程 聰，呂康樂**，丁耀斌，周俊鍬，熊 玲，葉楊龍

(1.中南民族大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢鑫測(cè)檢測(cè)技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430074)

2017年，教育部在高等教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)上，達(dá)成“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識(shí)。其中，提出要加快建設(shè)和發(fā)展新工科：除了設(shè)置和發(fā)展一批新興工科專業(yè)外，還要推動(dòng)現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新。需要加強(qiáng)工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密結(jié)合，在教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中主動(dòng)對(duì)接產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新要求，把握行業(yè)人才需求方向。改革培養(yǎng)機(jī)制、強(qiáng)化實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、通過校企合作共建課程、共建實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)基地，促進(jìn)人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)需求緊密結(jié)合。中南民族大學(xué)2017年開始申請(qǐng)環(huán)境工程專業(yè)工程教育認(rèn)證，從培養(yǎng)環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生工程能力角度出發(fā)，一直積極探索建立工程教育實(shí)踐平臺(tái)和成熟的實(shí)踐教學(xué)體系，積極與企業(yè)聯(lián)系開展產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目，陸續(xù)建立了校內(nèi)工程中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，并開展工程實(shí)訓(xùn)與虛擬仿真的教學(xué)融合研究。

1 教學(xué)融合的目的

1)解決環(huán)境工程實(shí)踐教學(xué)受制于生產(chǎn)企業(yè)的被動(dòng)局面，保證環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)教學(xué)活動(dòng)的正常秩序[1]。

2)構(gòu)建學(xué)校自有的校內(nèi)工程中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，讓實(shí)踐教學(xué)的“學(xué)”與“做”落到實(shí)處。保證學(xué)生復(fù)雜工程問題能力得到充分的訓(xùn)練。

3)化解純虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的弊端。結(jié)合實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，加強(qiáng)虛擬仿真與中試實(shí)訓(xùn)工程教育集約化平臺(tái)的構(gòu)建；將工程實(shí)訓(xùn)與虛擬仿真教學(xué)手段相融合，設(shè)計(jì)環(huán)境工程中式實(shí)訓(xùn)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系；實(shí)施“傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)——工程中式實(shí)訓(xùn)——仿真實(shí)驗(yàn)”螺旋式學(xué)習(xí)，在校內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)“兩次循環(huán)、虛實(shí)結(jié)合”：理論學(xué)習(xí)——校內(nèi)實(shí)驗(yàn)——理論學(xué)習(xí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)——工程中式實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)——理論學(xué)習(xí)[2-4]。

2 工程中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)搭建

工程中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是為了滿足生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)而建立的。我院從2017年開始申請(qǐng)環(huán)境專業(yè)工程教育認(rèn)證，一直探索構(gòu)建適合環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生校內(nèi)生產(chǎn)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中試平臺(tái)。目前建成了環(huán)境工程專業(yè)工程演示實(shí)驗(yàn)室。構(gòu)建水環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)實(shí)驗(yàn)/開發(fā)平臺(tái)，小型氣體脫硫?qū)嶒?yàn)裝置，揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)吸附脫附裝置，生物接觸氧化法處理有機(jī)工業(yè)廢水系統(tǒng)。該平臺(tái)涉及水、氣兩大知識(shí)領(lǐng)域，污水處理系統(tǒng)和大氣處理系統(tǒng)均無限接近工程實(shí)際，是本院教師根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目需要自主或半自主設(shè)計(jì)。中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)備大部分是由透明的有機(jī)玻璃材質(zhì)制成，這樣即使設(shè)備在有負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，學(xué)生也能看清設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行情況，比外出工廠參觀實(shí)習(xí)更直觀。同時(shí)，水處理系統(tǒng)和大氣處理系統(tǒng)均無限接近工程實(shí)際，學(xué)生在校內(nèi)就能進(jìn)行工藝運(yùn)行實(shí)操，不止限于只看不練、脫離實(shí)際的理論學(xué)習(xí)。

水環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)實(shí)驗(yàn)/開發(fā)平臺(tái)是一套完整污水處理工藝模型，如圖1所示。它按照實(shí)際污水處理工藝項(xiàng)目縮比建成，平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)。供水系統(tǒng)包括：原水箱，其中，污水處理系統(tǒng)，在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。污水處理系統(tǒng)由有機(jī)玻璃材質(zhì)的不同水處理構(gòu)筑物組成，包括格柵調(diào)節(jié)池、沉砂池、A2/O生物反應(yīng)器、MBR生物膜反應(yīng)器、活性炭吸附柱、SBR池、砂濾柱、加藥池等；在線監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)包括電氣控制柜、觸摸屏、PLC可編程控制器、組態(tài)監(jiān)控軟件、DO和PH在線監(jiān)測(cè)儀等。通過水處理構(gòu)筑物的不同組合，構(gòu)建多種水處理工藝，同時(shí)還可以對(duì)構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，建成新的處理單元。目前改造成功的有：沉砂池改裝成斜板沉淀池和斜管沉淀池，A2/O生物反應(yīng)器改裝成微電解反應(yīng)池，SBR池改裝為Fenton反應(yīng)池或混凝攪拌池。學(xué)生可以根據(jù)污水水質(zhì)設(shè)計(jì)出不同的水處理組合工藝，然后進(jìn)行管道改裝連接、電氣連接及工藝運(yùn)行調(diào)試，同時(shí)還可以根據(jù)工藝流程需要對(duì)PLC可編程控制程序進(jìn)行改寫。污水水質(zhì)分析——水處理方案的比選與確定——構(gòu)筑物及設(shè)備的選擇與改造、運(yùn)行參數(shù)等的設(shè)計(jì)——設(shè)備及管道連接——水處理工藝運(yùn)行與調(diào)試——PLC自動(dòng)運(yùn)行控制與水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)——出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，學(xué)生整套流程操作和校外企業(yè)員工做水處理項(xiàng)目一致，學(xué)生經(jīng)過訓(xùn)練可直接與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合。

圖1 工程中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)——水環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)實(shí)驗(yàn)/開發(fā)平臺(tái)

3 虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)搭建

我校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心是整合原有相關(guān)優(yōu)質(zhì)資源建設(shè)的校級(jí)虛擬仿真/工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，中心配有高清融合投影系統(tǒng)、服務(wù)站、工作站、仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和工程制度等各類專業(yè)設(shè)備軟件，并收藏工程設(shè)計(jì)相關(guān)的各類型手冊(cè)、書籍和圖紙800余冊(cè)，可滿足全校師生開展虛擬仿真、工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和課程設(shè)計(jì)等教學(xué)、教改活動(dòng)。圍繞環(huán)境工程核心課程群，開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)軟件。目前，開發(fā)了城市污水處理廠3D仿真實(shí)訓(xùn)軟件、大氣污染控制仿真實(shí)訓(xùn)軟件之旋風(fēng)除塵實(shí)驗(yàn)、BOD5測(cè)定實(shí)驗(yàn)仿真軟件、總氮測(cè)定實(shí)驗(yàn)仿真軟件等。

以城市污水處理廠3D仿真實(shí)訓(xùn)軟件為例。針對(duì)氣浮工藝、氧化溝工藝、SBR工藝、UASB工藝、生物接觸氧化工藝等，建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，模擬工藝中泵房、沉砂池、初沉池、曝氣池、二沉池、污泥濃縮池等水處理構(gòu)筑物的正常運(yùn)行操作，模擬污水處理廠常見設(shè)備故障操作，模擬污水處理廠常見工藝事故處理操作，并可通過參數(shù)調(diào)整產(chǎn)生相應(yīng)的正?；蚬收享憫?yīng)。

實(shí)驗(yàn)軟件有工藝正常運(yùn)行以及開、停車、事故處理等操作，具有情節(jié)、角色等概念的交互式操作系統(tǒng)，2020—2021年疫情期間，承擔(dān)了我院所有在校學(xué)生生產(chǎn)操作實(shí)習(xí)和畢業(yè)實(shí)習(xí)。仿真實(shí)驗(yàn)將正常的工藝操作仿真和事故處理模擬相整合，同時(shí)兼顧中控室里的DCS操作培訓(xùn)、室外操作培訓(xùn)和應(yīng)急預(yù)案處理?xiàng)l例培訓(xùn)等，最終滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課程考核功能等的要求[5-6]。

4 工程實(shí)訓(xùn)與虛擬仿真教學(xué)融合實(shí)施過程

以污水處理廠設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例，該虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目包括：城市污水處理廠3D仿真軟件訓(xùn)練，水處理工藝方案設(shè)計(jì)，基于工程中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，構(gòu)筑物及設(shè)備的改造與管道連接，基于中試平臺(tái)運(yùn)行水處理工藝運(yùn)行調(diào)試直至出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，回到虛擬仿真平臺(tái)實(shí)訓(xùn)操作及水質(zhì)監(jiān)測(cè)。教學(xué)實(shí)施過程如圖2所示。

圖2 教學(xué)實(shí)施過程

1)實(shí)驗(yàn)前。通過對(duì)水污染控制工程等環(huán)境工程專業(yè)核心課程理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握水處理工藝流程理論知識(shí)，學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)際水處理工程項(xiàng)目需求，進(jìn)行水處理方案的比選；學(xué)習(xí)CAD畫圖軟件，我院CAD課程在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室開設(shè)，教師講解CAD課程時(shí)，引入城市污水處理廠3D仿真軟件的講解；最終學(xué)生能夠獨(dú)立畫出水處理單元設(shè)計(jì)圖紙。

2)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。在這一教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師先在中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)和仿真水處理系統(tǒng)上進(jìn)行演示，學(xué)生在虛擬仿真軟件可以很直觀地看清楚水處理工藝流程、運(yùn)行及每個(gè)處理單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)；學(xué)生人手一機(jī)，觀摩學(xué)習(xí)，了解整個(gè)工程運(yùn)行操作規(guī)程與原理，如系統(tǒng)或每個(gè)水處理單元的起停車、故障停車的基本操作、設(shè)備運(yùn)行控制方法、故障查詢操作方法等，學(xué)生可以從外形到內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)；之后學(xué)生在仿真系統(tǒng)上動(dòng)手練習(xí)，模擬與污水處理廠同步的運(yùn)行管理操作，不必?fù)?dān)心對(duì)設(shè)備的損傷，通過反復(fù)的實(shí)操達(dá)到實(shí)踐教學(xué)目的。同時(shí)每個(gè)水處理單元的仿真模型在工程中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)都有原型化的裝置，在仿真訓(xùn)練的基礎(chǔ)上再回到中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，對(duì)原型化處理單元進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，比較與分析，實(shí)踐能力得到螺旋式提升。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生將虛擬仿真與污水處理廠實(shí)習(xí)和工程中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)對(duì)比，掌握污水處理工藝各處理單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理、設(shè)備操作、工序銜接、PLC控制。

3)工程中式實(shí)訓(xùn)。這一教學(xué)環(huán)節(jié)是以設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)水處理工程項(xiàng)目的方式提出教學(xué)任務(wù)：要求學(xué)生根據(jù)待處理的污水水質(zhì)與水量，設(shè)計(jì)并提交水處理工藝方案及其設(shè)計(jì)圖紙，然后在中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是根據(jù)水處理設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)備改造與管道連接，在進(jìn)行工藝的運(yùn)行與參數(shù)調(diào)試，使得最終出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行穩(wěn)定后對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并學(xué)會(huì)基本的PLC遠(yuǎn)程控制。

通過實(shí)際工程中式實(shí)訓(xùn)操作，掌握水處理工藝流程與運(yùn)行操作方法，在工序銜接、流程操作與控制結(jié)果方面，將工程中式實(shí)訓(xùn)操作與虛擬仿真相結(jié)合，了解水處理工程運(yùn)行操作規(guī)程，如系統(tǒng)的起停車、故障停車的基本操作、設(shè)備運(yùn)行控制方法、故障查詢操作方法等，培養(yǎng)學(xué)生的工藝設(shè)計(jì)能力與運(yùn)行管理能力。

5 實(shí)施效果

工程實(shí)訓(xùn)與虛擬仿真教學(xué)融合的實(shí)施，堅(jiān)持了以“工程能力學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向、以學(xué)生為中心”的工程教育認(rèn)證理念，實(shí)現(xiàn)了仿真技術(shù)與工程環(huán)境的靈活切換，調(diào)動(dòng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作積極性，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，在這兩大平臺(tái)上可以完成多項(xiàng)環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，虛實(shí)結(jié)合，達(dá)到知識(shí)、能力培養(yǎng)要求。

在后期的實(shí)踐教學(xué)改革中，還應(yīng)不斷完善仿真教學(xué)軟件的功能，建立針對(duì)水、氣、固廢處理多種工藝系統(tǒng)軟件和工程中式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，建立和完善“理論教學(xué)+虛擬仿真+工程中式實(shí)訓(xùn)操作”的三維教學(xué)模式，保證實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量螺旋式上升。