張磊，周紅星

（唐山學(xué)院土木工程學(xué)院，河北唐山 063000）

1 研究背景

教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定給排水科學(xué)與工程專業(yè)的人才應(yīng)掌握解決給水排水工程問題的理論和方法，具有應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力[1]。為實(shí)現(xiàn)這一人才目標(biāo)，必須強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)踐教學(xué)是理論教學(xué)的延伸，是培養(yǎng)學(xué)生工程能力的重要環(huán)節(jié)，是促進(jìn)學(xué)生知識(shí)和工程實(shí)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(qiáng)[3-4]，往往在實(shí)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(shù)在專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中有著顯著的意義。

唐山學(xué)院的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)素質(zhì)高、能力強(qiáng)的高級(jí)應(yīng)用型人才，隨著相關(guān)教學(xué)改革工作的進(jìn)行，給排水科學(xué)與工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)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(shù)進(jìn)行專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的探索和改革顯得尤為緊迫。

2 實(shí)踐教學(xué)引入虛擬仿真技術(shù)的背景

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

2.1 實(shí)踐基地不易尋找，實(shí)踐工作不深入

給排水專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)的地點(diǎn)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(shè)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(xué)生進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)。目前慶南水廠、北控水務(wù)集團(tuán)和至鼎集團(tuán)等企業(yè)為學(xué)生提供了一些實(shí)習(xí)基地，但是整體來說實(shí)習(xí)基地的數(shù)量偏少，個(gè)別時(shí)候同一批學(xué)生在不同的實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)會(huì)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(xué)生參觀認(rèn)知實(shí)習(xí)，很難真正給學(xué)生提供動(dòng)手操作的實(shí)踐機(jī)會(huì)，實(shí)習(xí)多流于形式，實(shí)踐逐漸變成了參觀[6]。

2.2 實(shí)踐設(shè)備運(yùn)行周期長，數(shù)量受限制

為了實(shí)踐環(huán)節(jié)的進(jìn)行，學(xué)院采購了給水處理技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和水環(huán)境檢測與治理技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2 種實(shí)訓(xùn)設(shè)備，通過實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的操作，可以培養(yǎng)學(xué)生水處理工藝設(shè)計(jì)與管道連接能力、構(gòu)筑物的調(diào)試和運(yùn)行管理能力。但是，這些設(shè)備的運(yùn)行周期較長，學(xué)生在對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)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(gè)小時(shí)甚至是幾十個(gè)小時(shí)的運(yùn)行才能觀察到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具有一定的滯后性。而且實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)各購買了2套，學(xué)生需要分組分批次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增加了教師的工作量，個(gè)別學(xué)生也會(huì)出現(xiàn)依賴同組同學(xué)的偷懶現(xiàn)象，降低了實(shí)習(xí)的效果。

2.3 特殊情況下，傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)無法開展

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

3 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的探索

給排水科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生在本科期間要經(jīng)過認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、專業(yè)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)實(shí)習(xí)4 個(gè)實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)，以認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)為切入點(diǎn)，引入了虛擬仿真技術(shù)。這2 個(gè)環(huán)節(jié)引入的虛擬仿真實(shí)踐項(xiàng)目為城市給水廠3D 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真和城市污水廠3D 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。虛擬仿真軟件具有學(xué)習(xí)、練習(xí)和考核3 種模式，教師可以控制學(xué)生端開展相應(yīng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。在學(xué)習(xí)模式學(xué)生可以對(duì)各個(gè)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)、運(yùn)行過程進(jìn)行全面的觀察，對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行拆分，并對(duì)涉及到的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的學(xué)習(xí)。在練習(xí)模式可以根據(jù)軟件提示完成水處理流程的各個(gè)操作步驟，實(shí)時(shí)觀察到相應(yīng)的處理結(jié)果，生成報(bào)告，學(xué)生可以在報(bào)告中查看自己操作時(shí)出錯(cuò)的步驟，進(jìn)行有針對(duì)性的改正練習(xí)。在練習(xí)模式軟件不限制操作次數(shù)，學(xué)生可進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，鞏固學(xué)習(xí)效果。在考核模式軟件將隱藏知識(shí)點(diǎn)和操作步驟提示，系統(tǒng)自動(dòng)生成個(gè)性化的實(shí)踐考核試題，對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)和實(shí)際操作的考核，并根據(jù)考核情況進(jìn)行成績核算。

3.1 認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)

認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)開設(shè)于大學(xué)一年級(jí)第二學(xué)期，時(shí)長2 周，是為了培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，學(xué)生第一次從專業(yè)角度認(rèn)識(shí)工程實(shí)體，對(duì)學(xué)生的影響僅是形象塑造而非實(shí)踐能力培養(yǎng)[7]。在這一環(huán)節(jié)安排學(xué)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(xué)生對(duì)給水廠和污水廠有了一個(gè)整體的認(rèn)知，觀察到一些處理構(gòu)筑物的外觀，受水廠實(shí)際工作運(yùn)行環(huán)境的限制，學(xué)生只能通過技術(shù)人員的文字描述來想象水處理構(gòu)筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理和工作方式。在虛擬仿真軟件實(shí)踐中，教師先利用軟件對(duì)水廠進(jìn)行講解，學(xué)生通過3D 視圖可以從任意角度對(duì)水廠的各個(gè)構(gòu)筑物和管道連接情況、構(gòu)筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致的觀察，隨意進(jìn)行部件的拆分，配合動(dòng)畫的方式對(duì)工作原理進(jìn)行深入的理解，學(xué)習(xí)涉及到的專業(yè)知識(shí)，通過反復(fù)練習(xí)進(jìn)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(jìn)行認(rèn)知考核。

3.2 生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)

生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)開設(shè)于大學(xué)四年級(jí)第一學(xué)期，時(shí)長1 周，屬于強(qiáng)化的實(shí)踐環(huán)節(jié)，是進(jìn)一步提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)工程技術(shù)、對(duì)接工程實(shí)體的基本手段[8]。在這一環(huán)節(jié)安排學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的給水處理技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和水環(huán)境監(jiān)測與治理技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了給水廠和污水廠處理工藝的實(shí)際操作，通過調(diào)整運(yùn)行工況，得到不同的水質(zhì)處理結(jié)果。由于水處理構(gòu)筑物的處理運(yùn)行需要一定的時(shí)間，每次工藝參數(shù)調(diào)整后都需要一段時(shí)間才能得到水處理結(jié)果，受實(shí)訓(xùn)時(shí)間、設(shè)備數(shù)量和學(xué)生人數(shù)的限制，學(xué)生難以進(jìn)行所有常見運(yùn)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(gòu)筑物工況調(diào)整。另外，由于學(xué)生對(duì)設(shè)備操作的不熟練，個(gè)別的實(shí)驗(yàn)組操作步驟不正確，沒有得到預(yù)期的結(jié)果。

在虛擬仿真軟件中，生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)部分包括水廠正常工藝運(yùn)行和事故工況處理2 部分內(nèi)容。軟件以一座設(shè)計(jì)水量20 萬m3/d 的生活污水處理廠為依托，在正常工藝運(yùn)行環(huán)節(jié)，要求學(xué)生將進(jìn)水量調(diào)整到設(shè)計(jì)水量，并按照合理的操作步驟、操作順序完成整個(gè)污水處理工藝的啟動(dòng)運(yùn)行，讓各個(gè)構(gòu)筑物正常運(yùn)轉(zhuǎn)，水廠的二級(jí)處理出水滿足GB 18918—2002 中一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)；在事故處理環(huán)節(jié)，要求學(xué)生查看各處理單元運(yùn)行情況，根據(jù)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)及DCS 工藝指標(biāo)，判斷事故原因，通過調(diào)整運(yùn)行工況進(jìn)行解決。

3.3 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

虛擬仿真軟件系統(tǒng)擺脫了時(shí)間和空間的限制，整個(gè)專業(yè)幾十名學(xué)生能同時(shí)開展實(shí)習(xí)項(xiàng)目，系統(tǒng)中項(xiàng)目的設(shè)置類似于游戲的通關(guān)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，目前已經(jīng)在唐山學(xué)院給排水專業(yè)三屆學(xué)生中開展了虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)，以問卷的方式對(duì)學(xué)生對(duì)虛擬仿真的態(tài)度和教學(xué)效果進(jìn)行了反饋調(diào)查，共收集到了有效調(diào)查問卷205 份。在學(xué)生態(tài)度方面，從問卷調(diào)查結(jié)果可以得出，學(xué)生對(duì)于實(shí)踐環(huán)節(jié)引入虛擬仿真技術(shù)的接受度很高，92%以上的學(xué)生認(rèn)為有必要開展虛擬仿真教學(xué)，而且學(xué)生對(duì)這種教學(xué)的適應(yīng)性很強(qiáng)，86.92%（178 名）的學(xué)生表示非常適應(yīng)虛擬仿真實(shí)踐過程，6.90%（16 名）的學(xué)生表示適應(yīng)，僅6.18%（11 名）的學(xué)生不太適應(yīng)這一實(shí)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(xué)生均是第一次接觸虛擬仿真技術(shù)，對(duì)仿真系統(tǒng)的操作陌生，這導(dǎo)致一些接受新鮮事物能力比較弱的學(xué)生出現(xiàn)了不太適應(yīng)的情況；另一方面虛擬仿真軟件不能100%還原現(xiàn)實(shí)場景，同時(shí)一些操作步驟和數(shù)據(jù)已經(jīng)默認(rèn)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)部分原理和數(shù)據(jù)缺乏足夠理解的必要性，有些學(xué)生整個(gè)操作流程結(jié)束之后也不太明白自己的實(shí)訓(xùn)過程，這也導(dǎo)致了學(xué)生不太適應(yīng)。學(xué)生對(duì)虛擬仿真技術(shù)喜歡程度的調(diào)查結(jié)果與適應(yīng)性的調(diào)查結(jié)果基本一致。在教學(xué)效果方面，由問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出，虛擬仿真技術(shù)的引入總體上提升了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。有共91.81%（188 名）的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真技術(shù)的引入，提高了自主學(xué)習(xí)能力，參與感和積極性得到了較大提升。這是因?yàn)橐酝R(shí)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(jìn)行，虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生動(dòng)手操作，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)手段的升級(jí)，提供了多元化的學(xué)習(xí)途徑，類似于游戲通關(guān)的項(xiàng)目設(shè)置，增強(qiáng)了實(shí)訓(xùn)的娛樂性，更加吸引學(xué)生，引導(dǎo)其主動(dòng)探索實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目內(nèi)容，教學(xué)中一直強(qiáng)調(diào)的“自主學(xué)習(xí)”得到了實(shí)現(xiàn)。但是，由于軟件在還原真實(shí)場景方面還有不足，所以在能反映真實(shí)情況調(diào)查中僅有56.25%（115 名）的學(xué)生同意，這也是虛擬仿真技術(shù)本身具有的局限性，尤其是學(xué)生在對(duì)實(shí)際工程和構(gòu)筑物實(shí)物不了解的情況下，很難將其與虛擬軟件中的模型對(duì)應(yīng)起來，因此在實(shí)踐教學(xué)中要采用“虛實(shí)”結(jié)合的方法進(jìn)行，通過實(shí)物增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)。在虛擬仿真軟件中，學(xué)生可以看到各個(gè)構(gòu)筑物在不同工作狀態(tài)下內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)，結(jié)合整個(gè)工藝流程進(jìn)一步理解其在處理工藝中所起的作用，還可以針對(duì)不同進(jìn)水水質(zhì)情況，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)觀察處理結(jié)果，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行反復(fù)的工況運(yùn)行和事故處理練習(xí)，這是傳統(tǒng)教學(xué)方式無法實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)查中較大比例的同學(xué)可以“完全”或者“大部分”掌握構(gòu)筑物的運(yùn)行操作，有93.08%（191 名）的同學(xué)通過虛擬仿真技術(shù)提高了自身實(shí)踐能力。

4 總結(jié)

實(shí)踐教學(xué)在給排水科學(xué)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(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)2 個(gè)環(huán)節(jié)為例，闡述了將虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行結(jié)合的探索。綜合來說，虛擬仿真技術(shù)的引入豐富了實(shí)踐教學(xué)模式，完善了實(shí)踐教學(xué)過程考核和成績評(píng)定規(guī)則[10]，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生工程應(yīng)用和實(shí)踐能力的提高。引入虛擬仿真技術(shù)的時(shí)候需要注意虛擬技術(shù)具有一定的局限性。首先是軟件的評(píng)分考核不夠完善，沒有將構(gòu)筑物的操作順序納入評(píng)分項(xiàng)，而實(shí)際工程中不嚴(yán)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(jìn)行實(shí)踐與利用實(shí)物進(jìn)行工程實(shí)訓(xùn)相比較在一定程度上弱化了學(xué)生對(duì)構(gòu)筑物運(yùn)行性能和參數(shù)的了解，降低了誤差分析能力，在傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)中，不同組學(xué)生的實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)會(huì)有差異，而在仿真軟件中，運(yùn)行數(shù)據(jù)和處理結(jié)果系統(tǒng)已經(jīng)默認(rèn)設(shè)置好，按照操作步驟完成，所有人都會(huì)得到同樣的實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)，并且某一環(huán)節(jié)操作失敗，可以迅速重新進(jìn)行，實(shí)時(shí)得到數(shù)據(jù)結(jié)果。最后是它對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的鍛煉是比較有限的，尤其是在學(xué)生對(duì)實(shí)際構(gòu)筑物不了解的情況下，很難將實(shí)物和仿真模型對(duì)應(yīng)起來，因此，在進(jìn)行實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的時(shí)候，要充分利用傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方式和虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用虛擬技術(shù)與實(shí)際操作相結(jié)合，“虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)”的方式進(jìn)行。