王娜　楊廠　馬保成　萬瓊　張新艷

【摘 要】 本文以西安科技大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)為例，分析了實驗教學(xué)平臺的現(xiàn)狀和存在的問題，提出了一體化給水排水實驗教學(xué)平臺建設(shè)構(gòu)思：傳統(tǒng)實驗室的升級改造；虛擬仿真實驗室的合理利用；給水排水實訓(xùn)基地的合理利用。并且給出了一體化給水排水科學(xué)與工程實驗教學(xué)平臺三大模塊的立體架構(gòu)。該平臺的建設(shè)可以大大提高給水排水科學(xué)與工程專業(yè)實驗、實踐教學(xué)的深度和廣度，全面提升了本科生實踐能力和創(chuàng)新精神。

【關(guān)鍵詞】 非重點院校；給水排水科學(xué)與工程；傳統(tǒng)實驗室；虛擬仿真實驗室；實驗教學(xué)體系

一、引言

2015年11月，國務(wù)院正式印發(fā)文件，將“985工程”、“211工程”、“優(yōu)勢學(xué)科創(chuàng)新平臺”、“特色重點學(xué)科建設(shè)”等重點建設(shè)項目，統(tǒng)一納入世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)。隨著“雙一流”大學(xué)的提出，各個高校紛紛看到新的發(fā)展機遇，尤其是非“985工程”、“211工程”高等院校。非重點院校的專業(yè)建制較晚，專業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，需要在新的發(fā)展過程中依據(jù)自身特色，整合資源，不斷縮小與重點院校的差距并迎頭趕上?！度珖叩葘W(xué)校給排水科學(xué)與工程專業(yè)評估認(rèn)證文件》規(guī)定合格的畢業(yè)生應(yīng)達到：能夠利用專業(yè)知識解決復(fù)雜工程問題；根據(jù)工程實際設(shè)計出合理的具有創(chuàng)新性的工藝流程；能夠設(shè)計實驗方案，并根據(jù)實驗結(jié)果對復(fù)雜工程問題進行深入研究；具有良好的交流（語言和書面）和團結(jié)協(xié)作能力。[1]西安科技大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)始建于2006年，現(xiàn)有的實驗教學(xué)平臺已無法完全滿足這一人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，必須構(gòu)建新的實驗教學(xué)體系，強化實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，促進學(xué)生知識、能力、思維和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

二、實驗教學(xué)平臺的現(xiàn)狀和存在的問題

學(xué)?，F(xiàn)有水質(zhì)工程實驗室、給水工程實驗室、排水工程實驗室、水質(zhì)分析實驗室4個專業(yè)實驗室，其中水力實驗室使用理學(xué)院的基礎(chǔ)實驗室，目前的實驗平臺基本能完成教學(xué)大綱規(guī)定的教學(xué)任務(wù)，但存在以下問題：開設(shè)的內(nèi)容多為驗證性實驗，缺乏設(shè)計性、綜合性和創(chuàng)新性實驗，學(xué)生僅為修滿學(xué)門而實驗，分析問題和解決問題的能力得不到有效的鍛煉，尤其是個性化和創(chuàng)新能力的發(fā)展嚴(yán)重不足；實驗室面積有限，關(guān)于建筑給水排水、城市管網(wǎng)方面的實驗演示裝置過于簡化，不能很好的展現(xiàn)復(fù)雜的城市管網(wǎng)間的相互聯(lián)系及運行狀態(tài)；實驗室現(xiàn)有的設(shè)備多為最基礎(chǔ)的測試分析儀器，精度及系統(tǒng)化不足，無法滿足大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的開展；目前實驗室的主要作用是滿足大綱規(guī)定的實驗課程的開設(shè)，課余時間向?qū)W生開放度不夠，沒有進行合理有效的利用。

三、一體化給水排水實驗教學(xué)平臺建設(shè)構(gòu)思

為解決上述問題，滿足新型給水排水專業(yè)本科生的培養(yǎng)要求，結(jié)合學(xué)?，F(xiàn)有條件，聯(lián)合傳統(tǒng)實驗室、虛擬仿真實驗室、校內(nèi)污水處理站構(gòu)建一個集實驗教學(xué)及大學(xué)生第二課堂和技能培訓(xùn)為一體的實驗教學(xué)平臺。以下詳細介紹該體系中三個單元的建設(shè)構(gòu)思。

1、傳統(tǒng)實驗室的升級改造

傳統(tǒng)實驗室需要購置一批相對高端的實驗儀器，以滿足大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題及老師科研工作的開展，從而帶動整個學(xué)科的發(fā)展。同時須對現(xiàn)有的實驗裝備進行重新的分類管理。結(jié)合專業(yè)分支及其所需設(shè)備的特點將實驗室分為4個專業(yè)實驗室：城市管道工程實驗室、水質(zhì)工程實驗室（一）、水質(zhì)工程實驗室（二）、水分析及微生物實驗室。其中，城市管道工程實驗室需增置部分新型管網(wǎng)系統(tǒng)模型、泵與泵站相關(guān)演示及實驗設(shè)備，使學(xué)生能夠切實直觀地看到整個城市管網(wǎng)系統(tǒng)的雛形。水質(zhì)工程實驗（一）主要是擺放給水及污水處理流程的演示型設(shè)備，目前的兩套設(shè)備相對陳舊，占地面積過大，且配置的攪拌等配套設(shè)備沒有按照實際尺寸進行等比例縮放，不能達到很好的演示效果，考慮購置占地面積相對較少、能夠確切反應(yīng)各個構(gòu)筑物實際運行狀態(tài)的新型演示性模型。水質(zhì)工程實驗室（二）主要放置給水及污水處理各個單元的中試性裝置，可以滿足相關(guān)實驗課程的安排及學(xué)生開展自主設(shè)計實驗的要求。水分析及微生物實驗室，由于該部分涉及的儀器類型較多，對于環(huán)境的要求較高，分為兩個單元：一個單元放置水分析普通設(shè)備作為學(xué)生的實驗操作間，并長期對學(xué)生開放；另一個單元作為微生物實驗室及貴重設(shè)備操作間，設(shè)專門的管理人員，建全管理制度，有序向?qū)W生開放。

2、虛擬仿真實驗室的合理利用

虛擬實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)在計算機上進行的對傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的模擬和仿真。[2][3]虛擬仿真實驗教學(xué)通過高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中以不同的角色參與到水行業(yè)運行和應(yīng)對突發(fā)事件的模擬演練中，達到培養(yǎng)其運用專業(yè)知識解決實際問題的能力，更好地適應(yīng)未來的工作要求。[4][5]學(xué)院已建成了國家級礦山虛擬仿真實驗室，目前硬件設(shè)施已完全具備教學(xué)要求，只需購置一定的給排水專業(yè)軟件即可給本科教學(xué)帶來很大便利。

給水排水工程專業(yè)的實驗教學(xué)與工程實際結(jié)合緊密，部分實驗裝備系統(tǒng)龐大，在有限的實驗室空間無法做到面面俱到，不能真實的反應(yīng)出實際應(yīng)用中的各種運行狀態(tài)，而虛擬實驗可以解決上述問題。目前在給水排水實驗教學(xué)中主要應(yīng)用的軟件有《給水排水處理仿真教學(xué)軟件》、[6] SWMM（storm water management model）和MOUSE（Modeling of urban sewer）組成的排水管網(wǎng)模擬仿真系統(tǒng)、由給水管網(wǎng)仿真裝置和在線監(jiān)控系統(tǒng)組成的給水管網(wǎng)仿真系統(tǒng)、微尺度水系統(tǒng)數(shù)字化與管網(wǎng)優(yōu)化實驗教學(xué)平臺等，[7]應(yīng)根據(jù)已有的虛擬實驗平臺選擇投入相對較少的軟件進行給水排水虛擬仿真實驗室的建設(shè)。但是給水排水專業(yè)的實驗教學(xué)工作不可能全部由虛擬仿真手段完成。因此該平臺建設(shè)的基本原則為：以實為主，虛實結(jié)合。以虛補實，以實驗虛。以傳統(tǒng)實驗室為根基，以虛擬仿真實驗室為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的有效補充。

目前中國多所給水排水專業(yè)的知名高校均不同程度的將虛擬仿真實驗納入實驗教學(xué)中，取得了良好的效果。因此該平臺建成后不僅可以為該校實驗教學(xué)帶來質(zhì)的飛躍，還可以為培養(yǎng)給水排水專業(yè)高質(zhì)量創(chuàng)新型人才打下良好的基礎(chǔ)。

3、給水排水實訓(xùn)基地的合理利用

西安科技大學(xué)臨潼校區(qū)污水處理站負責(zé)處理學(xué)校的生活用水，處理后的中水回用于沖廁和園林灌溉，該處理站采取A2/O和膜生物反應(yīng)器相結(jié)合的典型處理工藝。目前給水排水專業(yè)的實習(xí)均采用校外污水廠參觀實習(xí)的方式，不僅成本較高，而且由于時間和空間的限制，實習(xí)效果有限。為了合理利用該校內(nèi)資源，擬依托污水處理站在其西側(cè)建立給水排水實訓(xùn)基地。實訓(xùn)基地主要開展鍛煉學(xué)生動手能力的污水廠常規(guī)指標(biāo)的檢測性實驗，以及提高學(xué)生團隊協(xié)作能力的污水廠運行調(diào)控實驗。根據(jù)使用功能在實訓(xùn)基地主要設(shè)置與污水處理站具有相同工藝流程的中試裝置、在線監(jiān)測系統(tǒng)、污水處理廠常規(guī)指標(biāo)的檢測儀器。實訓(xùn)基地的實驗項目對外開放，學(xué)生可以申請參與污水相關(guān)指標(biāo)的檢測實驗，鍛煉動手能力的同時培養(yǎng)一絲不茍的科學(xué)精神；還可以組成實驗團隊以申請“課題”的形式協(xié)作完成污水廠運行調(diào)試的綜合性實驗，通過對不同運行狀態(tài)的檢測，詳細了解各個指標(biāo)參數(shù)對處理水質(zhì)的影響，撰寫結(jié)題報告并計入實習(xí)學(xué)分。該部分實驗可以有效彌補校外實習(xí)不能動手操作的缺憾，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)與堅持不懈的探索精神?！罢n題”還可結(jié)合教師科研項目的子課題，結(jié)合大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”、“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”等校內(nèi)外創(chuàng)新性比賽，結(jié)合實際的生產(chǎn)性實驗等，調(diào)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)新性，培養(yǎng)團結(jié)協(xié)作精神。

四、三大模塊的立體架構(gòu)

由圖1可以看出：一體化給水排水科學(xué)與工程實驗教學(xué)平臺各部分建設(shè)情況及其在教學(xué)中的角色分工。在所構(gòu)建的實驗教學(xué)體系中，三大部分相互獨立，又互為補充，形成了培養(yǎng)掌握城市各類水工藝運行理論與方法，可以開展一定實驗研究并能夠利用所學(xué)專業(yè)知識解決復(fù)雜工程問題的新型給水排水工程技術(shù)人才的良好基礎(chǔ)平臺。

五、結(jié)語

結(jié)合西安科技大學(xué)現(xiàn)有基礎(chǔ)和住房城鄉(xiāng)建設(shè)部高等教育給排水科學(xué)與工程專業(yè)評估委員會對給水排水科學(xué)與工程人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，構(gòu)建了更為立體飽滿的實驗教學(xué)平臺。該平臺的建設(shè)可以大大提高給水排水科學(xué)與工程專業(yè)實驗、實踐教學(xué)的深度和廣度，全面提升了本科生實踐能力和創(chuàng)新精神，是普通高等院校在發(fā)展道路上，最大限度利用現(xiàn)有資源提升辦學(xué)能力的有效探索。

【參考文獻】

[1] 住房城鄉(xiāng)建設(shè)部高等教育給排水科學(xué)與工程專業(yè)評估委員會. 《全國高等學(xué)校給排水科學(xué)與工程專業(yè)評估認(rèn)證文件》， 2016 年試行版，2016.09.

[2] 銀玉容，朱能武，施召才等. 虛擬仿真實驗系統(tǒng)在給水排水工程專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理，2016（01）111-113.

[3] 王濟軍，魏雪峰.虛擬實驗的“熱”現(xiàn)狀與“冷”思考[J].中國電化教育， 2011（04）126-129.

[4] 管雪梅，戴天虹，王鐵濱. 高校虛擬實驗平臺的設(shè)計及教學(xué)應(yīng)用研究[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2015（01）88-90.

[5] 萬桂怡，崔建軍，張振果. 高校虛擬實驗平臺的設(shè)計及實踐[J]. 實驗室研究與探索，2011（03）386-389.

[6] 鄧曼適.《給水排水處理仿真教學(xué)軟件》的開發(fā)與應(yīng)用[J].價值工程， 2010（20）191-193.

[7] 郭亮，梁宏，劉京等. 基于虛擬仿真技術(shù)的市政環(huán)境類實驗教學(xué)[J]. 實驗室研究與探索，2015（07）107-110+121.

【作者簡介】

王 娜（1981-）女，河南鄭州人，講師，博士，主要從事給排水科學(xué)與工程教學(xué)與科研工作.