張 軍，熊欽毅，田 禹

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

環(huán)境類本科專業(yè)是我國工科教育的重要組成部分，目前已形成了較為系統(tǒng)和規(guī)范的教學(xué)體系，其教學(xué)核心為指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握環(huán)境污染治理技術(shù)，其學(xué)科門類復(fù)雜多樣，是一門兼顧綜合性和實踐性的工程技術(shù)學(xué)科，理論與實踐并重。網(wǎng)絡(luò)、智能控制、微電子、計算機等技術(shù)的迅速發(fā)展，為虛擬仿真實驗提供了技術(shù)支撐，使得虛擬仿真實驗教學(xué)理念、模式等得到了進步與發(fā)展，成為現(xiàn)代實驗教學(xué)重要的教學(xué)手段之一[1]?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中強調(diào)，信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，全國高校應(yīng)重視信息技術(shù)方面的基礎(chǔ)教育設(shè)施建設(shè)，將教育信息化舉措推行提升到國家信息化發(fā)展的戰(zhàn)略高度層面，教育信息化的重要性不可忽視。虛擬仿真實驗教學(xué)是教育信息化舉措和高校教學(xué)的重要媒介，是環(huán)境類專業(yè)的學(xué)科知識體系在高等教育信息化建設(shè)背景下的衍生結(jié)果[2-4]。

“水污染控制工程實驗”是環(huán)境工程專業(yè)核心實驗課程和必修課程，要求學(xué)生在掌握污水處理原理和工藝計算原理基礎(chǔ)上，具備物理化學(xué)分析能力和污水處理方案比選能力，以及能夠自主設(shè)計實驗并開展相關(guān)研究驗證、數(shù)據(jù)分析與問題解決能力，該課程對培養(yǎng)學(xué)生實踐能力具有重要作用。但由于該課程自身的特點，傳統(tǒng)演示性實驗教學(xué)、驗證性實驗教學(xué)均難以實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。傳統(tǒng)的“水污染控制工程實驗”課程內(nèi)容因課時和教學(xué)條件的限制被簡化為對反應(yīng)器部分參數(shù)和出水污染物濃度的測定，導(dǎo)致學(xué)生缺乏系統(tǒng)性思維能力和綜合利用知識解決實際復(fù)雜問題的能力。虛擬仿真實驗技術(shù)能夠展示污水處理的全過程，讓學(xué)生更好地掌握污水處理工藝流程和技術(shù)要點[5]。文章以哈爾濱工業(yè)大學(xué)“水污染控制工程實驗”課程為例，進行虛擬仿真教學(xué)改革，探索如何從專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容中挖掘育人元素，開展將虛擬仿真技術(shù)自然融入課程內(nèi)容的實踐與思考。

一、“水污染控制工程實驗”課程教學(xué)改革必要性

利用虛擬仿真技術(shù)進行本科生實驗教學(xué)，即通過計算機技術(shù)構(gòu)建動態(tài)專業(yè)水污染控制工程模型，真實模擬工程中工藝設(shè)備的實際運行情境和操作，在教學(xué)過程中表達出與實物實驗相符的實驗規(guī)律、實驗現(xiàn)象及實驗結(jié)果。在教學(xué)過程中，教師依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)要求和實際反饋的教學(xué)效果，實時組織、統(tǒng)籌或修改教學(xué)環(huán)節(jié)，加強與學(xué)生的互動，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，在短時間內(nèi)通過拓展性和開放性實驗教學(xué)，有針對性地講授水污染控制工程專業(yè)知識，規(guī)避了傳統(tǒng)教學(xué)的諸多弊端，具有較好的實驗教學(xué)效果。教育部公布的信息化行動計劃相關(guān)文件強調(diào)，新時代中國的教育改革要秉承“堅持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合”的理念，實驗教學(xué)信息化發(fā)展是順應(yīng)時代的發(fā)展，是大學(xué)生實驗教學(xué)發(fā)展的必然趨勢。虛擬仿真實驗教學(xué)打破了傳統(tǒng)教學(xué)的瓶頸，是承載實驗教學(xué)信息化的重要載體。

通過虛擬仿真技術(shù)開展本科生實驗教學(xué)工作是近年來高校興起的教學(xué)方式，目前已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代實驗教學(xué)的重要組成部分。在“水污染控制工程實驗”課程教學(xué)中開展虛擬仿真實驗教學(xué)，既是積極響應(yīng)國家關(guān)于提高工程技術(shù)人員實際應(yīng)用能力的要求，也是“水污染控制工程實驗”課程本身發(fā)展的需要。利用虛擬仿真技術(shù)開展實驗教學(xué)，不僅可以加深學(xué)生對水污染控制工程理論知識的理解和掌握，還有利于提升學(xué)生解決實際問題和創(chuàng)新實踐的能力。將傳統(tǒng)實驗教學(xué)、虛擬仿真實驗教學(xué)與理論教學(xué)進行融合，有利于改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，實現(xiàn)教學(xué)模式、教學(xué)手段的變革。

對于高校而言，為了貫徹落實面向?qū)I(yè)國際前沿、面向國家重大需求、面向生態(tài)文明建設(shè)國家戰(zhàn)略的目標(biāo)方針，培養(yǎng)綜合能力突出、具有多維知識框架、能夠解決復(fù)雜工程問題、能夠尊重自然規(guī)律和工程倫理、能夠引領(lǐng)領(lǐng)域發(fā)展的拔尖人才意義重大。近年來，國內(nèi)外多所高校圍繞虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)開展了相關(guān)研究并立項建設(shè)，但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，針對環(huán)境學(xué)科的虛擬仿真優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源平臺建設(shè)實踐非常少。而且，用于專業(yè)的城市水處理系統(tǒng)工藝日趨復(fù)雜，在傳統(tǒng)實物實驗教學(xué)中難以直觀體現(xiàn)設(shè)計運行管理和優(yōu)化過程，學(xué)生在實踐階段難以了解其內(nèi)部構(gòu)造原理，嚴(yán)重影響實驗教學(xué)效果。“水污染控制工程實驗”課程亟須進行虛擬仿真教學(xué)改革。

二、虛擬仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

（一）國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，越來越多的高校和科研機構(gòu)積極構(gòu)建虛擬仿真實驗室。例如，美國密歇根大學(xué)創(chuàng)建了VRCEL 實驗室，核心要義為“設(shè)計專業(yè)化的遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)”，致力于化學(xué)工程專業(yè)領(lǐng)域中虛擬現(xiàn)實應(yīng)用的探索和開發(fā)工作[6]；德國漢諾威大學(xué)建立了虛擬自動化工作平臺；意大利帕多瓦大學(xué)成立了用于遠(yuǎn)程虛擬教育的實驗室；新加坡國立大學(xué)研發(fā)了可進行示波器實驗和壓力容器實驗的遠(yuǎn)程實驗室；J.巴爾吉斯（J.Barjis）等人將虛擬仿真技術(shù)與游戲?qū)W習(xí)模式相結(jié)合用于課程教學(xué)中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率[7]。

（二）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，以虛擬仿真為基礎(chǔ)的專業(yè)實驗教學(xué)平臺建設(shè)工作已在國內(nèi)多所高校如火如荼地開展，哈爾濱工業(yè)大學(xué)亦在開發(fā)國家級在線虛擬仿真實驗教學(xué)項目建設(shè)方面取得了優(yōu)秀成果。虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用越來越廣泛。目前，很多有實力的高校帶頭建立了虛擬仿真實驗室。例如，清華大學(xué)開發(fā)了汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)虛擬仿真實驗室；華中科技大學(xué)機械學(xué)院創(chuàng)建了工程測試實驗室；四川大學(xué)開發(fā)航空電臺二線綜合測試儀等。楊宏、李國輝等人針對當(dāng)前很多高校存在的實驗教學(xué)設(shè)備老舊、缺乏經(jīng)費支持建設(shè)、規(guī)模小等問題，提出建設(shè)基于LabVIEW的虛擬實驗平臺的設(shè)想，并進行實例分析，證實該平臺在實際運行中克服了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的弊端，并且教學(xué)效果良好[8]；葉小英提出構(gòu)建虛擬實驗學(xué)習(xí)圈模型，創(chuàng)造性地將遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)圈理論運用于虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)指標(biāo)量化的教學(xué)效果評估[9]。但目前針對環(huán)境學(xué)科水處理專業(yè)開展虛擬仿真優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源平臺建設(shè)工作的高校依然不多。隨著學(xué)科建設(shè)和發(fā)展的需要，環(huán)境學(xué)科虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建將對未來學(xué)科的發(fā)展起到重要的推動作用。

三“水污染控制工程實驗”課程概述

（一）傳統(tǒng)“水污染控制工程實驗”教學(xué)

“水污染控制工程實驗”是環(huán)境類專業(yè)核心課“水污染控制工程”的衍生獨立實驗課程，教學(xué)內(nèi)容涵蓋物理、化學(xué)、生物等多門學(xué)科相關(guān)水處理工藝知識，旨在讓學(xué)生通過實驗鞏固和理解課堂教授的內(nèi)容，深化對水污染控制工程中物化、生化處理工藝過程原理的學(xué)習(xí)和理解，掌握一般水處理實驗?zāi)芰皟x器和設(shè)備的使用方法，能夠獨立設(shè)計實驗方案和組織實驗，掌握數(shù)據(jù)處理方法，提升實驗操作、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，能夠應(yīng)對水污染控制的實際問題。實驗教學(xué)與理論教學(xué)聯(lián)系緊密，學(xué)生能夠進一步理解理論教學(xué)的內(nèi)容，快速轉(zhuǎn)化為操作技能，提升課堂趣味性，通過實驗教學(xué)鞏固加強理論教學(xué)的教學(xué)效果。

（二）課程的不足之處

傳統(tǒng)“水污染控制工程實驗”課程教學(xué)模式，能夠使學(xué)生實際接觸污水處理模型工藝，使其直接進行實驗并觀察，但同時也存在諸多因素限制學(xué)生更好地掌握實驗操作技能。例如，傳統(tǒng)“水污染控制工程實驗”課程教學(xué)存在工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備占地面積大、臺套數(shù)少，生物處理工藝類實驗的實驗周期長等問題，導(dǎo)致學(xué)生在課程中并不能充分地開展實驗；同時，教師工程理念欠缺、知識迭代遲緩，使得傳統(tǒng)實驗教學(xué)無法充分體現(xiàn)前沿水處理工藝。2019年，突如其來的新冠疫情對我國高校授課模式，尤其是對實驗課程授課模式產(chǎn)生較大影響，如傳統(tǒng)的單純線下操作授課方式面對突發(fā)事件較為被動且授課效果不理想，影響課程實驗考核的公平、公正，而且傳統(tǒng)實物實驗教學(xué)可能涉及危險化學(xué)品，教學(xué)管理困難甚至?xí)斐啥挝廴镜取?/p>

傳統(tǒng)“水污染控制工程實驗”課程的實物實驗教學(xué)，使學(xué)生的認(rèn)識止步于指標(biāo)測定，諸多因素導(dǎo)致學(xué)生無法深入操作探討工藝的性能，對學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)尚有欠缺，無法滿足學(xué)生能力培養(yǎng)需求。

四、虛擬仿真技術(shù)在“水污染控制工程實驗”課程中的具體改革實踐

“水污染控制工程實驗”課程擬采用線下課堂動手操作與線上虛擬仿真平臺綜合設(shè)計相結(jié)合的授課新思路。一方面，學(xué)生能通過線上虛擬仿真平臺，實現(xiàn)實驗設(shè)備的可視化，了解設(shè)備原理，學(xué)會設(shè)計實驗操作方法，能夠保質(zhì)保量完成學(xué)習(xí)任務(wù)（圖1）。另一方面，學(xué)生能在學(xué)習(xí)過程中，運用理論與實踐相結(jié)合的方法解決實際問題，通過線上與線下全覆蓋，深刻理解污水處理方法與實驗操作方法。線上實驗?zāi)鼙ＷC學(xué)生按時完成預(yù)習(xí)工作，減少實際實驗過程中的操作錯誤，降低因操作錯誤導(dǎo)致的藥劑浪費和設(shè)備損壞等。線下實驗?zāi)芴嵘龑W(xué)生的儀器操作能力，有利于學(xué)生掌握設(shè)備使用方法，并對某些可能遇到的問題有直接、深刻的理解，能夠設(shè)計解決方案。通過課程建設(shè)，力爭構(gòu)建理論教學(xué)、傳統(tǒng)實驗、虛擬仿真“齊頭并進”的教學(xué)新模式，提高學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力。

圖1 虛擬仿真實景畫面

高校應(yīng)通過加強虛擬仿真實驗建設(shè)與管理，充分利用虛擬仿真“智能＋教育”這一發(fā)展新趨勢，深入貫徹落實教育部相關(guān)文件精神，開展環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)典型課程虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用研究與實踐，持續(xù)改進和完善教學(xué)過程，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，探索并實踐新時代高校虛擬仿真教學(xué)的建設(shè)思路與途徑。

（一）虛擬污水處理廠綜合設(shè)計實驗內(nèi)容

“水污染控制工程實驗”課程將水污染處理作為核心內(nèi)容，以學(xué)生為中心，以水體水質(zhì)凈化結(jié)果為導(dǎo)向，根據(jù)“水污染控制工程”課程的教學(xué)目標(biāo)要求，構(gòu)建污水處理虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。具體實驗要求如下。（1）學(xué)生在虛擬場景中學(xué)習(xí)我國污水處理的政策與現(xiàn)狀、污水處理的基本原理，了解污水處理系統(tǒng)的類型和適用范圍。（2）進行污水工藝流程搭建和參數(shù)設(shè)計、污水處理系統(tǒng)正常開車和參數(shù)的調(diào)節(jié)。（3）虛擬仿真平臺的unity3D 和Adobe Flash 技術(shù)可以全景模擬實際污水處理廠，顯示各污水處理系統(tǒng)單元和設(shè)備的布局、閥門開關(guān)情況、儀表示數(shù)，學(xué)生可以在模擬場景中自由走動，調(diào)節(jié)3D 界面下閥門的開關(guān)情況及在真實污水處理廠DCS 操作界面下的運行參數(shù)。工藝流程設(shè)計環(huán)節(jié)將污水處理系統(tǒng)3D 化、可視化，強化學(xué)生對各處理系統(tǒng)單元的結(jié)構(gòu)和污水處理廠平面布置的感知。

“水污染控制工程實驗”課程虛擬仿真改革中典型污水處理廠3D 內(nèi)容設(shè)置包括：AAO 處理工藝正常開車工況（粗格柵/細(xì)格柵/爆氣沉砂池/初沉池/生物池/二沉池/加氯加藥間/V 型濾池/加氯接觸池/紫外消毒間/污泥脫水間）設(shè)計參數(shù)及操作、多點進水的倒置AAO 運行方式工況調(diào)整前/后設(shè)計參數(shù)及操作、生物池DO 異常工況調(diào)整前/后設(shè)計參數(shù)及操作、濾池反沖洗工況調(diào)整前/后設(shè)計參數(shù)及操作、調(diào)節(jié)內(nèi)回流比為100%工況調(diào)整前/后設(shè)計參數(shù)及操作、出水余氯過低工況調(diào)整前/后設(shè)計參數(shù)及操作、總磷超標(biāo)工況調(diào)整前/后設(shè)計參數(shù)及操作。

（二）“水污染控制工程實驗”課程上機內(nèi)容

“水污染控制工程實驗”課程教學(xué)模式采用線上與線下相結(jié)合的實驗授課形式，有利于學(xué)生在實驗過程中全方位體驗污水處理的全流程，強化理論知識與實踐技能，從而全面系統(tǒng)地培養(yǎng)工程思維能力。課程分為兩部分內(nèi)容，依據(jù)學(xué)生的實際操作情況評分，考核學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識，以及實驗操作、工藝設(shè)計和工程實踐等能力?！八廴究刂乒こ虒嶒灐闭n程上機內(nèi)容分為2 個模塊：線下課堂動手操作模塊（表1）和線上虛擬仿真平臺綜合設(shè)計模塊（表2）。

表1 線下課堂動手操作模塊

表2 線上虛擬仿真平臺綜合設(shè)計模塊

首先是線下課堂動手操作模塊，包括自由沉淀實驗、混凝實驗、污泥性能測定實驗、完全混合活性污泥法實驗、鼓風(fēng)曝氣充氧實驗5 個動手實驗，以及水樣的采集與保存實驗、污泥細(xì)菌總數(shù)的測定實驗、總大腸桿菌的測定實驗、總氮的測定實驗、總磷的測定實驗5 個虛擬仿真操作實驗。教師通過虛擬仿真技術(shù)平臺，落實“水污染控制工程實驗”課程理論與實踐并重的教學(xué)理念，堅持虛實結(jié)合的原則，提升實驗的綜合性、靈活性和復(fù)雜度，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，切實改進教學(xué)效果。其次是線上虛擬仿真平臺綜合設(shè)計模塊，包括認(rèn)識實習(xí)、傾斜攝影仿真、水質(zhì)需求導(dǎo)入、工藝設(shè)計與優(yōu)化、虛擬污水處理廠綜合設(shè)計實驗（倒置AAO 工藝流程、典型污水處理廠3D）等一系列實驗項目?；谔摂M仿真實驗平臺，學(xué)生可以針對污水處理實驗開展耗時長、較復(fù)雜的驗證性實驗，借助虛擬仿真平臺實現(xiàn)對系統(tǒng)動態(tài)變化的觀察。

（三）培訓(xùn)內(nèi)容

環(huán)境學(xué)科虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)具有創(chuàng)新性。針對國內(nèi)高校環(huán)境工程專業(yè)本科生實驗課程教學(xué)特點，哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)庫等信息技術(shù)，將科研成果與實踐教學(xué)緊密結(jié)合，建設(shè)涵蓋傳統(tǒng)環(huán)境工程專業(yè)實驗教學(xué)方法的具有先進性和前瞻性的高校環(huán)境工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)體系。培訓(xùn)內(nèi)容包括認(rèn)識學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)2 個部分。參課學(xué)生首先在虛擬仿真技術(shù)平臺了解和熟悉污水處理生產(chǎn)工藝流程，掌握生產(chǎn)過程中各單元操作的特點。然后再進行生產(chǎn)實習(xí)，包括正常開車、好氧池曝氣量調(diào)節(jié)、污泥內(nèi)回流量調(diào)節(jié)、沉淀池排泥撇渣、總氮超標(biāo)、來水SS 超標(biāo)、總磷超標(biāo)、COD 超標(biāo)、污泥膨脹、濾池反沖洗等。

“水污染控制工程實驗”課程工程背景強、復(fù)雜度高、綜合性強，是環(huán)境類專業(yè)的重要核心課程“水污染控制工程”的衍生實驗課程，其傳統(tǒng)教學(xué)模式由于各方面限制，具有一定的局限性。依托虛擬仿真實驗平臺開展教學(xué)，有利于實現(xiàn)對傳統(tǒng)實物實驗教學(xué)限制的突破?！八廴究刂乒こ虒嶒灐闭n程虛擬仿真技術(shù)改革既提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又有助于提升學(xué)生解決實際水污染控制工程問題的綜合能力。虛擬仿真技術(shù)為培養(yǎng)綜合型、創(chuàng)新型人才奠定了基礎(chǔ)，未來虛擬仿真技術(shù)在“水污染控制工程實驗”課程中的應(yīng)用將進一步發(fā)展和完善。