虚拟仿真技术在给水排水实验教学中的应用探索

徐 斌，张天阳，罗振宁，刘 涛

（同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092）

一、虚拟仿真技术教学发展与应用背景

（一）虚拟仿真技术教学的发展情况

近年来，随着个人计算机、智能手机日益普及，互联网和通信技术在社会生活、生产活动中不断发展，全世界范围内一些大学出现了基于虚拟仿真技术开展教学的诸多案例，例如，美国麻省理工学院、日本东京大学均运用信息技术开展虚拟仿真教学［1］。国外一些大学在课程教学、资源共享和实验开展等方面已经深入使用虚拟仿真技术，国外有研究也将虚拟仿真教学列为教育界对传统教学进行改革、提升人才培养质量的重要方向［2］。

我国教育主管单位同样准确把握了虚拟仿真技术在教学中应用的重要意义，教育部颁布的系列文件均对此有所体现，比如《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》《教育部关于公布首批国家级一流本科课程认定结果的通知》《关于开展第二批国家级一流本科课程认定工作的通知》。《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》指出：加快推进教育信息化进程，加强数字校园、数据中心、现代教学环境等信息化条件建设。《关于一流本科课程建设的实施意见》提出：要加强信息化资源共享平台建设，实施国家精品开放课程项目，建设一批精品公开课程和精品资源共享课程，向高校和社会开放；强化现代信息技术与教育教学深度融合，解决好教与学模式创新的问题。由此可知，虚拟仿真技术在教学中的应用，是围绕教育信息化进行教学改革的一种重要渠道。

（二）虚拟仿真技术在给排水学科教学中的应用背景

21世纪计算机技术、各类软件技术、互联网和通信技术快速发展，虚拟仿真技术在教学中的应用是先进技术赋能教学改革的一种必然结果。目前，虚拟仿真技术应用于教学主要表现为：多媒体场景呈现、虚拟现实和增强现实等。

虚拟仿真技术，具备沉浸性、交互性、仿真性等特点，虚拟仿真技术在教学中不依赖真实世界的过程来呈现教师所要展示的内容，特别适合一些高成本、高污染、高风险、不易的、周期久的教学过程。这些手段可以解决高等学校在课程教学，特别是一些实验教学中的固有问题，从而突破传统课堂的局限。例如，在一些专业中，油田井喷的演示、手术教学演示、爆炸的演示等教学均可以借助虚拟仿真技术得到实现［3］。

传统的给排水实验教学受限于实验规模，实验教学与工程应用存在一定的脱节，例如，传统的混凝沉淀实验、水质指标检测等简易实验，内容和形式单一［4］，实际工程中的大规模生态修复、应急污染处置、水厂运行操作、管网调度难以展示，学生对知识点理解受限，无法有效培养掌握相应技能的工程技术人才。

目前，在全国范围内，已经有一些给排水学科教学团队开展了虚拟仿真技术在教学中的应用，取得了教学改革的成效。例如，银玉容等［5］在给水和排水管网相关的实验教学中采用了虚拟仿真技术，荣宏伟等［6］将虚拟仿真技术应用于泵与泵站的实验教学。国内的虚拟仿真实验课程、虚拟仿真教学平台、虚拟仿真教学理念等，已经在连续多年的建设下蓬勃发展，取得长足积累［7］，已经逐渐进入了虚拟仿真技术赋能传统给排水学科实验教学的阶段。

二、传统实验教学与虚拟仿真实验教学的对比

传统实验教学与虚拟仿真实验教学的特征对比如表1所示，通过虚拟仿真实验教学可以解决传统实验教学中的诸多问题。例如，面对理论学习与生产实践脱节的现实问题，有限的几个学时无法较好地培养学生的实践能力。虚拟仿真实验教学则可以在教学全过程、实验管理和开展、资源共享等方面突破传统实验教学必须实地开展的局限，特别是在避免工程设备难保养、高消耗、高耗能以及危险性等问题的同时，仍然凸显工程学科教育的实践性和应用性［8］，促使实验教学与实际运用的较好统一，从而提升学生的学习热情，提高理论认知，取得良好的教学成效［9］。

表1 传统实验教学与虚拟仿真实验教学的特征对比

（一）知识点学习和实验内容的对比

在知识点学习上，传统实验知识点载体有限，仅通过课本学习、教师授课方式获取，学生参与度非常有限，大多仅能开展有限的实验过程。虚拟仿真实验教学采用多媒体、虚拟现实和增强现实等多种技术呈现方式，学生可自由探索获得知识，在仿真操作中体验全过程。

在实验内容上，传统实验的实验内容单一，课前要进行大量准备工作，只适用于反应周期较短、成本较低、占地较小、易操作的实验，并且随着实验复杂程度的增加，开展难度也不断增加。虚拟仿真实验教学实验内容丰富多样，课前无须反复准备，即可开展大规模、演替周期长、高成本、占地大、过程复杂、操作难度高的实验。

（二）课程规模、考评机制和安全性的对比

在课程规模上，传统实验课堂课时和容量有限，时间、地点固定，适用和共享范围也有限，仅能在本校的少量教学班级中开展教学。虚拟仿真实验教学不受课时、容量、时间和地点等限制，也可多次重复学习；在向其他高校、企业共享教育资源时也十分便利，实现教学资源的开放与共享。在考评机制上，传统实验仅能通过实验报告和实验数据体现，虚拟仿真实验教学可以记录操作全过程，进行后台积分、监测考核，对学生学习过程使用丰富的记录评价方式，增加了考查维度，实现教师在教学过程中对课程评价的精准掌握。

在安全性上，传统实验可能涉及有毒有害物质、高温高压、易燃易爆等实验过程，具有一定的安全风险；虚拟仿真实验教学无任何安全风险。

三、虚拟仿真技术与给排水学科教学相结合的课程设计

传统的给排水实验教学受限于实验规模，易于开展的混凝沉淀实验，浊度、COD、氨氮、溶解氧等水质指标检测等实验，实验教学与工程应用存在一定的脱节问题。在实际工程中，给排水专业人才常面临大规模生态修复、应急污染处置、给水厂运行操作、污水处理厂运行操作、管网铺设与设施调度、管网水力条件调整等大型任务。然而，学生无法直接体验这些大规模的工程实验和运用过程，导致学生对知识点理解受限，无法高效培养掌握相应技能的工程技术人才。通过2D 建模、3D建模、虚拟现实和增强现实等虚拟仿真技术，向学生展示平时不易接触到的大型江河湖库等水源地、大型给水厂、大型污水处理厂、大规模管网等工程场景，如图1所示。一些难以呈现、高成本、高污染的工况，例如，水源地突发污染、水厂处理参数调整、泵与管网运行工况变动等，都可以进行仿真［5-6］。在这些一般不易体验的场景中，学生可以自主进行实验探索，解决相应的工程问题。

图1 虚拟仿真技术在给水排水实验教学中的应用示例

同时，除了复杂的大规模实验，一些简易的实验，如混凝沉淀实验、水质参数检测实验和水力学实验等，也可基于虚拟仿真技术进行开展，成为基础实验教学的补充，在更广阔的仿真空间中加深学生对原理的理解。

在进行给排水虚拟仿真实验教学课程设计和教学应用时，课程的设计需要遵循科学原理和工程实际，同时融合给排水课程理论算法模型。采用了虚拟仿真技术的课程可以独立使用，也可以基于一些平台开展应用，常见的大型平台往往也有助于开展相应的共享、支持和考评。

（一）课程设计

虚拟仿真技术教学形式多样、内容丰富，是有规律和路径可循的。笔者经过长期实践和对大量案例的总结，归纳了一种合理有效的教学路径，虚拟仿真实验教学开展的课程设计流程如图2所示，主要包含认知学习、现状调研、虚拟仿真展示实验、工程应用实践检验等部分，让学生感受从认知到体验，从基础知识的沉浸式学习到实验应用逐步提高的过程，在每一个层次中，都需要学生进行自主学习和实验操作。

图2 虚拟仿真实验教学开展的课程设计流程

认知学习主要包括基本概念、静态演示和动态演示三种模块。此部分主要以多媒体手段、虚拟现实和增强现实手段生动展示课程所要传授的基本概念等知识，如泵与泵站实验中的流量、扬程和汽蚀等概念，给水处理实验中的有效碰撞、水头损失等概念。先静态地浸入式深入学习所演示的基础知识，实现人机交互的自主式探究式理论学习，再动态地在具体的物理、化学和生物过程中演示其具体内涵。

现状调研环节包括现有理论和虚拟场景工程问题分析。由于工程场景并非完美的，学生在虚拟场景中学习调研了现状后，通过查阅文献资料和独立思考，对现有设施的技术和功效进行理解和分析。以多个问题为驱动，特别是和教学内容直接相关的工程问题，让学生对现有设施进行问题剖析，增强学生的工程现场认知，并培养批判性和创新性思维。以给水处理为例，在混凝和沉淀过程中，混凝剂投加并非越多越好，过量投加和投加不足均有相应风险，学生对特定水厂的投加量和出水水质参数进行调研，切实体会其内涵。

学生带着问题进入后续的虚拟仿真展示实验阶段，以问题为导向开展实验，在虚拟实验中寻找答案。通过模拟展示现实问题和场景，虚拟仿真技术可以形象生动地展示抽象的实验数据。学生在经历了模拟展示、设计学习、模拟采样、检测分析、数据记录和结果分析等步骤后，能够理解工程现象，对工程问题背后的科学问题有深刻把握，例如，六联烧杯搅拌的混凝实验等实验的开展就是对混凝剂投加相关工程问题进行探究的科学实验。

工程应用包括现有问题的解决和工程效果的模拟检验。在学生完成仿真实验后，利用实验中获得的科学规律，对工程过程进行一定的调控，尝试解决问题，并对工程效果进行模拟检验。在这个过程中，实现叠加学生的解决方案后的新一轮模拟展示，结束后学生进行数据记录与分析，着力培养学生的工程实践能力。

（二）技术支持

高等教育出版社负责运营的“实验空间”是国家虚拟仿真实验教学课程共享平台，虚拟仿真实验是其中高等教育信息化的重要内容和实验教学的重要组成部分［10］。通过结合实验空间或本校虚拟仿真实验教学云平台（如有），可以实现集资源浏览、仿真操作、在线学习于一体的信息化网络仿真培训学习管理。

同时，基于实验空间或本校虚拟仿真实验教学云平台，可立足于真实实验教学开设对应仿真实验课程、理论课程，利用讨论区、在线答疑等功能区，还能实现在线的教学支持、技术支持。教师可将各种教学资源共享给学生，包括软件、视频、2D或3D动画、课件、文档等，使学生在进行实际实验之前达到良好的预习效果，在实验过程中和实验结束后通过仿真操作和理论学习强化知识掌握，实现时时能学、处处可学，随时随地获取所需知识，打破传统的以课堂为中心的教学模式。

在平台维护方面，基于平台的建设，教师可以便利地向平台反馈需求和问题［11］，推动和改进共享应用服务，使平台的功能和服务不断升级和迭代，使智能化教学的方法在信息技术和智能技术进步的过程中融入实验教育教学全过程；还可以借助平台的规模效应，无障碍地向其他高校、企业分享课程，增进知识传播，打破教育资源共享壁垒。

（三）考评机制

虚拟仿真实验教学的评价导向是以实际工程或科学问题为背景主线，引导学生进行多维研究探索互动的学习，充分考核学生知识掌握程度、设计或计算能力、工程应用和科学研究能力。使学生能够较好地了解实验的基本原理，掌握设计或计算能力，了解工程应用实例，探索研究分析工程运用方案。教师实验教学过程获得了信息化支撑，通过平台的管理端组织仿真考试和理论考试，并通过在线监控和在线答疑实时掌握各种资源的使用情况，进而进行在线辅导。

借助数据的全过程记录，教师也可以进行全方位的考核。学生通过该平台的学员端可与教师互动、分享学习经验与参加考试。

四、总结与展望

首先，虚拟仿真技术应用于实验教学是教育信息化过程中的大势所趋。随着计算机技术、各类软件技术、互联网和通信技术的持续发展，多媒体场景呈现、虚拟现实和增强现实等虚拟仿真技术将越来越“仿真”，在教学中的应用场景也将越来越多，不断实现先进技术持续赋能教学改革。

其次，虚拟仿真技术在实验教学中的应用将助力给排水学科发展和人才培养。在高度城镇化、工业化和信息化的时代，给排水学科所面临的时代使命、专业任务和工作场景将会不断出现新的局面，虚拟仿真技术在实验教学中的应用恰恰能够在学科发展和人才培养中，让师生不断适应这种变化，用先进的学科教学培养引领未来的专业人才，不断以点带面，牵引学科发展。

最后，基于平台的虚拟仿真技术的应用不仅将对本校的教学有所裨益，还将促进高校间、校企间的资源共享与知识传播。虚拟仿真技术教学平台集成了丰富的资源，能提供可靠的支持维护，其最大优势之一就是便于共享传播，不仅在一所高校内应用，还能在高校与高校之间、高校与企业之间进行共享，在其他高校的课程教学和企业的技能实训发挥重要作用，服务社会，实现高质量的资源共享与知识传播。