工程創新型人才培養虛擬仿真平臺體系構建

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［摘要］以《農業環境保護》課程中污水處理實驗教學為例，促進理論與實踐的有機結合，基于虛擬仿真實驗使學生直觀地掌握工程技術實驗過程中的基本方法，培養學生分析問題和解決實際工程問題的能力，為當前大學生工程技術創新能力培養提供教學新方法、新途徑。

［關鍵詞］工程技術；創新能力；實踐教學；虛擬仿真

隨著現代教育技術發展，虛擬仿真技術被引進到各大高校實踐教學之中，在工程技術類專業教學中發揮著重要作用。農業環境保護是一門與再生資源能源技術、化學工程、材料工程、生物學、經濟學、管理學等多門學科都有交叉的綜合性學科[1]。在目前的教學方案中，實驗和實習等實踐環節已經貫穿整個教學過程，在培養學生工程意識、科學求實與創新精神，提高學生工程實踐能力和綜合素質發揮重要作用，為環保行業發展中復合型、創新型人才培養奠定基礎[2]。污水處理是農業環境保護課程教學中的核心內容，其處理工藝流程與設備構造在教學中難以直觀體現，加之其影響因素極端復雜，學生難以把握現象全貌。為了改善這個弊端，采用虛擬仿真實訓結合實際操作進行學生的培訓，以其逼真的“現實”感牢牢吸引學生，將情景教學與探討問題導向式教學法進行融合，使學生帶著問題邊體驗、邊學習，發揮潛能，提高解決問題能力，從而改變傳統教學模式，實現綠色實驗教學。

一、虛擬仿真技術在污水處理實踐教學中應用

學生可在污水處理實訓基地與虛擬仿真軟件間穿梭，充分體驗現實與虛擬優勢互補帶來的操作滿足感。可進一步提高學生實踐操作能力，分析問題解決問題以及創新能力，從而真正的掌握操控處理設備技術。

（一）構建高度仿真的虛擬工廠環境、能實不虛，虛實結合，激發學生興趣實現綠色實驗教學以實際生產工藝為原型，根據污水廠工藝流程的實際情況，使學生深入到模擬現場進行實際操作，以動態形式逼真地展示廠區內概況、工程相關設備的內部構造、工作原理以及相關工藝流程的動態演示等。綜合訓練學生對于流程工藝、環保設備、分析儀表、系統控制、電氣操作等方面的能力。憑借虛擬現實、多媒體、大數據和網絡通信等技術，讓學生在虛擬環境中開展學習和實驗，了解設備運行時內部狀態、人機互動，加深學生對相關知識的理解，激發創新思維與興趣，降低實驗成本、減少環境污染，提高實踐環節的教學質量，有效開展綠色實驗教學。

（二）虛擬平臺自動化控制，教師學生自主設計，開展自主研究活動，培養學生工程應用能力，建立科研創新理念通過校內工程模擬實驗平臺專業實驗的訓練，實時展現污水處理的過程與現象，包含了污水處理廠的兩個工藝，即A2O和AB兩套工藝，同時設計了深度處理、污泥處理與回流及水質監測與分析等單元，讓學生初步建立起工程概念。采用3D場景模擬污水處理現場的實際狀態，教師學生可以自主設置各種可能的選項、障礙、問題，引導學生對所出現故障緊急采取應對措施，逐步熟悉和掌握潔凈區管理、生產崗位操作、污水處理中污水指標的檢驗操作。通過問題模式激發學生興趣，提高解決問題能力，為環保企業培養應用型，創新型，技術性人才奠定基礎。

（三）系統的模塊式知識點訓練，仿真練習與考核，輔助教學，豐富教材內容，提高實驗教學質量設計了系統的知識點模塊，包含有豐富的教學素材，借助文字、圖片、flash、三維模型、音頻、視頻等形式，對水處理工藝設計與水質指標標準評價等相關知識進行講解。通過模擬仿真系統，了解原本書本中二維圖片和文字描述的情景，改變原有的理論強而實踐弱的缺陷，能夠在原有理論基礎上，進一步地提高學生實踐操作能力，了解未來用人單位對人才所應具備的能力的真實需求，實現了模擬仿真軟件輔助教學的功能。通過虛實結合，有效訓練了學生創新實驗和解決實際問題的能力，使理論知識更好的應用于實踐，提高實驗教學質量。

二、污水處理虛擬仿真實驗教學體系與模塊組成

污水處理虛擬仿真實驗堅持“能實不虛”的原則，從污水處理設備單元操作的實際出發，將實驗教學中無法觀察到的現象及實施困難、高危、高成本、高污染的單元操作采用3D虛擬仿真的形式整體展現。在教學中，采用線上線下相結合的方式，在線統計學生在虛擬仿真實驗中出現的問題，在課堂或實驗現場中進行深入講解，實現虛擬與現實實驗教學之間的良性互動和互相促進。加深學生對污水處理基本單元操作中理論知識的理解，調動學生學習積極性，發揮潛能提高自主學習意識，提高教學質量與效果，滿足本科教學需要，污水處理中虛擬仿真實驗共分4個教學模塊，以不同模式展現給學生。

（一）A2O工藝虛擬仿真模塊A2O法又稱AAO法，是英文Anaerobic-Anoxic-Ox-ic第一個字母的簡稱（厭氧—缺氧—好氧法），是一種常用的污水處理工藝，可用于二級污水處理或三級污水處理，以及中水回用，具有良好的脫氮除磷效果。主要包括四種構筑設備：粗格柵、細格柵、曝氣沉砂池、生物反應器、厭氧反應器，原污水與從沉淀池排出的含磷回流污泥同步進入，本反應器主要功能是釋放磷，同時部分有機物進行氨化；缺氧反應器，首要功能是脫氮，硝態氮是通過內循環由好氧反應器送來的，循環的混合液量較大，一般為2Q；好氧反應器—曝氣池，這一反應單元是多功能的，去除BOD，硝化和吸收磷等均在此處進行。混合液從這里回流到缺氧反應器。

（二）AB工藝虛擬仿真模塊在AB工藝虛擬仿真模塊中主要包括粗格柵、細格柵和曝氣沉砂池；A段曝氣池工藝將曝氣池分為高低負荷兩段，各有獨立的沉淀和污泥回流系統。高負荷段（A段）停留時間約20～40分鐘，以生物絮凝吸附作用為主，同時發生不完全氧化反應，生物主要為短世代的細菌群落，去除BOD達50%以上；中沉池及T型氧化溝工藝處理的整個過程如進水、曝氣、沉淀、污泥穩定和出水等全部集中在氧化溝內完成，最早的氧化溝不需另設初次沉淀池、二次沉淀池和污泥回流設備。學生以可操作模式和飛行模式之間自由切換，在飛行模式下，學員可自由游覽廠區，了解廠區總布局。

（三）教師評價模塊體系教師可通過仿真軟件布置作業、處理故障、操作時長等場景，仿真崗位中選擇對學生進行目的性實驗教學和考核評價，感受真實，加深印象，可以通過考核模塊分析學生成績，指導學生更深入地學習實踐技能知識，理解污染處理工藝過程和構筑物設計原理，了解生產第一線的操作過程與操作技能，培養學生運用理論知識分析問題、解決工程實際問題的能力，使實驗教學更好的服務于社會。

三、結語

虛擬仿真實驗項目進一步完善與豐富課堂教學與工程實踐內容，多維度呈現學習和訓練內容，不斷改進虛擬仿真時空環境從視覺、聽覺和動覺上吸引學生，激發學習者的學習興趣。為使用者開啟自選模式，為其目的性實驗滿足實驗條件，讓學生在完全開放的實驗環境下完成綜合實訓，進一步提高學生的分析和解決問題能力，使學生真正了解工程技術實踐與流程，最終達到提升學生自主設計和創新實踐的能力。與此同時，可實現構建教育最大化的資源共享平臺，將打造為一個學科融合、網絡共享虛擬仿真綜合實踐基地，面向全社會高校和企業培訓員工開放使用，為全國范圍內環保企業員工提供培訓和考核平臺，全面提升教育資源利用率。未來我們將更好的利用虛擬仿真教學資源，滿足多地區、多學校、不同學科專業的教學需求。

參考文獻

［1］虎保成.論新時期高職院校教師隊伍建設的途徑與措施［J］.中國科教創新導刊,2012(10):35-36.

［2］劉健.創新性應用型人才綜合培養體系探析［J］.東莞理工學院學報,2010(4):108-112.

作者：董微巍 李光春 樸春香 梁運江 馮健 單位：延邊大學