给排水科学与工程专业工程仿真模拟实验室的建设探讨

曹长春+李海翔+曾鸿鹄+林华

摘要：专业工程仿真模拟实验室建设体现了给排水科学与工程专业学科发展趋势和社会对人才的需求，具有兼容开放和可更新的特点。通过对实际生产设施的技术原理、工艺组合、相关构筑物的数字化模拟再现，各设备、构筑物异常运行状况或故障的平台操作，强化专业课程教学效果，弥补工科专业实习教学的不足，有利于学生实际动手能力的培养和提高，投入小，效益大，应用前景广阔。

关键词：给排水科学与工程专业；工程仿真模拟；实验室；实习教学

中图分类号：G6476文献标识码：A文章编号：1674-120X（2016）29-0099-02收稿日期：2016-08-26

课题项目：2016 年度广西高等教育创优计划项目；2013、2014年度广西高等教育本科教学改革工程项目（2013JGA148，2014JGA151）；桂林理工大学校级教改工程立项项目（2014B04，2016A10）。

一、实验室建设背景 桂林理工大学环境科学与工程学院的给排水科学与工程专业是学院转型后的新专业，1993年正式成立，至今已历时二十三载，先后招收专科生三届，本科生二十届，向社会输送给水排水专业人才一千六百多名，也是广西唯一的给排水本科专业点。这些年来，在院系直接领导和社会各界的支持下，获得了长足的发展。作为反映学科专业发展要求，体现时代特点的专业工程仿真模拟实验室的建设，该实验室将在计算机上仿真再现国内最典型的城市自来水厂和生活污水处理厂、特种工业废水处理的工艺流程，通过设置不同的水质、流量条件参数，再进行调控，以达到处理要求和标准。在该平台上安装设计软件，可进行课程设计、毕业设计，建成后将是给排水科学与工程专业的一个特色和亮点。该实验室具有投资少、收效大、手段先进、条件自控的特点，有利于培养学生综合运用专业知识、分析解决工艺与工程中的实际问题的能力。

二、实验室建设内容 专业工程仿真模拟实验室体现了给排水科学与工程专业的发展趋势。给水排水的工艺与工程是目前工程界应用技术较新、系统较复杂的领域之一，要求设计精细化，施工与管理数字化。传统给排水科学与工程专业的手段和方法在新形势面前确实落伍了，学生学完专业课后去生产单位实习，毕业后去用人单位应聘，虽所学知识较新，观念也先进，但实验、实习所及非常落后，对现代化的仪器仪表见得少，操作更少，至于在现代化的操作管理系统中解决问题的能力更是欠缺，其原因在于学校以前从未设置相应的实验。

实习教学的重点之一是对学生的实际动手能力的培养，实习教学也是学校教学中的难点。学校很难找到一种非常有效的办法对学生进行实践教学与技能训练，尤其是像给排水科学与工程这类建立时间较短的专业。通常的办法是将学生派到相关的工厂去现场实训，但实训效果并不理想。原因主要有：其一，自来水厂是极其重要的场所，生产过程要确保万无一失，因此学生到工厂实训只能“看”，不能轻易动手操作，没有动手的机会就很难学到实际操作技能；其二，在实训过程中很难遇到“开工”“停工”或“异常生产情况”，即使遇到了也没有亲自动手处理的机会；其三，企业对学生的实习，除非有比较好的关系碍于情面给予照顾外，一般不太欢迎，因此实习教学的组织和管理难度大；此外，到工厂的实习存在时间长、人数多、费用高等问题。

采用仿真技术针对实际生产装置开发的仿真软件可以很好地解决以上问题。专业工程仿真模拟实验室具以下几方面的功能：

给水排水中实际生产装置的生产原理和工艺、相关构筑物等的CAI课件。

水处理装置的各种设备、构筑物异常或故障的操作模拟。

水处理装置生产条件或生产要求变化的操作模拟。

水处理装置控制系统（DCS）的操作方法模拟。

从建设实验室的投入与效益看，具有投入少、产出大、应用广的优势。该实验室不仅可用于教学，还可用于上岗人员培训、专业绘图、课程设计、生产实习预演、毕业实习等。它的内容采用开放式平台，可逐步丰富与完善具自身特色的软件加入运行，利于开展研究性教学。

本实验室的建设，可弥补现在教学实习过程中费用不足、实习时间短、实习单位不好找等一系列现实问题。各种工程实例通过多媒体的形式，在实验室中再现，效果好，操作即使出错，也可以重来，不至于造成重大损失或引发事故。

本实验室的设置和建设，符合学科发展、专业发展、人才需求等的要求，且在同类高校中建设该实验室，技术先进，有学科和专业特色。

操作技能考核：仿真软件具备非常好的“操作评价功能”，其实时跟踪记录仿真系统状态和学员的操作动作，并给出科学公正的评判。所以仿真软件还可以用于对学生实训教学的考核与技能鉴定，学生可以发挥主观能动性，有时间机动性，利于安排大量学生在不同时间去熟悉实验和提高操作技能。

教师课堂教学演示：本套软件也可以在相应的课堂中，由教师为学生介绍和演示污水处理厂的生产原理、工艺、主要构筑物以及生产操作，对讲解一些构造复杂、性能优异的工艺特别方便，是课堂教学效果提升的好助手。

三、实验室硬件、软件环境要求1硬件要求

硬件系统是一套微机网络系统，硬件网络结构如图1所示。系统有一个教师指令台（亦称上位机），根据用户的需要系统所带学员操作站（亦称下位机）的个数可以灵活配置（视网络情况可更多）。教师指令台和学员站的要求，普通微机：主频20GHz以上，硬盘大于1000G，内存大于等于32G，普通打印机一台（如无打印机，则无法实现打印功能，对其他功能无影响），预装Rerit2016、 UNIBIM、 AMEP等三维图像应用软件，可在原系统上进行新的功能开发和丰富内容。

2仿真软件结构

仿真软件结构如图2所示。

教师指令台运行总体监控软件，是整个仿真系统的控制中心和教师的操作界面，用于培训内容选择、培训功能设置。主要包括状态恢复、工况重选、时标设置、事故设置、报表记录、打印设置、快门记录、快门重演、成绩显示、程序冻结等。

工艺仿真软件主要进行生产装置的仿真数学模型的计算，同时有培训内容选择、培训功能设置。

仿控制系统（DCS）是学生进行仿真操作的界面，包括实际控制系统中的操作画面和控制功能，并与实际控制系统的画面、功能保持一致，同时还包括现场操作画面，它与工艺仿真软件进行实时数据交换。

操作评定系统包括工艺操作指导、操作结果诊断和操作结果评定。

教学与实验素材——将专业教材上的难以描述的技术原理、工艺设备图用3D、Flash等软件加工成多媒体动画块，生动、直观地表现设备的内部结构、工作原理、工艺流程， 方便老师调用制作课件，组织教学内容，改变传统教学模式，符合教学直观性原理与互动教学方向。

模拟仿真实验——通过建立虚拟的三维场景和动态数学模型，实时模拟真实实验现象和过程。通过对仿真3D实验装置进行互动操作，产生和真实实验一致的结果。系统分为教师站和学员站，教师站上运行的监控程序与管理程序对下位机的学员站进行实时监控与管理，方便组织教学。配有标准的实验思考题生成器，开放接口。

仿真实习操作——真实DCS组态软件或者仿DCS软件，同时建立动态过程数学模型，来模拟工厂中监控室和现场设备操作，综合训练学生工艺、设备、仪表、控制、电气等方面的能力。具有智能诊断评分系统，考核完全客观化。有正常运行以及开停车、事故处理等操作。

四、实验室建设意义 采用较少的投资建设工程仿真模拟实验，利用日益更新的软件功能、丰富的多媒体技术与专业新技术的结合，实现教学内容、教学手段的更新，激发了广大学生的学习兴趣和积极性，提高了教学效果；弥补了现代实习、实验教学的不足，满足了在实地实习中难以进行的实习操作的需求，不怕出错，可以重复和再现，可以设计在实习中很少出现的运行条件和场景，低成本地实现给水排水工艺、工程的过程控制，对提高学生的动手能力具有不可替代的作用。

参考文献：

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