李 潔

(西安航空學院能源與建筑學院，西安710077)

0 引言

目前在人才質量上，對給水排水行業(yè)人才知識結構和素質的要求越來越高，需要在專業(yè)知識結構方面具備機電、儀器儀表、計算機與自動控制等高新技術知識，需要進一步提高工程實踐能力［1］。企業(yè)在技術創(chuàng)新中也迫切需要大量具有寬廣知識面和復合性知識能力的創(chuàng)新型科技人才［2］。實際的給水處理工程中融合了多門專業(yè)課程理論知識、工程相關知識以及擴展性知識，因此在給水處理課程實踐教學中，要讓學生在水處理工藝、水處理設備和水處理構筑物工程方面以及在相關儀器儀表、機電控制方面都得到實踐訓練。

現(xiàn)今在給水處理課程實踐教學改革中，許多院校對實驗、課程設計、認識實習3個方面都做了相應的調整和改進。這些改革雖然有效地加強了學生在水處理技術、水處理構筑物工程中的實踐能力，但是依然缺少與電工電子技術、給排水工程儀表與控制等自動化課程的有效結合，沒有重視工藝與控制相結合的實踐訓練。因此我院在水處理實驗、給水處理課程設計、水廠認識參觀實習的基礎之上，用成果導向教育(Outcome based education，OBE)理念作為指導，以水處理系統(tǒng)環(huán)節(jié)為重點，增加了新的實踐教學環(huán)節(jié)，對該課程的實踐教學進行了新的建設。其目的就是要提高給排水工程專業(yè)學生的綜合能力，使學生能在相關儀器儀表和電氣控制系統(tǒng)方面的工程能力得到鍛煉。在給排水工程專業(yè)的實踐教學改革與建設過程中，不僅要注重工程能力的培養(yǎng)，也應當樹立全面綜合的工程教育理念，改變工科專業(yè)過窄過細的弊端，加強跨學科、多學科知識和能力的培養(yǎng)［3-4］。

OBE是成果導向教育的簡稱，亦稱能力導向教育、目標導向教育或需求導向教育，是一種先進的教育理念。成果導向教育已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念，被工程教育專業(yè)認證完全采納。用成果導向教育理念引導我國工程教育改革和建設，具有現(xiàn)實意義［5-6］。

水處理系統(tǒng)的安裝、運行調節(jié)和維護具有很強的工程性，涉及到較多的儀器儀表和電氣控制系統(tǒng)方面的知識。在實踐教學過程中存在著實體系統(tǒng)運行損耗大、設備維修成本高、學生多教師少不能滿足學生的個體學習需求等比較突出的問題。因此，經(jīng)過認真學習OBE理念，以OBE理念中強調的4個問題作為指南，對水處理系統(tǒng)的實踐教學從4個方面進行了相應的建設:①以提高學生在給水處理系統(tǒng)工程中的運行及維護能力為教學目標，在實驗室新建的二級反滲透水處理系統(tǒng)實體工程的基礎上，確定課程學習成果;② 開發(fā)給水處理系統(tǒng)實體工程的虛擬仿真教學軟件，改進教學手段和教學模式;③編寫實訓手冊，完善實踐教學內容;④采用多樣化的方式完善課程考核評價。

1 確定課程的學習成果

在OBE的教育理念中，“想讓學生取得的學習成果是什么”這個問題指出了教師教學與學生學習的過程中，首先要預先設計學習成果，要以確定的學習成果作為教學和學習的指南［7］。OBE強調學習成果為教學過程的焦點，課程教學設計要以“學生”和“成果”為核心進行設計。同時，實踐教學就是要促進學生工程意識的提高，建立工程化概念［8-10］。因此，通過分析學生對給水處理系統(tǒng)的工藝、設備、電氣控制這3個方面的理論知識掌握情況及實際工程中所需的基本能力，也為了使已建成的2級反滲透實體工程系統(tǒng)發(fā)揮出最好的實踐教學效果，對給水處理系統(tǒng)的實踐教學確定了3個學習成果:具備設備選型安裝和管道連接能力、系統(tǒng)運行調節(jié)維護和管理能力、電氣系統(tǒng)檢修及自動控制分析應用能力。

1.1 具備設備選型安裝和管道連接能力

以2級反滲透水處理系統(tǒng)實體工程為例，具備設備選型、安裝、管道連接方面的能力指的是學生能夠根據(jù)工藝流程和設計參數(shù)，熟悉系統(tǒng)中主體設備的結構及其工作原理、對系統(tǒng)中所需的設備能做到準確選型、能看懂設備安裝圖紙和系統(tǒng)安裝圖紙、懂得系統(tǒng)中的主體設備和主要閥門的安裝、能對系統(tǒng)設備之間的管道進行連接和安裝。

1.2 具備系統(tǒng)運行調節(jié)與維護管理能力

完成了設備選型、安裝和管道連接，建立好實體工程系統(tǒng)后，要求學生能夠熟練水處理系統(tǒng)機組的首次開機、正常開機、停機;能根據(jù)進水水質、溫度、進/出水壓力、進/出水電導率、產(chǎn)水pH值等監(jiān)測參數(shù)調節(jié)控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)運行最優(yōu)化［11］。會分析保安過濾器的運行模式、更換濾芯。能根據(jù)反滲透組件污染后的癥狀分析膜污染的原因，選擇正確的清洗方法，會對膜元件進行正確維護;掌握阻垢劑的匹配選型，會進行加藥控制。

設備選型安裝與管道連接、系統(tǒng)運行調節(jié)與維護管理這兩方面的能力要求不僅鞏固了學生的本專業(yè)基礎知識，而且加強了在相關實踐課程中涉及到的動手操作能力。

1.3 具備電氣系統(tǒng)檢修及自動控制分析應用能力

根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，能選擇出主要工藝參數(shù)的最佳監(jiān)測點及合適的監(jiān)測儀表，熟悉水處理系統(tǒng)中常用監(jiān)測儀表的結構及其工作原理，會安裝這些儀表，會對系統(tǒng)中常用的監(jiān)測儀表進行維護和更換。能看懂系統(tǒng)的電氣控制原理圖，可以對系統(tǒng)中的電氣控制元件如交流接觸器、繼電器、開關按鈕等進行基礎性的檢修和維護。能根據(jù)系統(tǒng)管道儀表流程圖及控制要求，看懂PLC控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)及I/0端子接線圖，能讀懂PLC控制程序，會根據(jù)工藝要求的變化，在原程序的基礎上對主要控制參數(shù)進行修改。能看懂組態(tài)監(jiān)控畫面，并根據(jù)監(jiān)控畫面顯示數(shù)據(jù)進行遠程操作。

在實際工程系統(tǒng)中，這3種工程能力相互交叉，互相滲透。對于一位優(yōu)秀的工程人員，無論從技術的角度還是從產(chǎn)業(yè)感覺的角度，都需要有對多學科甚至多行業(yè)的認知與理解［12］。中小型企業(yè)最需要的也往往是同時具備這3種能力的工程技術人員。因此，面向企業(yè)需求，對于給排水、環(huán)境工程專業(yè)的學生，在教學中須培養(yǎng)和提高學生的這3種能力，尤其是需要加強學生在電氣系統(tǒng)檢修及自動控制分析應用能力。這也是“為什么要讓學生取得這樣的學習成果?！?/p>

2 開發(fā)仿真教學軟件并設計實訓項目

水處理系統(tǒng)實體工程的特點是主體設備體積大，設備之間的管道連接復雜。在實踐教學過程中，存在的問題有:①如何在工程現(xiàn)場中學習主體設備的結構及其工作原理，怎樣將工藝生產(chǎn)過程轉化為設備之間的邏輯工作順序;②根據(jù)監(jiān)測儀表的顯示數(shù)值，如何分析系統(tǒng)的運行狀態(tài)、判斷設備發(fā)生故障的原因，如何學習監(jiān)測儀表、調節(jié)閥的結構及其工作原理;③ 如何有效學習水處理自動化監(jiān)控系統(tǒng)，并看懂水處理自動化系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控畫面;④如何提高學生對實際工程的電氣控制系統(tǒng)的認識，學生應該對電氣系統(tǒng)部分進行哪些相關實踐操作訓練。這些問題的存在，再加之學生多，如果只有現(xiàn)場教學，那么制定的學習成果多數(shù)仍然只能停留在紙面上。為此，針對OBE理念中強調的第3個問題“如何有效地幫助學生取得這些學習成果?”，課題組在確定好學習成果后，開發(fā)了2級反滲透水處理系統(tǒng)的教學仿真軟件。該仿真教學軟件包含了系統(tǒng)流程圖、子系統(tǒng)運行仿真、系統(tǒng)運行操作仿真、工程設計、電氣控制系統(tǒng)5個模塊。

2.1 系統(tǒng)流程圖模塊

在系統(tǒng)流程圖模塊下，共有工藝流程圖、管道儀表流程圖和系統(tǒng)控制流程圖3個教學內容。系統(tǒng)工藝流程仿真運行界面如圖1所示。在該界面下，通過仿真運行2級反滲透系統(tǒng)的水處理工藝流程圖，可對系統(tǒng)的自動運行過程進行直觀地教和學，使學生能夠明確系統(tǒng)主要設備的功能和設備之間的邏輯工作順序。在管道儀表流程圖的仿真教學界面下，學生能夠進一步完整地認識水處理工程系統(tǒng)，明確系統(tǒng)中的測控點，明確測量儀表及調節(jié)閥的安裝位置。最后結合系統(tǒng)控制流程圖，理解系統(tǒng)的自動運行過程，學習工藝參數(shù)與設備控制要求的關系。這部分教學體現(xiàn)了電工技術、環(huán)境測試技術、建筑設備自動化等課程與專業(yè)課程的結合，使學生將單獨開設的多門專業(yè)課程能夠聯(lián)成一個體系，同時為掌握PLC控制系統(tǒng)的輸入輸出接線做好鋪墊。

2.2 子系統(tǒng)運行模塊

在子系統(tǒng)運行仿真模塊中，通過分解二級反滲透系統(tǒng)的工藝流程，建立了原水箱(原水泵)、預處理系統(tǒng)、保安過濾器、一級反滲透(中間水箱)和二級反滲透(純水箱)5個子系統(tǒng)的仿真教學內容。其中保安過濾器運行仿真界面如圖2所示，一級反滲透(中間水箱)運行仿真界面如圖3所示。在每一個子系統(tǒng)運行仿真界面下，可以同時實現(xiàn)4種教學功能:設備的結構及其工作原理、管道的連接、檢測儀表及調節(jié)閥的安裝、子系統(tǒng)中泵的運行控制。

圖2 保安過濾器運行仿真界面

圖3 一級反滲透(中間水箱)運行仿真界面

通過系統(tǒng)流程圖和子系統(tǒng)運行仿真兩個模塊，可使學生對二級反滲透水處理系統(tǒng)工藝流程、主體設備、參數(shù)監(jiān)測、自動控制4個方面知識有一個整體認知，理解相關專業(yè)知識在實際工程系統(tǒng)中的應用。在此基礎上，學生可進入系統(tǒng)運行操作仿真模塊自主學習。

2.3 系統(tǒng)運行操作仿真模塊

在系統(tǒng)運行操作仿真教學模塊中，學生可以進行學習的內容有:系統(tǒng)的開機與停機操作;手動操作系統(tǒng)的各個閥門和設置監(jiān)測儀表數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)的運行狀態(tài)，學習對系統(tǒng)的運行操作管理;手動設置故障，學習對系統(tǒng)故障的分析處理能力。在手動運行操作系統(tǒng)過程中，可以反復模擬某種操作過程，這樣既可以減少學生在運行實際系統(tǒng)時的誤操作，降低對實體系統(tǒng)的運行損耗和實體設備的維修費用，又可以在實際操作教學過程中加強對學生的重點輔導，從而提高學生的工程認知能力和動手能力。

2.4 工程設計模塊

在工程設計模塊中，仿真教學軟件可以直接調用Word、Excel、AutoCAD 軟件，根據(jù)教師提出的學習任務，學生可以完成水處理系統(tǒng)的工程方案設計、系統(tǒng)工藝流程圖的設計及繪制、管道儀表流程圖和電氣控制原理圖的設計及繪制。在該模塊當中，學生將完成的工程方案、工程圖、實驗/實訓報告等保存并發(fā)送給教師，方便教師完成對課程學習的在線輔導和在線考核。

2.5 電氣控制模塊

水處理工程系統(tǒng)的自動運行離不開檢測儀表、電器元件和自動控制裝置，在學生掌握水處理工藝及其設備的基礎上，希望學生能夠進一步學習電氣控制系統(tǒng)，具備基本的電氣檢修和維護能力。在系統(tǒng)電氣控制模塊部分，以實體工程系統(tǒng)中的自動控制裝置PLC為核心，可以對PLC的基本控制原理、PLC的輸入輸出端子接線、泵的三相接線、泵的啟停控制、繼電器接觸器的接線以及檢測儀表的安裝和電氣接線進行仿真教學。同時讓學生會閱讀PLC控制程序，能根據(jù)主要工藝參數(shù)控制要求的變化對程序進行在線修改。圖4為PLC在凈水系統(tǒng)中應用的仿真教學界面。

圖4 PLC在凈水系統(tǒng)中的應用仿真教學界面

實體系統(tǒng)的仿真教學軟件建立后，課題組進一步編寫了“水處理工程——二級反滲透系統(tǒng)”實訓手冊。設計了7個以學生為中心的實訓項目。這7個實訓項目分別是:系統(tǒng)工藝流程、原水箱(原水泵)、預處理系統(tǒng)、阻垢劑注入系統(tǒng)、反滲透裝置、檢測設備及調節(jié)裝置、仿真系統(tǒng)的運行操作。

仿真教學軟件和實訓手冊的配合使用改進了實踐教學手段、完善了該課程的教學內容，使實踐教學內容項目化、具體化，既提高了教師的教學質量又方便了學生在課外繼續(xù)學習。

3 教學的實施

仿真教學軟件打包發(fā)行后，結合實訓手冊，給水處理課程在水處理系統(tǒng)運行調節(jié)及維護管理實踐教學環(huán)節(jié)中具有了“理論教學+虛擬仿真+實踐操作”的三維模式［13］。這種三維實踐教學模式改變了實踐教學只能在固定的實驗室、固定的時間內完成固定的教學內容的局面，學生學習可從實驗室向圖書館拓展，課內向課外延伸，內容上向參考資料擴充［5］。也可方便地實現(xiàn)翻轉課堂教學法。

水處理系統(tǒng)運行調節(jié)及維護管理實踐教學環(huán)節(jié)的具體實施過程分為3個階段:

(1)預習階段。在進入實踐教學周之前，教師預先下發(fā)學習任務，讓學生通過仿真教學軟件和實訓手冊對水處理工程系統(tǒng)進行預學習，明確學習成果，準備學習問題。

(2)實踐操作學習階段。進了實驗室現(xiàn)場后，教師以實踐操做作為教學重點，針對學生提出的問題進行重點講解和指導，教學活動變?yōu)橐詫W生為中心，教師為輔，突出教師的教學指導作用。

(3)課后提升階段。在課后，學生可以利用仿真軟件繼續(xù)學習水處理系統(tǒng)的運行和維護方面的內容，查閱資料分析解決實際操作中遇到的問題，完成教師下發(fā)的考核作業(yè)。如果學生需要再次進行實踐操作學習，可以與實驗室預約，再次進入實驗室進行有針對性地學習。

4 課程的考核評價

考核是檢驗課程教學效果的必要手段和形式，是教學過程的重要組成部分，貫穿于整個教學過程之中，對教學活動起著調控的作用［14］。水處理系統(tǒng)的運行調節(jié)及維護管理實訓周的學習成果評價由3個部分組成:①仿真教學軟件的運行記錄及預習作業(yè)完成情況;②現(xiàn)場實踐操作表現(xiàn)與考核情況;③ 課后利用設計模塊完成的相關作業(yè)。這3個部分分別按30% 、40% 、30% 的比例來評定學生的學習效果，給出課程的最終考核成績。

“理論教學+虛擬仿真+實踐操作”教學模式的實施，調動了學生的積極性，激發(fā)了學生自主學習能力，受到了學生的好評，有效地幫助學生取得了課程所確定的學習成果。“預習+實踐操作+作業(yè)”的考核評價模式，既及時獲知學生取得了什么樣的學習成果，又對學生的學習效果做出了較為客觀的評價，使課程的考核成績能夠反映出學生真實的學習情況。

5 結語

根據(jù)行業(yè)發(fā)展對人才質量的需求，以OBE理念中強調的4個問題為指導，在對給水處理系統(tǒng)的實踐操作及運行維護管理能力的培養(yǎng)方面，堅持了以工程能力學習成果為導向、以學生為中心制定學習項目，實現(xiàn)了三維教學模式。采用“預習+實踐+作業(yè)”的課程考核評價方式考查學生的實際學習效果。這種結合工程實際、加強學生實踐能力的教學建設體現(xiàn)了現(xiàn)代教育技術將實際實驗資源的數(shù)字化，是適應給排水行業(yè)內涵及外延變化進行的積極探索。也是實踐教學體現(xiàn)“回歸工程實踐”的一種途徑［15-16］。

在后期的實踐教學建設過程中，還應注意兩點:①隨著水處理工程技術的不斷改進，給水處理工程課程的實踐教學建設也要做到持續(xù)性改進，要不斷完善仿真教學軟件的功能，建立針對多個水處理工藝系統(tǒng)及其他給水處理環(huán)節(jié)的仿真教學軟件，使“理論教學+虛擬仿真+實踐操作”的三維教學模式也不斷完善起來;②要進一步深入學習OBE理念，由于OBE不是對過程的監(jiān)控，而是對結果的分析與反饋，因此要盡可能避免將教學實踐簡化為可觀察的、低層次的具體任務［7］。對給水處理課程的實踐教學應始終以學生工程素質和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作為首要任務，只有這樣教學質量才會螺旋式上升。