基于虚拟仿真实验平台的水处理教学体系重构与实施

＊徐玉萍 郑丹 陶玲 邓芳

（武汉工商学院环境与生物工程学院 湖北 430070）

随着信息化产业的快速发展，国家提出深入推进信息技术与高等教育教学的深度融合。虚拟仿真实验教学是信息技术与教育教学融合发展的体现，各个高校积极建设虚拟仿真实验平台[1-5]，并对人才培养模式、教学体系及教学方法进行革新[6-8]，取得了显著的成效。我校环境工程专业自主研发“污水处理工艺虚拟仿真实验”获批国家级虚拟仿真实验项目，依托虚拟仿真实验平台，将其与环境工程专业水处理课程群深度融合，整合教学内容，重构虚实结合的教学体系，并持续更新教学内容，对提升学生创新意识，提高学生实践创新能力有实际意义。

1.污水处理虚拟仿真实验平台建设

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化和实验教学的重要结合，是学科专业知识体系与信息技术深度融合的产物。开发污水处理虚拟仿真实验平台，促进以学生为中心的教学体系建设，有利于提升学生综合设计能力和工程能力，推动创新实践能力培养。我校环境工程专业自主研发虚拟仿真实验，构建了污水处理虚拟仿真实验平台，该平台包括水污染指标检测实验、污水处理工艺设计、污水处理系统仿真运行实验三个模块，见图1～4。能够开展常规污水指标检测仿真实验；可按照CDIO理念，利用工艺设计模块中构筑物积木单元库开展污水处理工艺设计；另外开展污水处理厂运行管理安全教育，工艺仿真运行，进行污水处理工艺全流程实验及典型事故处理等。

图1 污水处理虚拟仿真实验平台模块及功能

(1)水污染指标检测实验

该模块重点面向污水处理厂运行过程中常规指标（BOD5、COD、SS、MLSS、DO、TN、TP等），建立数值仿真实验模型库，开发仿真平台软件，学生可在交互虚拟环境中针对各指标进行模拟采样和检测。检测仪器设备构造可视、实验过程逼真，学生在操作过程中需具备环境监测的基本知识，通过仿真实验可直观、详细的了解检测实验完整过程，为真实实验科学性和有效性打下基础，增加其成功概率，见图2。

图2 水污染指标检测实验

(2)污水处理工艺设计

污水处理工艺设计模块见图3，该模块设置有城市污水、垃圾渗滤液、印染废水三种典型废水处理工艺设计。利用虚拟仿真技术和数字模拟技术将污水处理单元、设备解构并“积木化”、3D化、可视化，按照CDIO工程教育模式，学生通过构思、设计、实施和运行四个环节，完成污水处理工艺设计。

图3 污水处理工艺设计

处理构筑物设置为“积木单元库”，学生可根据污水特点及处理要求构思处理方案，灵活搭建工艺，可强化能力为先的人才培养理念，提高学生创新实践能力，调动学生参与实验教学的积极性和主动性。“积木单元库”中利用3D仿真技术使处理构筑物内部可视、具象，学生可直观了解构筑物内部构造，帮助其更好的理解和掌握处理单元功能及作用，在总体布置环节，可使学生更好的理解处理构筑物之间管线的连接和布局。传统教学中无法将设计内容变为实体，本模块实验操作中学生可通过拖拽处理单元“3D积木”“建设”虚拟仿真污水处理厂，实施设计内容，完成CDIO中的I环节。

(3)污水处理系统仿真运行

创建仿真运行模块模拟实际水处理整体工艺流程，学生可利用数字化仿真模型调整运行参数进行污水处理运行实验，分析其对处理效果的影响，更好地了解微观尺度下水处理设备内部的反应机理和工艺过程，增进工程设计和优化方法的创新性思维。另一方面，在模块预设一些生产中常见的非正常情况和生产故障，使学生在仿真操作中对生产的全过程进行控制。此模块可解决污水处理工艺流程长、系统庞大而复杂，无法在实验室内实现污水处理全流程实验的难题，真正实现CDIO中的O环节，可提升学生在教学中的参与度和理解度，激发学生的学习兴趣和潜能，见图4。

图4 污水处理系统仿真运行

2.虚实结合的多层次教学体系构建

污水处理是环境工程专业的主要研究方向，课程体系庞杂，综合性、实践性强。为培养学生水污染控制工艺设计能力和工程研发能力，以“虚实结合、能实不虚、以虚助实、虚实互补”为原则，将虚拟仿真实验深度融合进教学体系，通过梳理教学内容，组织教学过程，对理论课程、实验实训课程、实习及虚拟仿真实验统筹安排，构建以培养学生工程能力和创新意识为目的的“三层次、三模块、三结合”污水处理教学体系，见图5。

图5 “三层次、三模块、三结合”污水处理教学体系

其中，“三层次”即按照应用型人才培养规律，形成“先基础、再综合、再到创新实践”三个层次递进为主线的教学体系。基础层次包括专业基础课、专业必修课和专业选修课，专业选修课程分为两大类，一类为培养学生水污染控制工程开发能力的实验课程，一类为培养学生水污染控制工艺设计能力的设计类课程。综合层次主要为集中性实践课程，包括课程设计及实训课，均采用CDIO模式教学。创新实践层次包括毕业论文（设计）、创新创业竞赛、科技创新实践、学科竞赛环节。另外专业认知实习、专业生产实习、专业综合实习也构成了层层递进的“三层次”。

“三模块”指虚拟仿真实验平台水污染指标检测、污水处理工艺设计、污水处理系统仿真运行三大模块。三个模块为各层次教学提供服务，为学生学习过程提供支持。

“三结合”即①虚拟仿真教学与理论教学相结合——虚、理结合。在传统课堂教学中，学生学习的知识理论性强，理解扁平化，全天候开放的虚拟仿真实验平台，可使学生在掌握理论知识后通过虚拟仿真实验，进一步掌握理论应用方法，持续完善知识结构的建立，实现对专业知识体系理解的“理性-感性-理性”螺旋提升。②虚拟仿真实验与实体实验、实训相结合——虚、实结合。虚拟仿真实验可通过3D虚拟现实设计，增强真实感，增加趣味性，可弥补实体实验教学局限性，丰富实验教学手段，加深学生对水处理理论与工程的深刻理解，大大提高学生综合实践技能。但学习者无法体会实际操作的真实触感，因受程序控制，实验过程不会出现突发状况，难以培养学生对突发情况的判断能力和应对能力，另外，虚拟仿真实验可一人操作完成，缺少实体实验中团队合作的机会。因此虚实结合，虚拟仿真实验应作为实体实验的辅助、补充和拓展，应以实体实验为主。③虚拟仿真实验与课外创新实践相结合——虚、创结合。通过与企业产学研合作，累积成果，持续开发拓展平台内容及功能，不断更新虚拟仿真实验平台水处理新技术、新工艺，充分发挥工程技术企业和信息技术企业在虚拟仿真实验项目中的积极作用，用其开展创新实践训练、学科竞赛、科研。

3.虚实结合教学体系的实施

（1）整合教育教学资源，利用虚拟仿真实验平台，贯通专业课程间的知识联结，完善学生知识结构。污水处理涉及多门理论课程、实验实训课程和环保有关政策、相关法律法规、标准规范，这些知识点被割裂在多门课程中进行传授，知识点脉络复杂，学生难以将其融会贯通并用于解决实际问题。虚拟仿真实验平台融合了多门课程的基本知识点和实验技能，并且全天候对学生开放，通过重构环境工程专业课程体系，统筹安排课程，对理论课程中重复的知识点进行整合，削减基础性、验证性实验，精心组织教学过程，利用虚拟仿真平台辅助课程讲授，从而使学生知识体系更立体，衔接更紧密。

通过建立资源共建共享机制、持续发展机制，将污水处理新技术、新工艺、新成果引入，构建技术先进、资源优化、运行高效、开放共享的污水处理虚拟仿真实验平台，不断丰富环境工程专业优质教学资源。

（2）将教师为中心的讲授式教学，转变为学生为中心的探讨式教学。利用虚拟仿真实验平台将理论课程中抽象的处理方法、处理单元、仪器设备具象化、动态化，全方位展示内部结构，可提高学生对知识的理解和接受程度，课堂上可大大减少基础概念、原理的讲授，采用任务驱动式教学，教师提出问题，组织学生研讨，彻底改变教师为主导，语言阐述为主要方式的教学模式，形成以学生为主体，面向问题研讨的教学模式。

虚实结合的教学体系为学生营造“自主学习”的环境和平台，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学生通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式，有效实现以教师为中心向以学生为中心的转变，提升学生学习主动性。

（3）通过虚拟仿真项目设计，培养学生创新意识。通过将虚拟仿真实验项目实验实训、创新实践深度融合，可拓展实验教学的广度和深度，可灵活加入多种设计性实验内容，学生自行设计符合实验要求的实验方案，通过虚拟仿真实验可以培养学生独立思考，激发学习兴趣；利用虚拟仿真实验开展创新实践训练、学科竞赛、科学研究等教学过程，实现专业教育与创新创业教育的有机融合，在知识传授的过程中培养学生创新精神、创业意识和创新创业的能力，使人才培养模式从知识技能型向应用创新型转变。

4.结论与展望

将虚拟仿真实验和课程体系深度融合，重构教学体系，可推进现代信息技术的融入，拓展实践教学广度和深度，延伸教学时间和空间，对提升实践教学质量和水平有促进作用。

虚拟仿真平台能够有效整合各类教学资源，构建技术先进、资源优化的实验项目，并可利用信息技术及时更新实验内容，提高学生创新意识和创新能力。

虚拟仿真实验教学可使学生在开放、交互的虚拟环境中自主学习、研究性学习，可促使教学方式向学生为中心的探讨式教学转变；通过构建多层次、立体化、开放式、虚实结合的教学体系，是教学模式和教学改革的突破口，对促进建立创新型人才培养模式，提升学校办学水平和教育质量有实际意义。

通过建立资源共建共享机制，持续更新教学体系。打通校际间虚拟仿真资源共享，鼓励企业和其他社会力量投入数字教育资源建设、提供个性化服务，创建用户按需购买产品和服务的机制，形成人人参与建设、不断推陈出新的优质数字教育资源共建共享局面。将教师科研及合作企业创新成果、技术研发成果和工程应用成果，通过虚拟仿真技术进行再现，持续更新教学体系，实现虚拟仿真平台与工程实践无缝对接，拉近教学与工程实践的距离，使学生尽早接触行业发展前沿与先进技术，逐步形成产学研一体化创新的虚拟仿真实验教学体系，对提升高校办学水平和教育质量将产生积极的实际意义。