工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)虛擬仿真平臺體系構(gòu)建

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)虛擬仿真平臺體系構(gòu)建范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

［摘要］以《農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)》課程中污水處理實驗教學(xué)為例，促進(jìn)理論與實踐的有機(jī)結(jié)合，基于虛擬仿真實驗使學(xué)生直觀地掌握工程技術(shù)實驗過程中的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決實際工程問題的能力，為當(dāng)前大學(xué)生工程技術(shù)創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供教學(xué)新方法、新途徑。

［關(guān)鍵詞］工程技術(shù)；創(chuàng)新能力；實踐教學(xué)；虛擬仿真

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)被引進(jìn)到各大高校實踐教學(xué)之中，在工程技術(shù)類專業(yè)教學(xué)中發(fā)揮著重要作用。農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)是一門與再生資源能源技術(shù)、化學(xué)工程、材料工程、生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)等多門學(xué)科都有交叉的綜合性學(xué)科[1]。在目前的教學(xué)方案中，實驗和實習(xí)等實踐環(huán)節(jié)已經(jīng)貫穿整個教學(xué)過程，在培養(yǎng)學(xué)生工程意識、科學(xué)求實與創(chuàng)新精神，提高學(xué)生工程實踐能力和綜合素質(zhì)發(fā)揮重要作用，為環(huán)保行業(yè)發(fā)展中復(fù)合型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)[2]。污水處理是農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)課程教學(xué)中的核心內(nèi)容，其處理工藝流程與設(shè)備構(gòu)造在教學(xué)中難以直觀體現(xiàn)，加之其影響因素極端復(fù)雜，學(xué)生難以把握現(xiàn)象全貌。為了改善這個弊端，采用虛擬仿真實訓(xùn)結(jié)合實際操作進(jìn)行學(xué)生的培訓(xùn)，以其逼真的“現(xiàn)實”感牢牢吸引學(xué)生，將情景教學(xué)與探討問題導(dǎo)向式教學(xué)法進(jìn)行融合，使學(xué)生帶著問題邊體驗、邊學(xué)習(xí)，發(fā)揮潛能，提高解決問題能力，從而改變傳統(tǒng)教學(xué)模式，實現(xiàn)綠色實驗教學(xué)。

一、虛擬仿真技術(shù)在污水處理實踐教學(xué)中應(yīng)用

學(xué)生可在污水處理實訓(xùn)基地與虛擬仿真軟件間穿梭，充分體驗現(xiàn)實與虛擬優(yōu)勢互補(bǔ)帶來的操作滿足感?？蛇M(jìn)一步提高學(xué)生實踐操作能力，分析問題解決問題以及創(chuàng)新能力，從而真正的掌握操控處理設(shè)備技術(shù)。

（一）構(gòu)建高度仿真的虛擬工廠環(huán)境、能實不虛，虛實結(jié)合，激發(fā)學(xué)生興趣實現(xiàn)綠色實驗教學(xué)以實際生產(chǎn)工藝為原型，根據(jù)污水廠工藝流程的實際情況，使學(xué)生深入到模擬現(xiàn)場進(jìn)行實際操作，以動態(tài)形式逼真地展示廠區(qū)內(nèi)概況、工程相關(guān)設(shè)備的內(nèi)部構(gòu)造、工作原理以及相關(guān)工藝流程的動態(tài)演示等。綜合訓(xùn)練學(xué)生對于流程工藝、環(huán)保設(shè)備、分析儀表、系統(tǒng)控制、電氣操作等方面的能力。憑借虛擬現(xiàn)實、多媒體、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展學(xué)習(xí)和實驗，了解設(shè)備運行時內(nèi)部狀態(tài)、人機(jī)互動，加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解，激發(fā)創(chuàng)新思維與興趣，降低實驗成本、減少環(huán)境污染，提高實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量，有效開展綠色實驗教學(xué)。

（二）虛擬平臺自動化控制，教師學(xué)生自主設(shè)計，開展自主研究活動，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力，建立科研創(chuàng)新理念通過校內(nèi)工程模擬實驗平臺專業(yè)實驗的訓(xùn)練，實時展現(xiàn)污水處理的過程與現(xiàn)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(shè)計了深度處理、污泥處理與回流及水質(zhì)監(jiān)測與分析等單元，讓學(xué)生初步建立起工程概念。采用3D場景模擬污水處理現(xiàn)場的實際狀態(tài)，教師學(xué)生可以自主設(shè)置各種可能的選項、障礙、問題，引導(dǎo)學(xué)生對所出現(xiàn)故障緊急采取應(yīng)對措施，逐步熟悉和掌握潔凈區(qū)管理、生產(chǎn)崗位操作、污水處理中污水指標(biāo)的檢驗操作。通過問題模式激發(fā)學(xué)生興趣，提高解決問題能力，為環(huán)保企業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型，創(chuàng)新型，技術(shù)性人才奠定基礎(chǔ)。

（三）系統(tǒng)的模塊式知識點訓(xùn)練，仿真練習(xí)與考核，輔助教學(xué)，豐富教材內(nèi)容，提高實驗教學(xué)質(zhì)量設(shè)計了系統(tǒng)的知識點模塊，包含有豐富的教學(xué)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(shè)計與水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評價等相關(guān)知識進(jìn)行講解。通過模擬仿真系統(tǒng)，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(qiáng)而實踐弱的缺陷，能夠在原有理論基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地提高學(xué)生實踐操作能力，了解未來用人單位對人才所應(yīng)具備的能力的真實需求，實現(xiàn)了模擬仿真軟件輔助教學(xué)的功能。通過虛實結(jié)合，有效訓(xùn)練了學(xué)生創(chuàng)新實驗和解決實際問題的能力，使理論知識更好的應(yīng)用于實踐，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

二、污水處理虛擬仿真實驗教學(xué)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(shè)備單元操作的實際出發(fā)，將實驗教學(xué)中無法觀察到的現(xiàn)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(xiàn)。在教學(xué)中，采用線上線下相結(jié)合的方式，在線統(tǒng)計學(xué)生在虛擬仿真實驗中出現(xiàn)的問題，在課堂或?qū)嶒灛F(xiàn)場中進(jìn)行深入講解，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實實驗教學(xué)之間的良性互動和互相促進(jìn)。加深學(xué)生對污水處理基本單元操作中理論知識的理解，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮潛能提高自主學(xué)習(xí)意識，提高教學(xué)質(zhì)量與效果，滿足本科教學(xué)需要，污水處理中虛擬仿真實驗共分4個教學(xué)模塊，以不同模式展現(xiàn)給學(xué)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(gòu)筑設(shè)備：粗格柵、細(xì)格柵、曝氣沉砂池、生物反應(yīng)器、厭氧反應(yīng)器，原污水與從沉淀池排出的含磷回流污泥同步進(jìn)入，本反應(yīng)器主要功能是釋放磷，同時部分有機(jī)物進(jìn)行氨化；缺氧反應(yīng)器，首要功能是脫氮，硝態(tài)氮是通過內(nèi)循環(huán)由好氧反應(yīng)器送來的，循環(huán)的混合液量較大，一般為2Q；好氧反應(yīng)器—曝氣池，這一反應(yīng)單元是多功能的，去除BOD，硝化和吸收磷等均在此處進(jìn)行?；旌弦簭倪@里回流到缺氧反應(yīng)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(xì)格柵和曝氣沉砂池；A段曝氣池工藝將曝氣池分為高低負(fù)荷兩段，各有獨立的沉淀和污泥回流系統(tǒng)。高負(fù)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(fā)生不完全氧化反應(yīng)，生物主要為短世代的細(xì)菌群落，去除BOD達(dá)50%以上；中沉池及T型氧化溝工藝處理的整個過程如進(jìn)水、曝氣、沉淀、污泥穩(wěn)定和出水等全部集中在氧化溝內(nèi)完成，最早的氧化溝不需另設(shè)初次沉淀池、二次沉淀池和污泥回流設(shè)備。學(xué)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(xué)員可自由游覽廠區(qū)，了解廠區(qū)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(yè)、處理故障、操作時長等場景，仿真崗位中選擇對學(xué)生進(jìn)行目的性實驗教學(xué)和考核評價，感受真實，加深印象，可以通過考核模塊分析學(xué)生成績，指導(dǎo)學(xué)生更深入地學(xué)習(xí)實踐技能知識，理解污染處理工藝過程和構(gòu)筑物設(shè)計原理，了解生產(chǎn)第一線的操作過程與操作技能，培養(yǎng)學(xué)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(xué)更好的服務(wù)于社會。

三、結(jié)語

虛擬仿真實驗項目進(jìn)一步完善與豐富課堂教學(xué)與工程實踐內(nèi)容，多維度呈現(xiàn)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練內(nèi)容，不斷改進(jìn)虛擬仿真時空環(huán)境從視覺、聽覺和動覺上吸引學(xué)生，激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)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(xué)生在完全開放的實驗環(huán)境下完成綜合實訓(xùn)，進(jìn)一步提高學(xué)生的分析和解決問題能力，使學(xué)生真正了解工程技術(shù)實踐與流程，最終達(dá)到提升學(xué)生自主設(shè)計和創(chuàng)新實踐的能力。與此同時，可實現(xiàn)構(gòu)建教育最大化的資源共享平臺，將打造為一個學(xué)科融合、網(wǎng)絡(luò)共享虛擬仿真綜合實踐基地，面向全社會高校和企業(yè)培訓(xùn)員工開放使用，為全國范圍內(nèi)環(huán)保企業(yè)員工提供培訓(xùn)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(xué)資源，滿足多地區(qū)、多學(xué)校、不同學(xué)科專業(yè)的教學(xué)需求。

參考文獻(xiàn)

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

［2］劉健.創(chuàng)新性應(yīng)用型人才綜合培養(yǎng)體系探析［J］.東莞理工學(xué)院學(xué)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(xué)