潘倩?陳華

摘要：基于“雙高計劃”水利水電建筑工程專業(yè)群特色及人才培養(yǎng)方案，依托學科發(fā)展優(yōu)勢和科研平臺，構建了水生態(tài)修復虛擬仿真實訓平臺教學系統(tǒng)，實訓平臺由污染源調(diào)查、水生態(tài)調(diào)查、截污控源及污染治理、水生態(tài)修復、水生態(tài)工程運營維護五個模塊組成。虛擬仿真實訓平臺的應用有效地解決了理論課與實踐聯(lián)系不緊密、實踐技能掌握不到位、學生學習興趣不高、缺乏創(chuàng)新性等諸多現(xiàn)實問題。對教學應用和教學效果進行了探討，以期有助于更有效地利用虛擬仿真實訓項目，真正做到為理論教學提供虛擬素材，為實踐教學提供輔助手段。

關鍵詞：高等職業(yè)院校；水生態(tài)修復；虛擬仿真實訓

一、前言

水生態(tài)修復專業(yè)是多學科交叉融合而成的復合型專業(yè)，涉及環(huán)境工程、水利工程、水污染控制、景觀學等諸多領域[1-2]。受政策效應、社會需求、經(jīng)濟發(fā)展等多因素的協(xié)同驅(qū)動，水生態(tài)修復專業(yè)人才需求激增，水生態(tài)修復領域的推進急需一批具備理論與實踐經(jīng)驗的專業(yè)人才，因此，相關的教學越來越重視學生對復雜工程問題的認知、研判和設計能力，關注學生在實踐中的經(jīng)驗積累，這也進一步提升了實踐教學在培養(yǎng)方案中的權重。

以水生態(tài)修復技術課程的相關實踐為例，傳統(tǒng)的實訓實踐成本高、風險大，實訓尺度下又難以復原工程原貌。加之受到疫情影響，學生外出實踐面臨著較高的風險和不確定性。因此，為保障教學活動的有序進行，有必要設計補償性或替代性方案。虛擬仿真實訓具有成本低、互動性強等優(yōu)勢，已被廣泛應用于相關工程專業(yè)的各類教學和實踐中[3]，教學與實踐必須實現(xiàn)有機融合。虛擬仿真實訓的意義在于通過學科交叉融合，對新專業(yè)、新課程、新理論展開研究與實踐，實現(xiàn)學生專業(yè)實踐能力的成長，同時促進理論與實踐有機銜接，打通專業(yè)學習到實踐實習、職業(yè)實訓到思維創(chuàng)新的發(fā)展隔閡[4]。

深圳市茅洲河生態(tài)治理工程先后入選水利部全面推行河長制湖長制典型案例、生態(tài)環(huán)境部美麗河湖推介案例和廣東省十大美麗河湖案例，形成了一系列可復制、可推廣的水環(huán)境治理和生態(tài)修復經(jīng)驗。本研究以實際的生態(tài)修復工作流程為主線，基于自主探究式、人機交互式、虛實結合式等三種方式結合的教學方法，開發(fā)了我國首個以茅洲河生態(tài)治污典型案例為素材的水生態(tài)修復虛擬仿真實訓。通過仿真實訓操作，學生可對流域生態(tài)修復技術措施有整體、直觀的認識。

基于“雙高計劃”水利水電建筑工程專業(yè)群特色及人才培養(yǎng)方案，依托學科發(fā)展優(yōu)勢和科研平臺，構建了水生態(tài)修復虛擬仿真實訓平臺，在傳統(tǒng)理論教學的基礎上，增加污染源調(diào)查、水生態(tài)調(diào)查、截污控源及污染治理、水生態(tài)修復、水生態(tài)工程運營維護等傳統(tǒng)教學及實訓難以實施的戶外大尺度實訓內(nèi)容，拓寬了高職院校實踐教學的深度和廣度，增加實踐教學趣味性，提高學生的積極性，進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、科研能力等。

二、虛擬仿真實訓平臺建設內(nèi)容

以水生態(tài)修復工程項目實施流程為主線進行開發(fā)，重點包括污染源調(diào)查、水生態(tài)調(diào)查、截污控源及污染治理、水生態(tài)修復、水生態(tài)工程運營維護等五大模塊任務（見圖1）。

（一）污染源調(diào)查模塊

污染源調(diào)查是水生態(tài)修復的基礎性工作，污染源識別、溯源是從業(yè)者的基本技能，本模塊以茅洲河典型斷面為三維場景，學生可以在虛擬空間中漫游（見圖2），在場景漫游中設置各項疑似污染源信息。污染源涉及多類別的點源、面源污染，學生對污染源進行逐一排查、識別，并判斷是否對河流水質(zhì)造成重要的影響（見圖3、圖4），有效提高學生對污染源的調(diào)查方法、理論計算及識別的能力。

（二）水生態(tài)調(diào)查模塊

學生進入虛擬場景后使用調(diào)查工具，調(diào)查水域的水質(zhì)理化指標、水生動物、浮游藻類及水生植物，了解河湖生態(tài)基本狀況，掌握生態(tài)調(diào)查方法，主要內(nèi)容包括以下幾點。布設采樣點：學生根據(jù)提示及采樣規(guī)范在場景中靈活布設采樣點，自主選擇調(diào)查頻次、指標等參數(shù)（見圖5）。采樣工具學習：學生首先學習每個采樣工具的使用方法，然后通過連線考查察，掌握調(diào)查工具使用方法后進入場景使用（見圖6）。樣品采集與保存：選擇一處采樣點作為代表，采集水生動物、浮游藻類及水生植物，以及現(xiàn)場檢測水質(zhì)（水溫、水深、透明度、電導率、pH值、渾濁度、溶解氧等）。學生根據(jù)提供的采樣方法資料，選擇工具和儀器模擬進行樣品采集和現(xiàn)場檢測，教師考查學生對采樣知識和樣品運輸、保存等知識點的掌握情況。

（三）截污控源及污染治理模塊

根據(jù)污染源調(diào)查及水生態(tài)調(diào)查模塊的調(diào)查結果，確定當前的水質(zhì)級別，選擇治理訴求和修復技術方案。重點針對截污納管措施，包括場景中模擬有污水口直排入河流，引導學生進行操作封堵排污口，收集污水至城市污水廠。

同時設置了常見流域污染治理工藝方法進行三維搭建，直至河道生態(tài)分數(shù)達標。底泥清淤：設置不同底泥情況場景，根據(jù)軟件提供的不同清淤手段，包括干法清淤和水下清淤等，學生根據(jù)實際情況選擇合適的清淤方法（見圖7）。曝氣增氧：介紹不同曝氣增氧的形式，學生可調(diào)節(jié)曝氣量，可將曝氣裝置放在河道中任意位置（見圖8）。不同的曝氣量對應相應的三維曝氣效果。

（四）生態(tài)修復模塊

本模塊設置了人工濕地、生態(tài)浮島、人工魚道、生態(tài)護岸等常用的生態(tài)修復技術。以人工濕地修復技術為例，系統(tǒng)地對人工濕地的工藝原理、設計規(guī)范及施工要點進行全面考核，學生可以在三維場景中進行施工建設，包括植物的選擇、填料的設計、防滲層的選擇等。提供三維基礎場景，學生從人工濕地設備模型庫中選擇合適的施工件、設備件拖拽到場景中，完成人工濕地的搭建（見圖9）。搭建完成后計算運行，可以實時查看濕地運行狀態(tài)下的污染物脫除效果參數(shù)，調(diào)整設計參數(shù)，可以得到不同的污染物去除效果參數(shù)（見圖10）。

（五）運營維護模塊

對后期運維過程中可能出現(xiàn)的幾種環(huán)境異常情況進行模擬，異常情況模擬隨機出現(xiàn)，具備操作的靈活性，考查學生對異常情況的應變能力、分析能力和解決能力（見圖11）。異常情況通常包括以下幾點：一是定期進行植被修剪，根據(jù)使用植被的生長規(guī)律制定修剪周期。二是曝氣系統(tǒng)壓力異常，存在的原因應該是管路堵塞或者脫落等情況，需要進行人工干預。三是出水水質(zhì)不達標等綜合性問題，需要對各工段的數(shù)據(jù)進行分析反饋。不同的異常情況對應的河道特點、水質(zhì)數(shù)據(jù)和生態(tài)結構組成靈活變化，具備差異性。

三、虛擬仿真實訓在教學中的應用及效果

（一）教學方案

水生態(tài)系統(tǒng)修復是一項嚴謹而復雜的工程，在實踐中，學生很難在短時間內(nèi)實現(xiàn)流域普查及修復實踐。虛擬仿真實訓教學系統(tǒng)使學生在虛擬場景中進行操作，將復雜、難度大的實訓先通過虛擬仿真軟件進行模擬操作，讓學生進一步掌握水生態(tài)修復技術的要點和難點。同時遵循實際的工作流程主線，細化設計腳本，包括教、學、練、考等流程設計，進行實訓平臺開發(fā)，包括三維模型搭建、虛擬場景布置、flash 動畫制作、路徑動作規(guī)劃等。最后形成水生態(tài)修復技術虛擬仿真實訓平臺，并通過平臺的運用，建立了一套“自評+他評”相結合的新型評價模式，使陌生、抽象的教學內(nèi)容變得直觀具體，增強學生對水生態(tài)修復技術的認識和理解。

（二） 教學效果

按照設計的教學方案，在專業(yè)群以及水生態(tài)修復技術專業(yè)等6個班級中進行了問卷調(diào)查分析（收回248份調(diào)查問卷），效果良好。96.77%的學生認為虛擬仿真實訓對實際工程實踐有所幫助，92.74%的學生認為進行完虛擬仿真實訓后，對水生態(tài)修復的整體流程有更清晰的掌握，99.19%的學生認為更愿意以虛擬仿真實訓教學系統(tǒng)學習方式輔助理論教學開展課程學習。

雖然虛擬仿真實訓系統(tǒng)能夠提高學生對水生態(tài)修復工程應用的整體認識，但完全依賴虛擬仿真平臺教學無法使學生真正掌握水生態(tài)修復技術所要求的全部知識點，無法讓學生產(chǎn)生直觀的印象。因此，課程設計時增設學校周邊水生態(tài)修復工程項目現(xiàn)場戶外踏勘教學，實現(xiàn)虛擬走進現(xiàn)實。

四、結語

虛擬仿真實訓是教育與科技的融合，是教學與科研的滲透，這種“虛實結合、以實補虛、以虛促實”的實踐教學模式有助于學生獲得系統(tǒng)、全面的實訓技能訓練，建立完整的知識體系，拓寬學生視野，促進學生自主學習、協(xié)作學習，增強學生學習能力、思維能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

通過水生態(tài)修復仿真實訓教學，讓學生在高度仿真的場景中開展教、學、練、考，最終實現(xiàn)學生吃透規(guī)范標準、精通工藝、熟練操作，全面提升學生工程應用及綜合設計能力，仿真實訓彌補了由于工程周期長或安全因素無法進行實體工程實訓的遺憾，為靈活多樣性的教學方法改革和探索提供了可能，大幅提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，從而開創(chuàng)虛擬實訓和實體實訓協(xié)同育人的新局面。

參考文獻

[1]呂婕梅.“生態(tài)修復理論與技術”課程教學模式改革探討[J].科教導刊，2023（18）：108-110.

[2]張剛.水生態(tài)修復技術在河道治理中的應用研究[J].城市建設理論研究（電子版），2023（26）：205-207.

[3]魏鵬，劉小輝，羅景輝，等.基于共享虛擬仿真資源的污水處理教學實踐[J].云南化工，2023，50（04）：192-195.

[4]李艷，陳琳，朱福根.國內(nèi)虛擬仿真實訓：現(xiàn)狀、研究及啟示[J].現(xiàn)代遠距離教育：1-13.

基金項目：1.廣東水利電力職業(yè)技術學院“雙高計劃”水利水電建筑工程專業(yè)群建設項目；2.國家級職業(yè)教育教師教學創(chuàng)新團隊——水生態(tài)修復技術專業(yè)（項目編號：CXTD020）

作者單位：潘倩，廣東水利電力職業(yè)技術學院；陳華，廣東省環(huán)保研究總院有限公司

責任編輯：張津平