吳芳芳，林 皓，郭紹英，胡家朋

（武夷學院 生態(tài)與資源工程學院，福建 武夷山 354300）

環(huán)境工程專業(yè)是一門集化學、物理學、生物學、醫(yī)學、地學等綜合性學科，具有知識面廣、跨度大實踐性和綜合性強的特點[1]。該學科以解決復雜環(huán)境工程問題能力為主要培養(yǎng)目標，因此實驗實踐能力的教學是該學科重要教學內容。隨著環(huán)保產業(yè)迅速發(fā)展，環(huán)保行業(yè)技術人才市場缺口日益增大，但大多企業(yè)認為高校應屆畢業(yè)生存在崗位適應能力不足、上手能力弱、綜合應用能力差等問題[2-3]。建立符合新時代發(fā)展要求的實踐教學體系，加大實踐和工程訓練，熟練掌握工程及運行技能，提高解決復雜環(huán)境問題的能力是目前高校培養(yǎng)應用型人才的迫切需要[4]。

虛擬仿真實驗技術運用虛擬現實技術、數字化媒體技術等人機交互、大數據、云等多種技術手段，構建一個具有交互效能多維化的信息實驗環(huán)境。因其高效、安全、近乎真實的操作，完成真實實驗不能或很難完成的教學效果，已經在生物[5]、醫(yī)學[6]、土木[7]等領域的實踐教學中得到廣泛應用。對于成本高、消耗大的大型綜合性實驗項目，虛擬仿真實驗教學更是呈現出明顯的優(yōu)勢，對傳統(tǒng)實驗的教學產生了深遠影響[8-9]。本文以實驗室廢水處理虛擬仿真實驗建設為例，通過優(yōu)化教學環(huán)節(jié)和程序，提高實訓教學效率，旨在為高校環(huán)境工程專業(yè)開發(fā)虛擬仿真實驗教學體系提供參考經驗和借鑒。

1 虛擬仿真實驗教學的必要性

目前環(huán)境工程實驗實踐教學存在以下制約因素[10-13]：（1）為滿足應用型人才培養(yǎng)的需要，需要開設大量實驗實踐課程，在傳統(tǒng)實操模式下，實踐教學總體費用升高；（2）由于專業(yè)特點，許多綜合性實驗項目設施占地面積大、儀器設備繁雜，實驗耗材多，而較難開設。尤其是處理系統(tǒng)的運行管理和過程優(yōu)化等無法在短時間內直觀體現；（3）部分實驗涉及大型貴重儀器設備，臺套數不足，學生無法親自操作，只能以觀察來代替動手操作；（4）實踐實習場所，受場地、人員、安全等因素限制，大多只接受參觀認知，無法觀察內部結構，更不能進行運行操作。

虛擬仿真實驗采用過程模擬仿真技術，將設備工作原理算法化，根據工藝流程結構、環(huán)境工程原理、化學反應動力學等原理搭建數學模型。通過交互式操作將前臺的用戶操作指令傳送到后臺的數學模型中，經數學模型的運算實時表征出各個工藝數據的真實值，借此反饋出每一個操作條件變化與工藝現象之間的關系，模擬出實際生產環(huán)境下的實時參數變化。因其具有生動形象、操作簡單、綠色安全、實驗投資少，可滿足大批量學生同時操作的特點，逐漸發(fā)展成為實踐教學的重要手段[14-15]。

2 環(huán)境工程虛擬仿真實驗教學的實施

2.1 仿真實驗項目建設內容

實驗室廢水成分復雜多變，需要根據不同的廢水水質情況選擇采用不同的組合方法來處理。項目采用DCS組態(tài)軟件對處理工藝進行模擬，還原一個完整的實驗室綜合廢水處理站和模擬學員下廠實習過程的情景。以逼真形象展示水處理相關設備、各儀表等的運行，綜合訓練學生對工藝流程、關鍵設備的原理結構、安全、儀表、系統(tǒng)正常開停車、事故處理等操作的能力。

該虛擬仿真實驗可根據不同的進水水質情況選擇合理的處理工藝及崗位進行訓練，圖1為實驗室廢水某一水質情況下的工藝流程圖。學生根據界面提示逐一進行操作，了解廢水處理工藝流程、設備操控、原理知識、相關參數優(yōu)化、設備內部構造等部分。該系統(tǒng)可將實驗過程全方位、真實地呈現在學生面前，集知識掌握和能力培養(yǎng)于一體，能有效地增強教學效果。

圖1 實驗室廢水某一水質情況下的工藝操作界面Fig.1 The process operation interface of a waste water quality situction

2.2 教學方法

學生在課前預先進行知識點的學習及考核，熟練掌握知識并通過考核后，再進行實驗課教學。實驗課中教師對仿真廢水處理系統(tǒng)進行操作，學生觀摩學習，了解系統(tǒng)運行操作規(guī)程后進行獨立操作。學生利用計算機輔助手段，對單體工藝過程進行分析及工藝參數調整，進而對水處理過程系統(tǒng)進行分析，確定其各個部位的屬性和性能指標。通過該模塊的仿真練習，讓學生系統(tǒng)學習相關專業(yè)知識，掌握處理工藝操作技能，引導學生自主發(fā)現問題、解決問題，提升工程設計綜合意識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。目前虛擬仿真實驗教學分為四大模塊，分別為知識點學習、知識點考核、工藝選擇、工藝操作。

2.2.1 知識點學習

通過仿真實驗教學系統(tǒng)中將實驗室廢水的特點及涉及處理單元的工藝原理及運行條件等知識點進行梳理總結，為學生提供學習平臺。知識點包括實驗室廢水處理工藝中常用的物理方法、化學方法、生物處理方法等。要求學生在仿真模擬實驗前完成知識點的學習。

2.2.2 知識點考核

在軟件界面中設計了相關知識點的考核，不僅可以了解學生對知識點的掌握程度，同時也可加強學生對知識點的理解及應用能力。學生必須通過知識點考核后才能進行實驗操作。

2.2.3 工藝選擇

仿真系統(tǒng)可隨機生成對應不同實驗類型的廢水水質，學生通過已掌握的知識點分析判斷廢水的水質特征，并依此選擇合理的工藝流程組合進行模擬處理。

2.2.4 工藝操作

學生在充分理解實驗室廢水處理的相關知識背景下，對過程微觀變化進行全面觀察，調節(jié)工藝參數，觀察實驗現象、記錄實驗數據，通過出水水質指標判斷工藝參數優(yōu)化的準確性，如圖2。建立動態(tài)穩(wěn)定運行工藝的工程理念，達到傳統(tǒng)實習及參觀教學無法企及的教學效果。

圖2 石英砂-活性炭-微濾的工藝進出水水質指標Fig.2 The water quality indicators of quartz sand,activated carbon and microfiltration process

2.3 評價考核體系

實驗課程考核成績由理論知識測評、操作技能評價、實驗結果達標(水質分析)考評三部分組成。

2.3.1 理論知識測評

考核學生對實驗室廢水處理工藝中，所涉及的專業(yè)理論知識的掌握程度，主要形式為軟件中設置的思考題，教師分發(fā)的試題試卷以及教師的隨堂提問等。例如混凝助凝注意事項、氣浮工藝原理、RO工作原理等，能夠根據3D的工藝流程圖找到相關的處理單元，并學習和掌握設備的內部構造和運行原理，回答教師在課堂上關于工藝單元、設備構造等方面的提問。理論知識測評成績占總評成績的20%。

2.3.2 實驗操作技能評價

學生進行實驗室廢水處理工藝流程進行虛擬仿真實驗操作，系統(tǒng)根據操作順序、操作規(guī)范和參數選擇的準確性等對操作技能進行分析評分，操作技能得分占總評成績的40%。

2.3.3 排放廢水水質結果考評

根據實驗室廢水處理工藝流程選擇，開車運行調節(jié)并優(yōu)化工藝運行參數(包括水力停留時間、加藥量等)，掌握不同運行參數條件下，系統(tǒng)對廢水的處理效果，要求出水水質符合GB/T 18920—2002城市污水再生利用-城市雜用水水質的要求。實驗結果達標考評成績占總評成績的40%。

3 教學效果

引入仿真實驗教學兩年來，學生學習積極性有了明顯提高，參與工程創(chuàng)新性的項目逐年增長，工程理念得到進一步提升。通過實驗的開展與完成不僅使學生了解、熟悉項目各主要環(huán)節(jié)的要求和規(guī)范，在實踐過程中主動學習新的知識，提高了文獻收集和分析能力，還激發(fā)學生對專業(yè)的興趣，促進部分學生繼續(xù)深造學習。近幾年學院每年均有多位學生考入211等重點大學進行研究生學習。在后續(xù)畢業(yè)實習中發(fā)現學生更能針對性地學習了解生產運行相關問題，提高了實習的針對性和實習效果。在對用人單位滿意度調查數據表明近兩年來畢業(yè)生在解決復雜環(huán)境工程問題的能力方面得到了用人單位的高度認可和贊揚，大量用人單位因往屆畢業(yè)生的良好工作能力而繼續(xù)錄用應屆畢業(yè)生。

4 總結與展望

由于環(huán)境工程專業(yè)的教學特點注重實踐，將虛擬仿真教學應用到實訓教學實踐中，使虛擬仿真教學和傳統(tǒng)教學有機結合，不僅解決大型綜合性實驗教學難以開設、資金投入大、教學效果差等問題，還提升學生對專業(yè)的認知，激發(fā)學生學習興趣，強化學生專業(yè)實踐能力，鍛煉學生綜合素質。虛擬仿真實驗教學優(yōu)化了實踐教學的內容、環(huán)節(jié)、程序、評價等，但是還存在運行環(huán)境的兼容性、視頻交互的流暢性、實訓交互的多維性等需改進的地方。同時還需進一步提升仿真實驗與實操性實驗教學的融合，共同促進環(huán)境工程專業(yè)的實驗教學效果，提高學生綜合應用能力。