D 建模、3D建模、虛擬現實和增強現實等虛擬仿真技術，向學生展示平時不易接觸到的大型江河湖庫等水源地、大型給水廠、大型污水處理廠、大規模管網等工程場景，如圖1所示。一些難以呈現、高成本、高污染的工況，例如，水源地突發污染、水廠處理參數調整、泵與管網運行工況變動等，都可以進行仿真［5-6］。在這些一般不易體驗的場景中，學生可以自主進行實驗探索，解決相應的工程問題。

圖1 虛擬仿真技術在給水排水實驗教學中的應用示例

同時，除了復雜的大規模實驗，一些簡易的實驗，如混凝沉淀實驗、水質參數檢測實驗和水力學實驗等，也可基于虛擬仿真技術進行開展，成為基礎實驗教學的補充，在更廣闊的仿真空間中加深學生對原理的理解。

在進行給排水虛擬仿真實驗教學課程設計和教學應用時，課程的設計需要遵循科學原理和工程實際，同時融合給排水課程理論算法模型。采用了虛擬仿真技術的課程可以獨立使用，也可以基于一些平臺開展應用，常見的大型平臺往往也有助于開展相應的共享、支持和考評。

（一）課程設計

虛擬仿真技術教學形式多樣、內容豐富，是有規律和路徑可循的。筆者經過長期實踐和對大量案例的總結，歸納了一種合理有效的教學路徑，虛擬仿真實驗教學開展的課程設計流程如圖2所示，主要包含認知學習、現狀調研、虛擬仿真展示實驗、工程應用實踐檢驗等部分，讓學生感受從認知到體驗，從基礎知識的沉浸式學習到實驗應用逐步提高的過程，在每一個層次中，都需要學生進行自主學習和實驗操作。

圖2 虛擬仿真實驗教學開展的課程設計流程

認知學習主要包括基本概念、靜態演示和動態演示三種模塊。此部分主要以多媒體手段、虛擬現實和增強現實手段生動展示課程所要傳授的基本概念等知識，如泵與泵站實驗中的流量、揚程和汽蝕等概念，給水處理實驗中的有效碰撞、水頭損失等概念。先靜態地浸入式深入學習所演示的基礎知識，實現人機交互的自主式探究式理論學習，再動態地在具體的物理、化學和生物過程中演示其具體內涵。

現狀調研環節包括現有理論和虛擬場景工程問題分析。由于工程場景并非完美的，學生在虛擬場景中學習調研了現狀后，通過查閱文獻資料和獨立思考，對現有設施的技術和功效進行理解和分析。以多個問題為驅動，特別是和教學內容直接相關的工程問題，讓學生對現有設施進行問題剖析，增強學生的工程現場認知，并培養批判性和創新性思維。以給水處理為例，在混凝和沉淀過程中，混凝劑投加并非越多越好，過量投加和投加不足均有相應風險，學生對特定水廠的投加量和出水水質參數進行調研，切實體會其內涵。

學生帶著問題進入后續的虛擬仿真展示實驗階段，以問題為導向開展實驗，在虛擬實驗中尋找答案。通過模擬展示現實問題和場景，虛擬仿真技術可以形象生動地展示抽象的實驗數據。學生在經歷了模擬展示、設計學習、模擬采樣、檢測分析、數據記錄和結果分析等步驟后，能夠理解工程現象，對工程問題背后的科學問題有深刻把握，例如，六聯燒杯攪拌的混凝實驗等實驗的開展就是對混凝劑投加相關工程問題進行探究的科學實驗。

工程應用包括現有問題的解決和工程效果的模擬檢驗。在學生完成仿真實驗后，利用實驗中獲得的科學規律，對工程過程進行一定的調控，嘗試解決問題，并對工程效果進行模擬檢驗。在這個過程中，實現疊加學生的解決方案后的新一輪模擬展示，結束后學生進行數據記錄與分析，著力培養學生的工程實踐能力。

（二）技術支持

高等教育出版社負責運營的“實驗空間”是國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺，虛擬仿真實驗是其中高等教育信息化的重要內容和實驗教學的重要組成部分［10］。通過結合實驗空間或本校虛擬仿真實驗教學云平臺（如有），可以實現集資源瀏覽、仿真操作、在線學習于一體的信息化網絡仿真培訓學習管理。

同時，基于實驗空間或本校虛擬仿真實驗教學云平臺，可立足于真實實驗教學開設對應仿真實驗課程、理論課程，利用討論區、在線答疑等功能區，還能實現在線的教學支持、技術支持。教師可將各種教學資源共享給學生，包括軟件、視頻、2D或3D動畫、課件、文檔等，使學生在進行實際實驗之前達到良好的預習效果，在實驗過程中和實驗結束后通過仿真操作和理論學習強化知識掌握，實現時時能學、處處可學，隨時隨地獲取所需知識，打破傳統的以課堂為中心的教學模式。

在平臺維護方面，基于平臺的建設，教師可以便利地向平臺反饋需求和問題［11］，推動和改進共享應用服務，使平臺的功能和服務不斷升級和迭代，使智能化教學的方法在信息技術和智能技術進步的過程中融入實驗教育教學全過程；還可以借助平臺的規模效應，無障礙地向其他高校、企業分享課程，增進知識傳播，打破教育資源共享壁壘。

（三）考評機制

虛擬仿真實驗教學的評價導向是以實際工程或科學問題為背景主線，引導學生進行多維研究探索互動的學習，充分考核學生知識掌握程度、設計或計算能力、工程應用和科學研究能力。使學生能夠較好地了解實驗的基本原理，掌握設計或計算能力，了解工程應用實例，探索研究分析工程運用方案。教師實驗教學過程獲得了信息化支撐，通過平臺的管理端組織仿真考試和理論考試，并通過在線監控和在線答疑實時掌握各種資源的使用情況，進而進行在線輔導。

借助數據的全過程記錄，教師也可以進行全方位的考核。學生通過該平臺的學員端可與教師互動、分享學習經驗與參加考試。

四、總結與展望

首先，虛擬仿真技術應用于實驗教學是教育信息化過程中的大勢所趨。隨著計算機技術、各類軟件技術、互聯網和通信技術的持續發展，多媒體場景呈現、虛擬現實和增強現實等虛擬仿真技術將越來越“仿真”，在教學中的應用場景也將越來越多，不斷實現先進技術持續賦能教學改革。

其次，虛擬仿真技術在實驗教學中的應用將助力給排水學科發展和人才培養。在高度城鎮化、工業化和信息化的時代，給排水學科所面臨的時代使命、專業任務和工作場景將會不斷出現新的局面，虛擬仿真技術在實驗教學中的應用恰恰能夠在學科發展和人才培養中，讓師生不斷適應這種變化，用先進的學科教學培養引領未來的專業人才，不斷以點帶面，牽引學科發展。

最后，基于平臺的虛擬仿真技術的應用不僅將對本校的教學有所裨益，還將促進高校間、校企間的資源共享與知識傳播。虛擬仿真技術教學平臺集成了豐富的資源，能提供可靠的支持維護，其最大優勢之一就是便于共享傳播，不僅在一所高校內應用，還能在高校與高校之間、高校與企業之間進行共享，在其他高校的課程教學和企業的技能實訓發揮重要作用，服務社會，實現高質量的資源共享與知識傳播。