虛擬儀器技術(shù)在水質(zhì)工程學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

張莉莉

【摘要】水質(zhì)工程學(xué)是市政與環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)的核心課程。本文介紹將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用在水質(zhì)工程學(xué)課程教學(xué)中，將教學(xué)內(nèi)容立體化、動態(tài)化，改變傳統(tǒng)教學(xué)方式的弊端，優(yōu)化教學(xué)過程，提高教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】水質(zhì)工程 虛擬儀器技術(shù) 課程教學(xué)

【中圖分類號】G64 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）05-0245-01

水質(zhì)工程學(xué)是市政與環(huán)境工程等專業(yè)的核心課程，歷來是各高校相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)的重點內(nèi)容。該課程涵蓋物理、化學(xué)、生物、化工等多學(xué)科的理論，用工程學(xué)的方法研究給水和廢水處理的工藝和工程技術(shù)，要求學(xué)生全面系統(tǒng)地了解水的性質(zhì)、給水和廢水的水質(zhì)特征與水質(zhì)指標(biāo)等基本概念與理論；掌握城鎮(zhèn)給水與廢水處理技術(shù)的基本概念、基本理論、基本計算方法及其發(fā)展?fàn)顩r。課程知識面廣，內(nèi)容抽象，還包括大量的數(shù)據(jù)以及公式、設(shè)計圖。傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在內(nèi)容不夠直觀和全面等弊端，大大影響了課程的教學(xué)效果。

虛擬儀器技術(shù)是將計算機技術(shù)和儀器技術(shù)相結(jié)合，形成新概念儀器——虛擬儀器，近年來發(fā)展十分迅速。將虛擬儀器應(yīng)用到水質(zhì)工程學(xué)課程中，實現(xiàn)將水處理工藝構(gòu)筑物從抽象概念到具體實物的轉(zhuǎn)換，改變傳統(tǒng)語言化的教學(xué)現(xiàn)狀，優(yōu)化教學(xué)效果。

一、虛擬化儀器技術(shù)的概念

虛擬儀器概念（Virtual Instrumentation）最先是20世紀(jì)80年代中期由美國國家儀器公司首先提出的，是基于以計算機硬件為核心的測試平臺上，根據(jù)需求設(shè)計定義虛擬的操作前面板，由軟件來實現(xiàn)一系列儀器測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。形象地說法就是“軟件即為儀器”。

“虛擬儀器”可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，也可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體。從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。

二、虛擬技術(shù)的特點

虛擬儀器之所以被大多數(shù)行業(yè)所應(yīng)用，是因為它相對于傳統(tǒng)的技術(shù)存在著很多的優(yōu)勢：①功能先進，具有可開發(fā)性，用戶可根據(jù)自身需要自行用軟件定義；②儀器功能的改進和擴展只需設(shè)計更新對應(yīng)軟件，而不需購買新的儀器；③儀器使用過程中，檢查和維護費用低；④儀器研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。⑤虛擬儀器開放、靈活，可與計算機同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。

虛擬技術(shù)在教學(xué)方面的作用性更強，可以利用它的開放性和對數(shù)據(jù)的處理能力，將復(fù)雜的教學(xué)知識加以仿真，增強真實感，讓學(xué)生可以對復(fù)雜多樣化的知識進行全面的了解，對各個部分的工作流程看得更加清楚，這樣在給學(xué)生的學(xué)習(xí)增加了興趣的同時，也增強了學(xué)生對知識的消化能力。虛擬技術(shù)的開放性和獨特的仿真性在我國具有強大的作用。

三、虛擬儀器技術(shù)在水質(zhì)工程學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）完善教學(xué)內(nèi)容

目前教師主要采用制作電子幻燈片的形式進行水質(zhì)工程學(xué)的授課，幻燈片的形式多以靜態(tài)內(nèi)容為主，而水質(zhì)工程學(xué)課程中涉及很多水處理技術(shù)相關(guān)的處理構(gòu)筑物，需要講解各種構(gòu)筑物的原理、運行過程及內(nèi)部構(gòu)造等知識?；脽羝袉我坏膱D片和簡單的視頻信息對學(xué)生來說并不直觀和全面。雖然課程安排了學(xué)生現(xiàn)場參觀實習(xí)，但由于實習(xí)課時有限以及學(xué)生參觀規(guī)模較大，可參觀的水處理廠的數(shù)量有限。再有運行中的構(gòu)筑物無法看清它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及具體的運行過程。

采用虛擬儀器技術(shù)可以構(gòu)建虛擬的處理構(gòu)筑物，設(shè)計虛擬的水處理工藝流程，可提供一種仿真的水處理廠運行的“情境”。學(xué)生和老師可以通過計算機外部輸入進行虛擬仿真實驗，實時操作，觀測構(gòu)筑物及整個處理流程的運行過程。這種直觀的展示可以學(xué)生更容易掌握相關(guān)的工作原理，對整個水質(zhì)的工藝流程有足夠的認(rèn)識，同時可以增加學(xué)生的興趣。

（二）提高學(xué)生實踐能力

水質(zhì)工程學(xué)課程主要注重培養(yǎng)學(xué)生在水處理技術(shù)領(lǐng)域的工程實踐能力，所以教學(xué)中涉及課程實習(xí)和課程設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)就變得尤為重要。但是由于存在以下幾個原因效果不甚理想，同時也給教師的教學(xué)工作和學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了很大的壓力：①水廠實習(xí)過程中，出于安全考慮，學(xué)生不能近距離觀看。②學(xué)生無法跟上現(xiàn)場講解員的節(jié)奏，達(dá)不到實習(xí)效果。③設(shè)計過程中，學(xué)生缺少立體想象能力，不能夠?qū)ι形唇佑|過的水工構(gòu)筑物進行合理地構(gòu)想，進而繪圖。④很多高校教師由于沒有工程實踐經(jīng)驗，指導(dǎo)設(shè)計的內(nèi)容與實際工程嚴(yán)重脫鉤。

利用虛擬儀器技術(shù)所具有的仿真作用將水處理過程充分的展現(xiàn)出來，對每個部分的動態(tài)運行過程更加直觀的演示，并讓學(xué)生們進行詳細(xì)的分析，將水質(zhì)的工作流程以及處理的方法進行總結(jié)。通過這種形式的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生對各個參數(shù)之間的關(guān)系、各個結(jié)構(gòu)的運行有更加清晰的印象，大大的增強了學(xué)生的設(shè)計能力和工程應(yīng)用能力。

（三）增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在利用虛擬技術(shù)將污水處理的過程進行仿真，學(xué)生可以通過軟件觀察出處理的過程和水流的情況；可以在操作“虛擬構(gòu)筑物”的過程中，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。這會大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)效率和積極性。

總之，虛擬儀器技術(shù)必將成為高職院校、科研院所進行教學(xué)研究的重要方法和手段，并且具有極大的發(fā)展?jié)摿?。對提高課程的教學(xué)水平、改善工科專業(yè)課程實踐環(huán)節(jié)的不足、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的工程實踐型人才都將發(fā)揮巨大的作用。

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