虚拟仿真实验在环境工程专业实践教学中的应用

吴芳芳，林 皓，郭绍英，胡家朋

（武夷学院 生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300）

环境工程专业是一门集化学、物理学、生物学、医学、地学等综合性学科，具有知识面广、跨度大实践性和综合性强的特点[1]。该学科以解决复杂环境工程问题能力为主要培养目标，因此实验实践能力的教学是该学科重要教学内容。随着环保产业迅速发展，环保行业技术人才市场缺口日益增大，但大多企业认为高校应届毕业生存在岗位适应能力不足、上手能力弱、综合应用能力差等问题[2-3]。建立符合新时代发展要求的实践教学体系，加大实践和工程训练，熟练掌握工程及运行技能，提高解决复杂环境问题的能力是目前高校培养应用型人才的迫切需要[4]。

虚拟仿真实验技术运用虚拟现实技术、数字化媒体技术等人机交互、大数据、云等多种技术手段，构建一个具有交互效能多维化的信息实验环境。因其高效、安全、近乎真实的操作，完成真实实验不能或很难完成的教学效果，已经在生物[5]、医学[6]、土木[7]等领域的实践教学中得到广泛应用。对于成本高、消耗大的大型综合性实验项目，虚拟仿真实验教学更是呈现出明显的优势，对传统实验的教学产生了深远影响[8-9]。本文以实验室废水处理虚拟仿真实验建设为例，通过优化教学环节和程序，提高实训教学效率，旨在为高校环境工程专业开发虚拟仿真实验教学体系提供参考经验和借鉴。

1 虚拟仿真实验教学的必要性

目前环境工程实验实践教学存在以下制约因素[10-13]：（1）为满足应用型人才培养的需要，需要开设大量实验实践课程，在传统实操模式下，实践教学总体费用升高；（2）由于专业特点，许多综合性实验项目设施占地面积大、仪器设备繁杂，实验耗材多，而较难开设。尤其是处理系统的运行管理和过程优化等无法在短时间内直观体现；（3）部分实验涉及大型贵重仪器设备，台套数不足，学生无法亲自操作，只能以观察来代替动手操作；（4）实践实习场所，受场地、人员、安全等因素限制，大多只接受参观认知，无法观察内部结构，更不能进行运行操作。

虚拟仿真实验采用过程模拟仿真技术，将设备工作原理算法化，根据工艺流程结构、环境工程原理、化学反应动力学等原理搭建数学模型。通过交互式操作将前台的用户操作指令传送到后台的数学模型中，经数学模型的运算实时表征出各个工艺数据的真实值，借此反馈出每一个操作条件变化与工艺现象之间的关系，模拟出实际生产环境下的实时参数变化。因其具有生动形象、操作简单、绿色安全、实验投资少，可满足大批量学生同时操作的特点，逐渐发展成为实践教学的重要手段[14-15]。

2 环境工程虚拟仿真实验教学的实施

2.1 仿真实验项目建设内容

实验室废水成分复杂多变，需要根据不同的废水水质情况选择采用不同的组合方法来处理。项目采用DCS组态软件对处理工艺进行模拟，还原一个完整的实验室综合废水处理站和模拟学员下厂实习过程的情景。以逼真形象展示水处理相关设备、各仪表等的运行，综合训练学生对工艺流程、关键设备的原理结构、安全、仪表、系统正常开停车、事故处理等操作的能力。

该虚拟仿真实验可根据不同的进水水质情况选择合理的处理工艺及岗位进行训练，图1为实验室废水某一水质情况下的工艺流程图。学生根据界面提示逐一进行操作，了解废水处理工艺流程、设备操控、原理知识、相关参数优化、设备内部构造等部分。该系统可将实验过程全方位、真实地呈现在学生面前，集知识掌握和能力培养于一体，能有效地增强教学效果。

图1 实验室废水某一水质情况下的工艺操作界面Fig.1 The process operation interface of a waste water quality situction

2.2 教学方法

学生在课前预先进行知识点的学习及考核，熟练掌握知识并通过考核后，再进行实验课教学。实验课中教师对仿真废水处理系统进行操作，学生观摩学习，了解系统运行操作规程后进行独立操作。学生利用计算机辅助手段，对单体工艺过程进行分析及工艺参数调整，进而对水处理过程系统进行分析，确定其各个部位的属性和性能指标。通过该模块的仿真练习，让学生系统学习相关专业知识，掌握处理工艺操作技能，引导学生自主发现问题、解决问题，提升工程设计综合意识，培养学生的创新能力。目前虚拟仿真实验教学分为四大模块，分别为知识点学习、知识点考核、工艺选择、工艺操作。

2.2.1 知识点学习

通过仿真实验教学系统中将实验室废水的特点及涉及处理单元的工艺原理及运行条件等知识点进行梳理总结，为学生提供学习平台。知识点包括实验室废水处理工艺中常用的物理方法、化学方法、生物处理方法等。要求学生在仿真模拟实验前完成知识点的学习。

2.2.2 知识点考核

在软件界面中设计了相关知识点的考核，不仅可以了解学生对知识点的掌握程度，同时也可加强学生对知识点的理解及应用能力。学生必须通过知识点考核后才能进行实验操作。

2.2.3 工艺选择

仿真系统可随机生成对应不同实验类型的废水水质，学生通过已掌握的知识点分析判断废水的水质特征，并依此选择合理的工艺流程组合进行模拟处理。

2.2.4 工艺操作

学生在充分理解实验室废水处理的相关知识背景下，对过程微观变化进行全面观察，调节工艺参数，观察实验现象、记录实验数据，通过出水水质指标判断工艺参数优化的准确性，如图2。建立动态稳定运行工艺的工程理念，达到传统实习及参观教学无法企及的教学效果。

图2 石英砂-活性炭-微滤的工艺进出水水质指标Fig.2 The water quality indicators of quartz sand,activated carbon and microfiltration process

2.3 评价考核体系

实验课程考核成绩由理论知识测评、操作技能评价、实验结果达标(水质分析)考评三部分组成。

2.3.1 理论知识测评

考核学生对实验室废水处理工艺中，所涉及的专业理论知识的掌握程度，主要形式为软件中设置的思考题，教师分发的试题试卷以及教师的随堂提问等。例如混凝助凝注意事项、气浮工艺原理、RO工作原理等，能够根据3D的工艺流程图找到相关的处理单元，并学习和掌握设备的内部构造和运行原理，回答教师在课堂上关于工艺单元、设备构造等方面的提问。理论知识测评成绩占总评成绩的20%。

2.3.2 实验操作技能评价

学生进行实验室废水处理工艺流程进行虚拟仿真实验操作，系统根据操作顺序、操作规范和参数选择的准确性等对操作技能进行分析评分，操作技能得分占总评成绩的40%。

2.3.3 排放废水水质结果考评

根据实验室废水处理工艺流程选择，开车运行调节并优化工艺运行参数(包括水力停留时间、加药量等)，掌握不同运行参数条件下，系统对废水的处理效果，要求出水水质符合GB/T 18920—2002城市污水再生利用-城市杂用水水质的要求。实验结果达标考评成绩占总评成绩的40%。

3 教学效果

引入仿真实验教学两年来，学生学习积极性有了明显提高，参与工程创新性的项目逐年增长，工程理念得到进一步提升。通过实验的开展与完成不仅使学生了解、熟悉项目各主要环节的要求和规范，在实践过程中主动学习新的知识，提高了文献收集和分析能力，还激发学生对专业的兴趣，促进部分学生继续深造学习。近几年学院每年均有多位学生考入211等重点大学进行研究生学习。在后续毕业实习中发现学生更能针对性地学习了解生产运行相关问题，提高了实习的针对性和实习效果。在对用人单位满意度调查数据表明近两年来毕业生在解决复杂环境工程问题的能力方面得到了用人单位的高度认可和赞扬，大量用人单位因往届毕业生的良好工作能力而继续录用应届毕业生。

4 总结与展望

由于环境工程专业的教学特点注重实践，将虚拟仿真教学应用到实训教学实践中，使虚拟仿真教学和传统教学有机结合，不仅解决大型综合性实验教学难以开设、资金投入大、教学效果差等问题，还提升学生对专业的认知，激发学生学习兴趣，强化学生专业实践能力，锻炼学生综合素质。虚拟仿真实验教学优化了实践教学的内容、环节、程序、评价等，但是还存在运行环境的兼容性、视频交互的流畅性、实训交互的多维性等需改进的地方。同时还需进一步提升仿真实验与实操性实验教学的融合，共同促进环境工程专业的实验教学效果，提高学生综合应用能力。