給排水科學與工程專業(yè)虛擬仿真實踐教學探索＊

張磊，周紅星

（唐山學院土木工程學院，河北唐山 063000）

1 研究背景

教學質(zhì)量國家標準規(guī)定給排水科學與工程專業(yè)的人才應掌握解決給水排水工程問題的理論和方法，具有應用所學專業(yè)知識解決工程實際問題的能力[1]。為實現(xiàn)這一人才目標，必須強化實踐教學環(huán)節(jié)，實踐教學是理論教學的延伸，是培養(yǎng)學生工程能力的重要環(huán)節(jié)，是促進學生知識和工程實踐能力協(xié)調(diào)發(fā)展與提高的重要手段[2]。但是由于給排水專業(yè)的綜合性和工程性很強[3-4]，往往在實踐的交互性和操作的系統(tǒng)性方面不能滿足要求，引入虛擬仿真技術在專業(yè)實踐教學中有著顯著的意義。

唐山學院的人才培養(yǎng)目標是培養(yǎng)素質(zhì)高、能力強的高級應用型人才，隨著相關教學改革工作的進行，給排水科學與工程專業(yè)實踐教學資源和體系中存在的問題逐漸顯現(xiàn)出來，因此利用虛擬仿真技術進行專業(yè)實踐教學的探索和改革顯得尤為緊迫。

2 實踐教學引入虛擬仿真技術的背景

給排水科學與工程專業(yè)的實踐教學涉及到水廠的參觀、水廠工藝流程和構筑物的運行實踐、建筑給排水在建工程的參觀和施工實踐等方面內(nèi)容，工程性和交叉性非常強，目前開展實踐教學過程中面臨著一些問題，影響了學生對專業(yè)知識的吸收和理解。

2.1 實踐基地不易尋找，實踐工作不深入

給排水專業(yè)學生實習實訓的地點主要是一些自來水廠、生活污水處理廠、建筑施工工地、環(huán)保設備廠家等，受到場地、人員數(shù)量、安全等方面因素的限制[5]，一些企業(yè)不愿意或者無法接收如此大規(guī)模的學生進行實踐學習。目前慶南水廠、北控水務集團和至鼎集團等企業(yè)為學生提供了一些實習基地，但是整體來說實習基地的數(shù)量偏少，個別時候同一批學生在不同的實習環(huán)節(jié)會去到相同的基地，并且出于安全的考慮，大多企業(yè)只接受學生參觀認知實習，很難真正給學生提供動手操作的實踐機會，實習多流于形式，實踐逐漸變成了參觀[6]。

2.2 實踐設備運行周期長，數(shù)量受限制

為了實踐環(huán)節(jié)的進行，學院采購了給水處理技術綜合實驗平臺和水環(huán)境檢測與治理技術實驗平臺2 種實訓設備，通過實訓平臺的操作，可以培養(yǎng)學生水處理工藝設計與管道連接能力、構筑物的調(diào)試和運行管理能力。但是，這些設備的運行周期較長，學生在對實驗設備每一次工藝參數(shù)的調(diào)整和操作手段的變化，都需要幾個小時甚至是幾十個小時的運行才能觀察到相應的實驗結果，具有一定的滯后性。而且實驗裝置的占地面積較大，成本較高，受場地和資金的限制，不能購買太多套數(shù)，目前這2 種實驗平臺各購買了2套，學生需要分組分批次進行實驗，增加了教師的工作量，個別學生也會出現(xiàn)依賴同組同學的偷懶現(xiàn)象，降低了實習的效果。

2.3 特殊情況下，傳統(tǒng)實踐教學無法開展

2020 年新冠疫情的特殊時期，只能通過網(wǎng)絡授課的方式開展教學活動，實踐環(huán)節(jié)亦是如此，以往的深入實踐基地的方式不能開展，教師只能通過給學生播放工程視頻的方式進行，實踐教學效果不盡如人意。

3 虛擬仿真實踐教學的探索

給排水科學與工程專業(yè)的學生在本科期間要經(jīng)過認識實習、專業(yè)實習、生產(chǎn)實訓和畢業(yè)實習4 個實習實踐環(huán)節(jié)，以認識實習和生產(chǎn)實訓為切入點，引入了虛擬仿真技術。這2 個環(huán)節(jié)引入的虛擬仿真實踐項目為城市給水廠3D 虛擬現(xiàn)實仿真和城市污水廠3D 虛擬現(xiàn)實仿真。虛擬仿真軟件具有學習、練習和考核3 種模式，教師可以控制學生端開展相應實訓項目。在學習模式學生可以對各個構筑物結構、運行過程進行全面的觀察，對構筑物進行拆分，并對涉及到的知識點進行相應的學習。在練習模式可以根據(jù)軟件提示完成水處理流程的各個操作步驟，實時觀察到相應的處理結果，生成報告，學生可以在報告中查看自己操作時出錯的步驟，進行有針對性的改正練習。在練習模式軟件不限制操作次數(shù)，學生可進行反復練習，鞏固學習效果。在考核模式軟件將隱藏知識點和操作步驟提示，系統(tǒng)自動生成個性化的實踐考核試題，對學生進行理論知識和實際操作的考核，并根據(jù)考核情況進行成績核算。

3.1 認識實習

認識實習開設于大學一年級第二學期，時長2 周，是為了培養(yǎng)學生的工程意識，學生第一次從專業(yè)角度認識工程實體，對學生的影響僅是形象塑造而非實踐能力培養(yǎng)[7]。在這一環(huán)節(jié)安排學生參觀了唐山市慶南水廠和西郊污水處理廠，參觀的過程中學生對給水廠和污水廠有了一個整體的認知，觀察到一些處理構筑物的外觀，受水廠實際工作運行環(huán)境的限制，學生只能通過技術人員的文字描述來想象水處理構筑物的內(nèi)部結構、運行原理和工作方式。在虛擬仿真軟件實踐中，教師先利用軟件對水廠進行講解，學生通過3D 視圖可以從任意角度對水廠的各個構筑物和管道連接情況、構筑物內(nèi)部結構進行細致的觀察，隨意進行部件的拆分，配合動畫的方式對工作原理進行深入的理解，學習涉及到的專業(yè)知識，通過反復練習進一步熟悉水廠的水處理流程，最后在隱藏得分步驟的情況下按照水廠的水處理流程進行認知考核。

3.2 生產(chǎn)實訓

生產(chǎn)實訓開設于大學四年級第一學期，時長1 周，屬于強化的實踐環(huán)節(jié)，是進一步提高學生的工程實踐能力，培養(yǎng)工程技術、對接工程實體的基本手段[8]。在這一環(huán)節(jié)安排學生利用實驗室現(xiàn)有的給水處理技術綜合實驗平臺和水環(huán)境監(jiān)測與治理技術實驗平臺進行了給水廠和污水廠處理工藝的實際操作，通過調(diào)整運行工況，得到不同的水質(zhì)處理結果。由于水處理構筑物的處理運行需要一定的時間，每次工藝參數(shù)調(diào)整后都需要一段時間才能得到水處理結果，受實訓時間、設備數(shù)量和學生人數(shù)的限制，學生難以進行所有常見運行工況的操作，只安排了給水廠的過濾池和污水廠的A2/O 這2 種構筑物工況調(diào)整。另外，由于學生對設備操作的不熟練，個別的實驗組操作步驟不正確，沒有得到預期的結果。

在虛擬仿真軟件中，生產(chǎn)實訓部分包括水廠正常工藝運行和事故工況處理2 部分內(nèi)容。軟件以一座設計水量20 萬m3/d 的生活污水處理廠為依托，在正常工藝運行環(huán)節(jié)，要求學生將進水量調(diào)整到設計水量，并按照合理的操作步驟、操作順序完成整個污水處理工藝的啟動運行，讓各個構筑物正常運轉(zhuǎn)，水廠的二級處理出水滿足GB 18918—2002 中一級B 標準；在事故處理環(huán)節(jié)，要求學生查看各處理單元運行情況，根據(jù)所學的專業(yè)知識及DCS 工藝指標，判斷事故原因，通過調(diào)整運行工況進行解決。

3.3 教學效果評價

虛擬仿真軟件系統(tǒng)擺脫了時間和空間的限制，整個專業(yè)幾十名學生能同時開展實習項目，系統(tǒng)中項目的設置類似于游戲的通關，激發(fā)了學生的學習興趣，目前已經(jīng)在唐山學院給排水專業(yè)三屆學生中開展了虛擬仿真實踐教學，以問卷的方式對學生對虛擬仿真的態(tài)度和教學效果進行了反饋調(diào)查，共收集到了有效調(diào)查問卷205 份。在學生態(tài)度方面，從問卷調(diào)查結果可以得出，學生對于實踐環(huán)節(jié)引入虛擬仿真技術的接受度很高，92%以上的學生認為有必要開展虛擬仿真教學，而且學生對這種教學的適應性很強，86.92%（178 名）的學生表示非常適應虛擬仿真實踐過程，6.90%（16 名）的學生表示適應，僅6.18%（11 名）的學生不太適應這一實踐模式。分析原因主要有2 方面，一是參與調(diào)查問卷的205 名學生均是第一次接觸虛擬仿真技術，對仿真系統(tǒng)的操作陌生，這導致一些接受新鮮事物能力比較弱的學生出現(xiàn)了不太適應的情況；另一方面虛擬仿真軟件不能100%還原現(xiàn)實場景，同時一些操作步驟和數(shù)據(jù)已經(jīng)默認，導致學生對部分原理和數(shù)據(jù)缺乏足夠理解的必要性，有些學生整個操作流程結束之后也不太明白自己的實訓過程，這也導致了學生不太適應。學生對虛擬仿真技術喜歡程度的調(diào)查結果與適應性的調(diào)查結果基本一致。在教學效果方面，由問卷統(tǒng)計結果可以得出，虛擬仿真技術的引入總體上提升了實踐教學質(zhì)量。有共91.81%（188 名）的學生認為虛擬仿真技術的引入，提高了自主學習能力，參與感和積極性得到了較大提升。這是因為以往知識的傳授多是以教師講解為主，輔以圖片展示和視頻演示的方式進行，虛擬仿真技術讓學生動手操作，實現(xiàn)了教學手段的升級，提供了多元化的學習途徑，類似于游戲通關的項目設置，增強了實訓的娛樂性，更加吸引學生，引導其主動探索實訓項目內(nèi)容，教學中一直強調(diào)的“自主學習”得到了實現(xiàn)。但是，由于軟件在還原真實場景方面還有不足，所以在能反映真實情況調(diào)查中僅有56.25%（115 名）的學生同意，這也是虛擬仿真技術本身具有的局限性，尤其是學生在對實際工程和構筑物實物不了解的情況下，很難將其與虛擬軟件中的模型對應起來，因此在實踐教學中要采用“虛實”結合的方法進行，通過實物增強學生的感性認識，進行優(yōu)勢互補。在虛擬仿真軟件中，學生可以看到各個構筑物在不同工作狀態(tài)下內(nèi)部發(fā)生的反應，結合整個工藝流程進一步理解其在處理工藝中所起的作用，還可以針對不同進水水質(zhì)情況，調(diào)整運行參數(shù)，實時觀察處理結果，在短時間內(nèi)進行反復的工況運行和事故處理練習，這是傳統(tǒng)教學方式無法實現(xiàn)的，因此調(diào)查中較大比例的同學可以“完全”或者“大部分”掌握構筑物的運行操作，有93.08%（191 名）的同學通過虛擬仿真技術提高了自身實踐能力。

4 總結

實踐教學在給排水科學與工程專業(yè)人才培養(yǎng)中占據(jù)重要的地位[9]，本文以認識實習和生產(chǎn)實訓2 個環(huán)節(jié)為例，闡述了將虛擬仿真實踐教學與傳統(tǒng)實踐教學進行結合的探索。綜合來說，虛擬仿真技術的引入豐富了實踐教學模式，完善了實踐教學過程考核和成績評定規(guī)則[10]，激發(fā)了學生的學習興趣，有利于學生工程應用和實踐能力的提高。引入虛擬仿真技術的時候需要注意虛擬技術具有一定的局限性。首先是軟件的評分考核不夠完善，沒有將構筑物的操作順序納入評分項，而實際工程中不嚴格按照操作規(guī)程，很有可能造成事故。其次是利用仿真軟件進行實踐與利用實物進行工程實訓相比較在一定程度上弱化了學生對構筑物運行性能和參數(shù)的了解，降低了誤差分析能力，在傳統(tǒng)實訓中，不同組學生的實訓數(shù)據(jù)會有差異，而在仿真軟件中，運行數(shù)據(jù)和處理結果系統(tǒng)已經(jīng)默認設置好，按照操作步驟完成，所有人都會得到同樣的實訓數(shù)據(jù)，并且某一環(huán)節(jié)操作失敗，可以迅速重新進行，實時得到數(shù)據(jù)結果。最后是它對學生動手能力的鍛煉是比較有限的，尤其是在學生對實際構筑物不了解的情況下，很難將實物和仿真模型對應起來，因此，在進行實踐環(huán)節(jié)設計的時候，要充分利用傳統(tǒng)實踐教學方式和虛擬仿真技術的優(yōu)點，采用虛擬技術與實際操作相結合，“虛實結合、以虛補實”的方式進行。