工程创新型人才培养虚拟仿真平台体系构建

［摘要］以《农业环境保护》课程中污水处理实验教学为例，促进理论与实践的有机结合，基于虚拟仿真实验使学生直观地掌握工程技术实验过程中的基本方法，培养学生分析问题和解决实际工程问题的能力，为当前大学生工程技术创新能力培养提供教学新方法、新途径。

［关键词］工程技术；创新能力；实践教学；虚拟仿真

随着现代教育技术发展，虚拟仿真技术被引进到各大高校实践教学之中，在工程技术类专业教学中发挥着重要作用。农业环境保护是一门与再生资源能源技术、化学工程、材料工程、生物学、经济学、管理学等多门学科都有交叉的综合性学科[1]。在目前的教学方案中，实验和实习等实践环节已经贯穿整个教学过程，在培养学生工程意识、科学求实与创新精神，提高学生工程实践能力和综合素质发挥重要作用，为环保行业发展中复合型、创新型人才培养奠定基础[2]。污水处理是农业环境保护课程教学中的核心内容，其处理工艺流程与设备构造在教学中难以直观体现，加之其影响因素极端复杂，学生难以把握现象全貌。为了改善这个弊端，采用虚拟仿真实训结合实际操作进行学生的培训，以其逼真的“现实”感牢牢吸引学生，将情景教学与探讨问题导向式教学法进行融合，使学生带着问题边体验、边学习，发挥潜能，提高解决问题能力，从而改变传统教学模式，实现绿色实验教学。

一、虚拟仿真技术在污水处理实践教学中应用

学生可在污水处理实训基地与虚拟仿真软件间穿梭，充分体验现实与虚拟优势互补带来的操作满足感。可进一步提高学生实践操作能力，分析问题解决问题以及创新能力，从而真正的掌握操控处理设备技术。

（一）构建高度仿真的虚拟工厂环境、能实不虚，虚实结合，激发学生兴趣实现绿色实验教学以实际生产工艺为原型，根据污水厂工艺流程的实际情况，使学生深入到模拟现场进行实际操作，以动态形式逼真地展示厂区内概况、工程相关设备的内部构造、工作原理以及相关工艺流程的动态演示等。综合训练学生对于流程工艺、环保设备、分析仪表、系统控制、电气操作等方面的能力。凭借虚拟现实、多媒体、大数据和网络通信等技术，让学生在虚拟环境中开展学习和实验，了解设备运行时内部状态、人机互动，加深学生对相关知识的理解，激发创新思维与兴趣，降低实验成本、减少环境污染，提高实践环节的教学质量，有效开展绿色实验教学。

（二）虚拟平台自动化控制，教师学生自主设计，开展自主研究活动，培养学生工程应用能力，建立科研创新理念通过校内工程模拟实验平台专业实验的训练，实时展现污水处理的过程与现象，包含了污水处理厂的两个工艺，即A2O和AB两套工艺，同时设计了深度处理、污泥处理与回流及水质监测与分析等单元，让学生初步建立起工程概念。采用3D场景模拟污水处理现场的实际状态，教师学生可以自主设置各种可能的选项、障碍、问题，引导学生对所出现故障紧急采取应对措施，逐步熟悉和掌握洁净区管理、生产岗位操作、污水处理中污水指标的检验操作。通过问题模式激发学生兴趣，提高解决问题能力，为环保企业培养应用型，创新型，技术性人才奠定基础。

（三）系统的模块式知识点训练，仿真练习与考核，辅助教学，丰富教材内容，提高实验教学质量设计了系统的知识点模块，包含有丰富的教学素材，借助文字、图片、flash、三维模型、音频、视频等形式，对水处理工艺设计与水质指标标准评价等相关知识进行讲解。通过模拟仿真系统，了解原本书本中二维图片和文字描述的情景，改变原有的理论强而实践弱的缺陷，能够在原有理论基础上，进一步地提高学生实践操作能力，了解未来用人单位对人才所应具备的能力的真实需求，实现了模拟仿真软件辅助教学的功能。通过虚实结合，有效训练了学生创新实验和解决实际问题的能力，使理论知识更好的应用于实践，提高实验教学质量。

二、污水处理虚拟仿真实验教学体系与模块组成

污水处理虚拟仿真实验坚持“能实不虚”的原则，从污水处理设备单元操作的实际出发，将实验教学中无法观察到的现象及实施困难、高危、高成本、高污染的单元操作采用3D虚拟仿真的形式整体展现。在教学中，采用线上线下相结合的方式，在线统计学生在虚拟仿真实验中出现的问题，在课堂或实验现场中进行深入讲解，实现虚拟与现实实验教学之间的良性互动和互相促进。加深学生对污水处理基本单元操作中理论知识的理解，调动学生学习积极性，发挥潜能提高自主学习意识，提高教学质量与效果，满足本科教学需要，污水处理中虚拟仿真实验共分4个教学模块，以不同模式展现给学生。

（一）A2O工艺虚拟仿真模块A2O法又称AAO法，是英文Anaerobic-Anoxic-Ox-ic第一个字母的简称（厌氧—缺氧—好氧法），是一种常用的污水处理工艺，可用于二级污水处理或三级污水处理，以及中水回用，具有良好的脱氮除磷效果。主要包括四种构筑设备：粗格栅、细格栅、曝气沉砂池、生物反应器、厌氧反应器，原污水与从沉淀池排出的含磷回流污泥同步进入，本反应器主要功能是释放磷，同时部分有机物进行氨化；缺氧反应器，首要功能是脱氮，硝态氮是通过内循环由好氧反应器送来的，循环的混合液量较大，一般为2Q；好氧反应器—曝气池，这一反应单元是多功能的，去除BOD，硝化和吸收磷等均在此处进行。混合液从这里回流到缺氧反应器。

（二）AB工艺虚拟仿真模块在AB工艺虚拟仿真模块中主要包括粗格栅、细格栅和曝气沉砂池；A段曝气池工艺将曝气池分为高低负荷两段，各有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段（A段）停留时间约20～40分钟，以生物絮凝吸附作用为主，同时发生不完全氧化反应，生物主要为短世代的细菌群落，去除BOD达50%以上；中沉池及T型氧化沟工艺处理的整个过程如进水、曝气、沉淀、污泥稳定和出水等全部集中在氧化沟内完成，最早的氧化沟不需另设初次沉淀池、二次沉淀池和污泥回流设备。学生以可操作模式和飞行模式之间自由切换，在飞行模式下，学员可自由游览厂区，了解厂区总布局。

（三）教师评价模块体系教师可通过仿真软件布置作业、处理故障、操作时长等场景，仿真岗位中选择对学生进行目的性实验教学和考核评价，感受真实，加深印象，可以通过考核模块分析学生成绩，指导学生更深入地学习实践技能知识，理解污染处理工艺过程和构筑物设计原理，了解生产第一线的操作过程与操作技能，培养学生运用理论知识分析问题、解决工程实际问题的能力，使实验教学更好的服务于社会。

三、结语

虚拟仿真实验项目进一步完善与丰富课堂教学与工程实践内容，多维度呈现学习和训练内容，不断改进虚拟仿真时空环境从视觉、听觉和动觉上吸引学生，激发学习者的学习兴趣。为使用者开启自选模式，为其目的性实验满足实验条件，让学生在完全开放的实验环境下完成综合实训，进一步提高学生的分析和解决问题能力，使学生真正了解工程技术实践与流程，最终达到提升学生自主设计和创新实践的能力。与此同时，可实现构建教育最大化的资源共享平台，将打造为一个学科融合、网络共享虚拟仿真综合实践基地，面向全社会高校和企业培训员工开放使用，为全国范围内环保企业员工提供培训和考核平台，全面提升教育资源利用率。未来我们将更好的利用虚拟仿真教学资源，满足多地区、多学校、不同学科专业的教学需求。

参考文献

［1］虎保成.论新时期高职院校教师队伍建设的途径与措施［J］.中国科教创新导刊,2012(10):35-36.

［2］刘健.创新性应用型人才综合培养体系探析［J］.东莞理工学院学报,2010(4):108-112.

作者：董微巍 李光春 朴春香 梁运江 冯健 单位：延边大学