水生态修复虚拟仿真实训平台的建设与应用

潘倩?陈华

摘要：基于“双高计划”水利水电建筑工程专业群特色及人才培养方案，依托学科发展优势和科研平台，构建了水生态修复虚拟仿真实训平台教学系统，实训平台由污染源调查、水生态调查、截污控源及污染治理、水生态修复、水生态工程运营维护五个模块组成。虚拟仿真实训平台的应用有效地解决了理论课与实践联系不紧密、实践技能掌握不到位、学生学习兴趣不高、缺乏创新性等诸多现实问题。对教学应用和教学效果进行了探讨，以期有助于更有效地利用虚拟仿真实训项目，真正做到为理论教学提供虚拟素材，为实践教学提供辅助手段。

关键词：高等职业院校；水生态修复；虚拟仿真实训

一、前言

水生态修复专业是多学科交叉融合而成的复合型专业，涉及环境工程、水利工程、水污染控制、景观学等诸多领域[1-2]。受政策效应、社会需求、经济发展等多因素的协同驱动，水生态修复专业人才需求激增，水生态修复领域的推进急需一批具备理论与实践经验的专业人才，因此，相关的教学越来越重视学生对复杂工程问题的认知、研判和设计能力，关注学生在实践中的经验积累，这也进一步提升了实践教学在培养方案中的权重。

以水生态修复技术课程的相关实践为例，传统的实训实践成本高、风险大，实训尺度下又难以复原工程原貌。加之受到疫情影响，学生外出实践面临着较高的风险和不确定性。因此，为保障教学活动的有序进行，有必要设计补偿性或替代性方案。虚拟仿真实训具有成本低、互动性强等优势，已被广泛应用于相关工程专业的各类教学和实践中[3]，教学与实践必须实现有机融合。虚拟仿真实训的意义在于通过学科交叉融合，对新专业、新课程、新理论展开研究与实践，实现学生专业实践能力的成长，同时促进理论与实践有机衔接，打通专业学习到实践实习、职业实训到思维创新的发展隔阂[4]。

深圳市茅洲河生态治理工程先后入选水利部全面推行河长制湖长制典型案例、生态环境部美丽河湖推介案例和广东省十大美丽河湖案例，形成了一系列可复制、可推广的水环境治理和生态修复经验。本研究以实际的生态修复工作流程为主线，基于自主探究式、人机交互式、虚实结合式等三种方式结合的教学方法，开发了我国首个以茅洲河生态治污典型案例为素材的水生态修复虚拟仿真实训。通过仿真实训操作，学生可对流域生态修复技术措施有整体、直观的认识。

基于“双高计划”水利水电建筑工程专业群特色及人才培养方案，依托学科发展优势和科研平台，构建了水生态修复虚拟仿真实训平台，在传统理论教学的基础上，增加污染源调查、水生态调查、截污控源及污染治理、水生态修复、水生态工程运营维护等传统教学及实训难以实施的户外大尺度实训内容，拓宽了高职院校实践教学的深度和广度，增加实践教学趣味性，提高学生的积极性，进一步培养学生的创新能力、科研能力等。

二、虚拟仿真实训平台建设内容

以水生态修复工程项目实施流程为主线进行开发，重点包括污染源调查、水生态调查、截污控源及污染治理、水生态修复、水生态工程运营维护等五大模块任务（见图1）。

（一）污染源调查模块

污染源调查是水生态修复的基础性工作，污染源识别、溯源是从业者的基本技能，本模块以茅洲河典型断面为三维场景，学生可以在虚拟空间中漫游（见图2），在场景漫游中设置各项疑似污染源信息。污染源涉及多类别的点源、面源污染，学生对污染源进行逐一排查、识别，并判断是否对河流水质造成重要的影响（见图3、图4），有效提高学生对污染源的调查方法、理论计算及识别的能力。

（二）水生态调查模块

学生进入虚拟场景后使用调查工具，调查水域的水质理化指标、水生动物、浮游藻类及水生植物，了解河湖生态基本状况，掌握生态调查方法，主要内容包括以下几点。布设采样点：学生根据提示及采样规范在场景中灵活布设采样点，自主选择调查频次、指标等参数（见图5）。采样工具学习：学生首先学习每个采样工具的使用方法，然后通过连线考查察，掌握调查工具使用方法后进入场景使用（见图6）。样品采集与保存：选择一处采样点作为代表，采集水生动物、浮游藻类及水生植物，以及现场检测水质（水温、水深、透明度、电导率、pH值、浑浊度、溶解氧等）。学生根据提供的采样方法资料，选择工具和仪器模拟进行样品采集和现场检测，教师考查学生对采样知识和样品运输、保存等知识点的掌握情况。

（三）截污控源及污染治理模块

根据污染源调查及水生态调查模块的调查结果，确定当前的水质级别，选择治理诉求和修复技术方案。重点针对截污纳管措施，包括场景中模拟有污水口直排入河流，引导学生进行操作封堵排污口，收集污水至城市污水厂。

同时设置了常见流域污染治理工艺方法进行三维搭建，直至河道生态分数达标。底泥清淤：设置不同底泥情况场景，根据软件提供的不同清淤手段，包括干法清淤和水下清淤等，学生根据实际情况选择合适的清淤方法（见图7）。曝气增氧：介绍不同曝气增氧的形式，学生可调节曝气量，可将曝气装置放在河道中任意位置（见图8）。不同的曝气量对应相应的三维曝气效果。

（四）生态修复模块

本模块设置了人工湿地、生态浮岛、人工鱼道、生态护岸等常用的生态修复技术。以人工湿地修复技术为例，系统地对人工湿地的工艺原理、设计规范及施工要点进行全面考核，学生可以在三维场景中进行施工建设，包括植物的选择、填料的设计、防渗层的选择等。提供三维基础场景，学生从人工湿地设备模型库中选择合适的施工件、设备件拖拽到场景中，完成人工湿地的搭建（见图9）。搭建完成后计算运行，可以实时查看湿地运行状态下的污染物脱除效果参数，调整设计参数，可以得到不同的污染物去除效果参数（见图10）。

（五）运营维护模块

对后期运维过程中可能出现的几种环境异常情况进行模拟，异常情况模拟随机出现，具备操作的灵活性，考查学生对异常情况的应变能力、分析能力和解决能力（见图11）。异常情况通常包括以下几点：一是定期进行植被修剪，根据使用植被的生长规律制定修剪周期。二是曝气系统压力异常，存在的原因应该是管路堵塞或者脱落等情况，需要进行人工干预。三是出水水质不达标等综合性问题，需要对各工段的数据进行分析反馈。不同的异常情况对应的河道特点、水质数据和生态结构组成灵活变化，具备差异性。

三、虚拟仿真实训在教学中的应用及效果

（一）教学方案

水生态系统修复是一项严谨而复杂的工程，在实践中，学生很难在短时间内实现流域普查及修复实践。虚拟仿真实训教学系统使学生在虚拟场景中进行操作，将复杂、难度大的实训先通过虚拟仿真软件进行模拟操作，让学生进一步掌握水生态修复技术的要点和难点。同时遵循实际的工作流程主线，细化设计脚本，包括教、学、练、考等流程设计，进行实训平台开发，包括三维模型搭建、虚拟场景布置、flash 动画制作、路径动作规划等。最后形成水生态修复技术虚拟仿真实训平台，并通过平台的运用，建立了一套“自评+他评”相结合的新型评价模式，使陌生、抽象的教学内容变得直观具体，增强学生对水生态修复技术的认识和理解。

（二） 教学效果

按照设计的教学方案，在专业群以及水生态修复技术专业等6个班级中进行了问卷调查分析（收回248份调查问卷），效果良好。96.77%的学生认为虚拟仿真实训对实际工程实践有所帮助，92.74%的学生认为进行完虚拟仿真实训后，对水生态修复的整体流程有更清晰的掌握，99.19%的学生认为更愿意以虚拟仿真实训教学系统学习方式辅助理论教学开展课程学习。

虽然虚拟仿真实训系统能够提高学生对水生态修复工程应用的整体认识，但完全依赖虚拟仿真平台教学无法使学生真正掌握水生态修复技术所要求的全部知识点，无法让学生产生直观的印象。因此，课程设计时增设学校周边水生态修复工程项目现场户外踏勘教学，实现虚拟走进现实。

四、结语

虚拟仿真实训是教育与科技的融合，是教学与科研的渗透，这种“虚实结合、以实补虚、以虚促实”的实践教学模式有助于学生获得系统、全面的实训技能训练，建立完整的知识体系，拓宽学生视野，促进学生自主学习、协作学习，增强学生学习能力、思维能力、实践能力和创新能力的培养。

通过水生态修复仿真实训教学，让学生在高度仿真的场景中开展教、学、练、考，最终实现学生吃透规范标准、精通工艺、熟练操作，全面提升学生工程应用及综合设计能力，仿真实训弥补了由于工程周期长或安全因素无法进行实体工程实训的遗憾，为灵活多样性的教学方法改革和探索提供了可能，大幅提升人才培养质量，从而开创虚拟实训和实体实训协同育人的新局面。

参考文献

[1]吕婕梅.“生态修复理论与技术”课程教学模式改革探讨[J].科教导刊，2023（18）：108-110.

[2]张刚.水生态修复技术在河道治理中的应用研究[J].城市建设理论研究（电子版），2023（26）：205-207.

[3]魏鹏，刘小辉，罗景辉，等.基于共享虚拟仿真资源的污水处理教学实践[J].云南化工，2023，50（04）：192-195.

[4]李艳，陈琳，朱福根.国内虚拟仿真实训：现状、研究及启示[J].现代远距离教育：1-13.

基金项目：1.广东水利电力职业技术学院“双高计划”水利水电建筑工程专业群建设项目；2.国家级职业教育教师教学创新团队——水生态修复技术专业（项目编号：CXTD020）

作者单位：潘倩，广东水利电力职业技术学院；陈华，广东省环保研究总院有限公司

责任编辑：张津平