给排水科学与工程专业虚拟仿真实践教学探索＊

张磊，周红星

（唐山学院土木工程学院，河北唐山 063000）

1 研究背景

教学质量国家标准规定给排水科学与工程专业的人才应掌握解决给水排水工程问题的理论和方法，具有应用所学专业知识解决工程实际问题的能力[1]。为实现这一人才目标，必须强化实践教学环节，实践教学是理论教学的延伸，是培养学生工程能力的重要环节，是促进学生知识和工程实践能力协调发展与提高的重要手段[2]。但是由于给排水专业的综合性和工程性很强[3-4]，往往在实践的交互性和操作的系统性方面不能满足要求，引入虚拟仿真技术在专业实践教学中有着显著的意义。

唐山学院的人才培养目标是培养素质高、能力强的高级应用型人才，随着相关教学改革工作的进行，给排水科学与工程专业实践教学资源和体系中存在的问题逐渐显现出来，因此利用虚拟仿真技术进行专业实践教学的探索和改革显得尤为紧迫。

2 实践教学引入虚拟仿真技术的背景

给排水科学与工程专业的实践教学涉及到水厂的参观、水厂工艺流程和构筑物的运行实践、建筑给排水在建工程的参观和施工实践等方面内容，工程性和交叉性非常强，目前开展实践教学过程中面临着一些问题，影响了学生对专业知识的吸收和理解。

2.1 实践基地不易寻找，实践工作不深入

给排水专业学生实习实训的地点主要是一些自来水厂、生活污水处理厂、建筑施工工地、环保设备厂家等，受到场地、人员数量、安全等方面因素的限制[5]，一些企业不愿意或者无法接收如此大规模的学生进行实践学习。目前庆南水厂、北控水务集团和至鼎集团等企业为学生提供了一些实习基地，但是整体来说实习基地的数量偏少，个别时候同一批学生在不同的实习环节会去到相同的基地，并且出于安全的考虑，大多企业只接受学生参观认知实习，很难真正给学生提供动手操作的实践机会，实习多流于形式，实践逐渐变成了参观[6]。

2.2 实践设备运行周期长，数量受限制

为了实践环节的进行，学院采购了给水处理技术综合实验平台和水环境检测与治理技术实验平台2 种实训设备，通过实训平台的操作，可以培养学生水处理工艺设计与管道连接能力、构筑物的调试和运行管理能力。但是，这些设备的运行周期较长，学生在对实验设备每一次工艺参数的调整和操作手段的变化，都需要几个小时甚至是几十个小时的运行才能观察到相应的实验结果，具有一定的滞后性。而且实验装置的占地面积较大，成本较高，受场地和资金的限制，不能购买太多套数，目前这2 种实验平台各购买了2套，学生需要分组分批次进行实验，增加了教师的工作量，个别学生也会出现依赖同组同学的偷懒现象，降低了实习的效果。

2.3 特殊情况下，传统实践教学无法开展

2020 年新冠疫情的特殊时期，只能通过网络授课的方式开展教学活动，实践环节亦是如此，以往的深入实践基地的方式不能开展，教师只能通过给学生播放工程视频的方式进行，实践教学效果不尽如人意。

3 虚拟仿真实践教学的探索

给排水科学与工程专业的学生在本科期间要经过认识实习、专业实习、生产实训和毕业实习4 个实习实践环节，以认识实习和生产实训为切入点，引入了虚拟仿真技术。这2 个环节引入的虚拟仿真实践项目为城市给水厂3D 虚拟现实仿真和城市污水厂3D 虚拟现实仿真。虚拟仿真软件具有学习、练习和考核3 种模式，教师可以控制学生端开展相应实训项目。在学习模式学生可以对各个构筑物结构、运行过程进行全面的观察，对构筑物进行拆分，并对涉及到的知识点进行相应的学习。在练习模式可以根据软件提示完成水处理流程的各个操作步骤，实时观察到相应的处理结果，生成报告，学生可以在报告中查看自己操作时出错的步骤，进行有针对性的改正练习。在练习模式软件不限制操作次数，学生可进行反复练习，巩固学习效果。在考核模式软件将隐藏知识点和操作步骤提示，系统自动生成个性化的实践考核试题，对学生进行理论知识和实际操作的考核，并根据考核情况进行成绩核算。

3.1 认识实习

认识实习开设于大学一年级第二学期，时长2 周，是为了培养学生的工程意识，学生第一次从专业角度认识工程实体，对学生的影响仅是形象塑造而非实践能力培养[7]。在这一环节安排学生参观了唐山市庆南水厂和西郊污水处理厂，参观的过程中学生对给水厂和污水厂有了一个整体的认知，观察到一些处理构筑物的外观，受水厂实际工作运行环境的限制，学生只能通过技术人员的文字描述来想象水处理构筑物的内部结构、运行原理和工作方式。在虚拟仿真软件实践中，教师先利用软件对水厂进行讲解，学生通过3D 视图可以从任意角度对水厂的各个构筑物和管道连接情况、构筑物内部结构进行细致的观察，随意进行部件的拆分，配合动画的方式对工作原理进行深入的理解，学习涉及到的专业知识，通过反复练习进一步熟悉水厂的水处理流程，最后在隐藏得分步骤的情况下按照水厂的水处理流程进行认知考核。

3.2 生产实训

生产实训开设于大学四年级第一学期，时长1 周，属于强化的实践环节，是进一步提高学生的工程实践能力，培养工程技术、对接工程实体的基本手段[8]。在这一环节安排学生利用实验室现有的给水处理技术综合实验平台和水环境监测与治理技术实验平台进行了给水厂和污水厂处理工艺的实际操作，通过调整运行工况，得到不同的水质处理结果。由于水处理构筑物的处理运行需要一定的时间，每次工艺参数调整后都需要一段时间才能得到水处理结果，受实训时间、设备数量和学生人数的限制，学生难以进行所有常见运行工况的操作，只安排了给水厂的过滤池和污水厂的A2/O 这2 种构筑物工况调整。另外，由于学生对设备操作的不熟练，个别的实验组操作步骤不正确，没有得到预期的结果。

在虚拟仿真软件中，生产实训部分包括水厂正常工艺运行和事故工况处理2 部分内容。软件以一座设计水量20 万m3/d 的生活污水处理厂为依托，在正常工艺运行环节，要求学生将进水量调整到设计水量，并按照合理的操作步骤、操作顺序完成整个污水处理工艺的启动运行，让各个构筑物正常运转，水厂的二级处理出水满足GB 18918—2002 中一级B 标准；在事故处理环节，要求学生查看各处理单元运行情况，根据所学的专业知识及DCS 工艺指标，判断事故原因，通过调整运行工况进行解决。

3.3 教学效果评价

虚拟仿真软件系统摆脱了时间和空间的限制，整个专业几十名学生能同时开展实习项目，系统中项目的设置类似于游戏的通关，激发了学生的学习兴趣，目前已经在唐山学院给排水专业三届学生中开展了虚拟仿真实践教学，以问卷的方式对学生对虚拟仿真的态度和教学效果进行了反馈调查，共收集到了有效调查问卷205 份。在学生态度方面，从问卷调查结果可以得出，学生对于实践环节引入虚拟仿真技术的接受度很高，92%以上的学生认为有必要开展虚拟仿真教学，而且学生对这种教学的适应性很强，86.92%（178 名）的学生表示非常适应虚拟仿真实践过程，6.90%（16 名）的学生表示适应，仅6.18%（11 名）的学生不太适应这一实践模式。分析原因主要有2 方面，一是参与调查问卷的205 名学生均是第一次接触虚拟仿真技术，对仿真系统的操作陌生，这导致一些接受新鲜事物能力比较弱的学生出现了不太适应的情况；另一方面虚拟仿真软件不能100%还原现实场景，同时一些操作步骤和数据已经默认，导致学生对部分原理和数据缺乏足够理解的必要性，有些学生整个操作流程结束之后也不太明白自己的实训过程，这也导致了学生不太适应。学生对虚拟仿真技术喜欢程度的调查结果与适应性的调查结果基本一致。在教学效果方面，由问卷统计结果可以得出，虚拟仿真技术的引入总体上提升了实践教学质量。有共91.81%（188 名）的学生认为虚拟仿真技术的引入，提高了自主学习能力，参与感和积极性得到了较大提升。这是因为以往知识的传授多是以教师讲解为主，辅以图片展示和视频演示的方式进行，虚拟仿真技术让学生动手操作，实现了教学手段的升级，提供了多元化的学习途径，类似于游戏通关的项目设置，增强了实训的娱乐性，更加吸引学生，引导其主动探索实训项目内容，教学中一直强调的“自主学习”得到了实现。但是，由于软件在还原真实场景方面还有不足，所以在能反映真实情况调查中仅有56.25%（115 名）的学生同意，这也是虚拟仿真技术本身具有的局限性，尤其是学生在对实际工程和构筑物实物不了解的情况下，很难将其与虚拟软件中的模型对应起来，因此在实践教学中要采用“虚实”结合的方法进行，通过实物增强学生的感性认识，进行优势互补。在虚拟仿真软件中，学生可以看到各个构筑物在不同工作状态下内部发生的反应，结合整个工艺流程进一步理解其在处理工艺中所起的作用，还可以针对不同进水水质情况，调整运行参数，实时观察处理结果，在短时间内进行反复的工况运行和事故处理练习，这是传统教学方式无法实现的，因此调查中较大比例的同学可以“完全”或者“大部分”掌握构筑物的运行操作，有93.08%（191 名）的同学通过虚拟仿真技术提高了自身实践能力。

4 总结

实践教学在给排水科学与工程专业人才培养中占据重要的地位[9]，本文以认识实习和生产实训2 个环节为例，阐述了将虚拟仿真实践教学与传统实践教学进行结合的探索。综合来说，虚拟仿真技术的引入丰富了实践教学模式，完善了实践教学过程考核和成绩评定规则[10]，激发了学生的学习兴趣，有利于学生工程应用和实践能力的提高。引入虚拟仿真技术的时候需要注意虚拟技术具有一定的局限性。首先是软件的评分考核不够完善，没有将构筑物的操作顺序纳入评分项，而实际工程中不严格按照操作规程，很有可能造成事故。其次是利用仿真软件进行实践与利用实物进行工程实训相比较在一定程度上弱化了学生对构筑物运行性能和参数的了解，降低了误差分析能力，在传统实训中，不同组学生的实训数据会有差异，而在仿真软件中，运行数据和处理结果系统已经默认设置好，按照操作步骤完成，所有人都会得到同样的实训数据，并且某一环节操作失败，可以迅速重新进行，实时得到数据结果。最后是它对学生动手能力的锻炼是比较有限的，尤其是在学生对实际构筑物不了解的情况下，很难将实物和仿真模型对应起来，因此，在进行实践环节设计的时候，要充分利用传统实践教学方式和虚拟仿真技术的优点，采用虚拟技术与实际操作相结合，“虚实结合、以虚补实”的方式进行。