“水污染控制工程实验”中虚拟仿真技术的挖掘与融入

张 军，熊钦毅，田 禹

（哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150000）

环境类本科专业是我国工科教育的重要组成部分，目前已形成了较为系统和规范的教学体系，其教学核心为指导学生学习和掌握环境污染治理技术，其学科门类复杂多样，是一门兼顾综合性和实践性的工程技术学科，理论与实践并重。网络、智能控制、微电子、计算机等技术的迅速发展，为虚拟仿真实验提供了技术支撑，使得虚拟仿真实验教学理念、模式等得到了进步与发展，成为现代实验教学重要的教学手段之一[1]。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中强调，信息技术对教育发展具有革命性影响，全国高校应重视信息技术方面的基础教育设施建设，将教育信息化举措推行提升到国家信息化发展的战略高度层面，教育信息化的重要性不可忽视。虚拟仿真实验教学是教育信息化举措和高校教学的重要媒介，是环境类专业的学科知识体系在高等教育信息化建设背景下的衍生结果[2-4]。

“水污染控制工程实验”是环境工程专业核心实验课程和必修课程，要求学生在掌握污水处理原理和工艺计算原理基础上，具备物理化学分析能力和污水处理方案比选能力，以及能够自主设计实验并开展相关研究验证、数据分析与问题解决能力，该课程对培养学生实践能力具有重要作用。但由于该课程自身的特点，传统演示性实验教学、验证性实验教学均难以实现教学目标。传统的“水污染控制工程实验”课程内容因课时和教学条件的限制被简化为对反应器部分参数和出水污染物浓度的测定，导致学生缺乏系统性思维能力和综合利用知识解决实际复杂问题的能力。虚拟仿真实验技术能够展示污水处理的全过程，让学生更好地掌握污水处理工艺流程和技术要点[5]。文章以哈尔滨工业大学“水污染控制工程实验”课程为例，进行虚拟仿真教学改革，探索如何从专业课程的教学内容中挖掘育人元素，开展将虚拟仿真技术自然融入课程内容的实践与思考。

一、“水污染控制工程实验”课程教学改革必要性

利用虚拟仿真技术进行本科生实验教学，即通过计算机技术构建动态专业水污染控制工程模型，真实模拟工程中工艺设备的实际运行情境和操作，在教学过程中表达出与实物实验相符的实验规律、实验现象及实验结果。在教学过程中，教师依据专业培养要求和实际反馈的教学效果，实时组织、统筹或修改教学环节，加强与学生的互动，充分发挥学生的主观能动性，在短时间内通过拓展性和开放性实验教学，有针对性地讲授水污染控制工程专业知识，规避了传统教学的诸多弊端，具有较好的实验教学效果。教育部公布的信息化行动计划相关文件强调，新时代中国的教育改革要秉承“坚持信息技术与教育教学深度融合”的理念，实验教学信息化发展是顺应时代的发展，是大学生实验教学发展的必然趋势。虚拟仿真实验教学打破了传统教学的瓶颈，是承载实验教学信息化的重要载体。

通过虚拟仿真技术开展本科生实验教学工作是近年来高校兴起的教学方式，目前已经发展成为现代实验教学的重要组成部分。在“水污染控制工程实验”课程教学中开展虚拟仿真实验教学，既是积极响应国家关于提高工程技术人员实际应用能力的要求，也是“水污染控制工程实验”课程本身发展的需要。利用虚拟仿真技术开展实验教学，不仅可以加深学生对水污染控制工程理论知识的理解和掌握，还有利于提升学生解决实际问题和创新实践的能力。将传统实验教学、虚拟仿真实验教学与理论教学进行融合，有利于改变传统教学模式，实现教学模式、教学手段的变革。

对于高校而言，为了贯彻落实面向专业国际前沿、面向国家重大需求、面向生态文明建设国家战略的目标方针，培养综合能力突出、具有多维知识框架、能够解决复杂工程问题、能够尊重自然规律和工程伦理、能够引领领域发展的拔尖人才意义重大。近年来，国内外多所高校围绕虚拟仿真实验教学平台建设开展了相关研究并立项建设，但调研发现，针对环境学科的虚拟仿真优质实验教学资源平台建设实践非常少。而且，用于专业的城市水处理系统工艺日趋复杂，在传统实物实验教学中难以直观体现设计运行管理和优化过程，学生在实践阶段难以了解其内部构造原理，严重影响实验教学效果。“水污染控制工程实验”课程亟须进行虚拟仿真教学改革。

二、虚拟仿真技术发展现状

（一）国外发展现状

目前，越来越多的高校和科研机构积极构建虚拟仿真实验室。例如，美国密歇根大学创建了VRCEL 实验室，核心要义为“设计专业化的远程实验系统”，致力于化学工程专业领域中虚拟现实应用的探索和开发工作[6]；德国汉诺威大学建立了虚拟自动化工作平台；意大利帕多瓦大学成立了用于远程虚拟教育的实验室；新加坡国立大学研发了可进行示波器实验和压力容器实验的远程实验室；J.巴尔吉斯（J.Barjis）等人将虚拟仿真技术与游戏学习模式相结合用于课程教学中，提高学生的学习效率[7]。

（二）国内发展现状

近年来，以虚拟仿真为基础的专业实验教学平台建设工作已在国内多所高校如火如荼地开展，哈尔滨工业大学亦在开发国家级在线虚拟仿真实验教学项目建设方面取得了优秀成果。虚拟仿真技术的教学应用越来越广泛。目前，很多有实力的高校带头建立了虚拟仿真实验室。例如，清华大学开发了汽车发动机检测系统虚拟仿真实验室；华中科技大学机械学院创建了工程测试实验室；四川大学开发航空电台二线综合测试仪等。杨宏、李国辉等人针对当前很多高校存在的实验教学设备老旧、缺乏经费支持建设、规模小等问题，提出建设基于LabVIEW的虚拟实验平台的设想，并进行实例分析，证实该平台在实际运行中克服了传统实验教学的弊端，并且教学效果良好[8]；叶小英提出构建虚拟实验学习圈模型，创造性地将远程学习圈理论运用于虚拟实验教学系统，实现指标量化的教学效果评估[9]。但目前针对环境学科水处理专业开展虚拟仿真优质教学资源平台建设工作的高校依然不多。随着学科建设和发展的需要，环境学科虚拟仿真实验平台的构建将对未来学科的发展起到重要的推动作用。

三“水污染控制工程实验”课程概述

（一）传统“水污染控制工程实验”教学

“水污染控制工程实验”是环境类专业核心课“水污染控制工程”的衍生独立实验课程，教学内容涵盖物理、化学、生物等多门学科相关水处理工艺知识，旨在让学生通过实验巩固和理解课堂教授的内容，深化对水污染控制工程中物化、生化处理工艺过程原理的学习和理解，掌握一般水处理实验能力及仪器和设备的使用方法，能够独立设计实验方案和组织实验，掌握数据处理方法，提升实验操作、发现问题、分析问题、解决问题的能力，能够应对水污染控制的实际问题。实验教学与理论教学联系紧密，学生能够进一步理解理论教学的内容，快速转化为操作技能，提升课堂趣味性，通过实验教学巩固加强理论教学的教学效果。

（二）课程的不足之处

传统“水污染控制工程实验”课程教学模式，能够使学生实际接触污水处理模型工艺，使其直接进行实验并观察，但同时也存在诸多因素限制学生更好地掌握实验操作技能。例如，传统“水污染控制工程实验”课程教学存在工艺结构复杂，设备占地面积大、台套数少，生物处理工艺类实验的实验周期长等问题，导致学生在课程中并不能充分地开展实验；同时，教师工程理念欠缺、知识迭代迟缓，使得传统实验教学无法充分体现前沿水处理工艺。2019年，突如其来的新冠疫情对我国高校授课模式，尤其是对实验课程授课模式产生较大影响，如传统的单纯线下操作授课方式面对突发事件较为被动且授课效果不理想，影响课程实验考核的公平、公正，而且传统实物实验教学可能涉及危险化学品，教学管理困难甚至会造成二次污染等。

传统“水污染控制工程实验”课程的实物实验教学，使学生的认识止步于指标测定，诸多因素导致学生无法深入操作探讨工艺的性能，对学生的综合能力培养尚有欠缺，无法满足学生能力培养需求。

四、虚拟仿真技术在“水污染控制工程实验”课程中的具体改革实践

“水污染控制工程实验”课程拟采用线下课堂动手操作与线上虚拟仿真平台综合设计相结合的授课新思路。一方面，学生能通过线上虚拟仿真平台，实现实验设备的可视化，了解设备原理，学会设计实验操作方法，能够保质保量完成学习任务（图1）。另一方面，学生能在学习过程中，运用理论与实践相结合的方法解决实际问题，通过线上与线下全覆盖，深刻理解污水处理方法与实验操作方法。线上实验能保证学生按时完成预习工作，减少实际实验过程中的操作错误，降低因操作错误导致的药剂浪费和设备损坏等。线下实验能提升学生的仪器操作能力，有利于学生掌握设备使用方法，并对某些可能遇到的问题有直接、深刻的理解，能够设计解决方案。通过课程建设，力争构建理论教学、传统实验、虚拟仿真“齐头并进”的教学新模式，提高学生实践能力和创新能力。

图1 虚拟仿真实景画面

高校应通过加强虚拟仿真实验建设与管理，充分利用虚拟仿真“智能＋教育”这一发展新趋势，深入贯彻落实教育部相关文件精神，开展环境科学与工程专业典型课程虚拟仿真教学应用研究与实践，持续改进和完善教学过程，提高实验教学质量，探索并实践新时代高校虚拟仿真教学的建设思路与途径。

（一）虚拟污水处理厂综合设计实验内容

“水污染控制工程实验”课程将水污染处理作为核心内容，以学生为中心，以水体水质净化结果为导向，根据“水污染控制工程”课程的教学目标要求，构建污水处理虚拟仿真实验教学平台。具体实验要求如下。（1）学生在虚拟场景中学习我国污水处理的政策与现状、污水处理的基本原理，了解污水处理系统的类型和适用范围。（2）进行污水工艺流程搭建和参数设计、污水处理系统正常开车和参数的调节。（3）虚拟仿真平台的unity3D 和Adobe Flash 技术可以全景模拟实际污水处理厂，显示各污水处理系统单元和设备的布局、阀门开关情况、仪表示数，学生可以在模拟场景中自由走动，调节3D 界面下阀门的开关情况及在真实污水处理厂DCS 操作界面下的运行参数。工艺流程设计环节将污水处理系统3D 化、可视化，强化学生对各处理系统单元的结构和污水处理厂平面布置的感知。

“水污染控制工程实验”课程虚拟仿真改革中典型污水处理厂3D 内容设置包括：AAO 处理工艺正常开车工况（粗格栅/细格栅/爆气沉砂池/初沉池/生物池/二沉池/加氯加药间/V 型滤池/加氯接触池/紫外消毒间/污泥脱水间）设计参数及操作、多点进水的倒置AAO 运行方式工况调整前/后设计参数及操作、生物池DO 异常工况调整前/后设计参数及操作、滤池反冲洗工况调整前/后设计参数及操作、调节内回流比为100%工况调整前/后设计参数及操作、出水余氯过低工况调整前/后设计参数及操作、总磷超标工况调整前/后设计参数及操作。

（二）“水污染控制工程实验”课程上机内容

“水污染控制工程实验”课程教学模式采用线上与线下相结合的实验授课形式，有利于学生在实验过程中全方位体验污水处理的全流程，强化理论知识与实践技能，从而全面系统地培养工程思维能力。课程分为两部分内容，依据学生的实际操作情况评分，考核学生的理论基础知识，以及实验操作、工艺设计和工程实践等能力。“水污染控制工程实验”课程上机内容分为2 个模块：线下课堂动手操作模块（表1）和线上虚拟仿真平台综合设计模块（表2）。

表1 线下课堂动手操作模块

表2 线上虚拟仿真平台综合设计模块

首先是线下课堂动手操作模块，包括自由沉淀实验、混凝实验、污泥性能测定实验、完全混合活性污泥法实验、鼓风曝气充氧实验5 个动手实验，以及水样的采集与保存实验、污泥细菌总数的测定实验、总大肠杆菌的测定实验、总氮的测定实验、总磷的测定实验5 个虚拟仿真操作实验。教师通过虚拟仿真技术平台，落实“水污染控制工程实验”课程理论与实践并重的教学理念，坚持虚实结合的原则，提升实验的综合性、灵活性和复杂度，培养学生综合能力，切实改进教学效果。其次是线上虚拟仿真平台综合设计模块，包括认识实习、倾斜摄影仿真、水质需求导入、工艺设计与优化、虚拟污水处理厂综合设计实验（倒置AAO 工艺流程、典型污水处理厂3D）等一系列实验项目。基于虚拟仿真实验平台，学生可以针对污水处理实验开展耗时长、较复杂的验证性实验，借助虚拟仿真平台实现对系统动态变化的观察。

（三）培训内容

环境学科虚拟仿真实验教学平台建设具有创新性。针对国内高校环境工程专业本科生实验课程教学特点，哈尔滨工业大学基于虚拟现实、数据库等信息技术，将科研成果与实践教学紧密结合，建设涵盖传统环境工程专业实验教学方法的具有先进性和前瞻性的高校环境工程专业虚拟仿真实验教学体系。培训内容包括认识学习和生产实习2 个部分。参课学生首先在虚拟仿真技术平台了解和熟悉污水处理生产工艺流程，掌握生产过程中各单元操作的特点。然后再进行生产实习，包括正常开车、好氧池曝气量调节、污泥内回流量调节、沉淀池排泥撇渣、总氮超标、来水SS 超标、总磷超标、COD 超标、污泥膨胀、滤池反冲洗等。

“水污染控制工程实验”课程工程背景强、复杂度高、综合性强，是环境类专业的重要核心课程“水污染控制工程”的衍生实验课程，其传统教学模式由于各方面限制，具有一定的局限性。依托虚拟仿真实验平台开展教学，有利于实现对传统实物实验教学限制的突破。“水污染控制工程实验”课程虚拟仿真技术改革既提升了学生的学习兴趣，又有助于提升学生解决实际水污染控制工程问题的综合能力。虚拟仿真技术为培养综合型、创新型人才奠定了基础，未来虚拟仿真技术在“水污染控制工程实验”课程中的应用将进一步发展和完善。