实体与仿真相结合的水处理实验教学改革与实践

金文　李洁　吴奇

摘 要 针对传统水处理工程实验在教学中的局限性，设计开发水处理实体实验与仿真实验相结合的实践教学系统，介绍设计思想和实体实验装置、仿真实验平台的构成以及在实践教学中的应用。该系统以实为本、虚实结合，不仅能够在真实环境中运行，同时能够基于实体原型仿真模拟操作，借助虚实实验平台完成水处理系统设计、控制、运行管理等实践教学工作，使学生在“实体实验—仿真实验—实体实验”螺旋式学习中获得工程实践能力。

关键词 水处理；实验系统；仿真系统

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）06-0148-03

Abstract Due to the experimental limitations for the traditional water treatment teaching， a new practical teaching system is designed and developed， which combines the entity experiment and its simulation experiment. It also introduces designing ideas， entity experimental apparatus， simulation platform， as well as the application in the practical teaching. The new teaching system not only be able to run in a real environment， but also can fulfill the practical teaching for the water treatment system design， control， operation with the help of experimental platforms， under the simulating operation with physical prototypes. Therefore， students can acquire the practical ability during the spiral learning based on the combination of experiments with entities and simulation experiments.

Key words water treatment； experimental system； simulation system

1 引言

高等教育人才培养要求学生不仅要掌握必要的专业理论知识，更需要具备较强的实践能力和现场探索及解决工程实际问题的能力。水处理工程是一门工程性强的课程，要求理论与实践并重，理论教学使学生掌握工艺原理知识，实践教学决定着对学生能力的培养。然而，实践教学依赖于实验条件，为了提高实践教学质量，就要不断加强水处理实验教学系统建设。但是，多数水处理设备虽然具有很强的工程处理能力，但在实践教学上可操作性差，由于工艺系统庞大而复杂、设备数量多且管道错综盘杂，系统运行时设置教学知识点或操作点对设备损耗较大，使设备成为认识工程系统的模型，实践教学的“学”与“做”落不到实处。因此，重新构建实用的水处理实验系统和教学模式势在必行[1-2]。

随着计算机技术的高速发展，用软件搭建仿真实验平台、模拟系统运行、增加控制点操作管理等方法已成为改善实践教学的经济可行之路。对此，在实践教学改革研究中涌现了大量虚拟实验教学建设和研究[3-5]。然而，我国虚拟实验的研究还存在很多问题与不足，如不注重教学设计、操作过程存在认知阻碍等，需要研究人员结合学生认知过程、多媒体表达信息方式和教学设计理念等方面，研究形成一套从设计开发到实施、管理的方案，实现辅助教学的目的[6-7]。

水处理工程实验教学系统是综合考虑实体工程系统和虚拟仿真系统双方优势而提出的建设方案。单纯采用仿真软件代替实体设备的实验，虽然成本低、操作方便，但软件中水处理工程的理想化环境无法替代实体实验；而仅靠实体设备实验又不能快速培养学生解决工程运行实际问题的能力。本文结合实体实验和仿真实验的优点，构建一套新型水处理工程实验教学平台，基于工作过程和认知规律设计实践教学，实施“实体实验—仿真实验—实体实验”螺旋式学习，提升学生实践能力培养。

2 虚实结合的实验系统设计思路

实验系统设计指导思想是将理论知识与工程实践相结合，按照认知规律构建虚、实实验平台及相关教学内容，突出学生分析问题、解决问题的能力培养，为学生主动性、探究性、创造性地学习提供条件。

在虚拟仿真与实体实验相结合的实践教学中，坚持“以实为本，虚实结合，交替实施，优势互补”的原则，实体实验是基础，仿真实验是补充。在虚实结合实践教学中，充分利用实体实验与仿真实验的互补性，发挥各自优点，互相促进，按照实现虚拟仿真与实际操作有机结合的目的，实现理论与实践的有机融合，知识与能力同步培养。

实验系统包含多个综合型、开放型实验教学部分，如水处理设备、水处理系统设计、水处理工程运行管理及自动控制等，为学生提供实体和虚拟的工程环境，提高学生工程意识，在虚实结合的实验操作中掌握工程理论知识和工程实践能力。教师首先对实体实验装置进行演示，将所授的理论知识融于其中，然后引导学生运用理论知识在仿真平台上操作实验，以此训练学生在设备认知、系统设计、自控调试方面的技能。在仿真实验教学中，学生人手一机，而且仿真模型都有原型化的装置，在仿真训练的基础上再对原型化的装置操作，实现对仿真实验和真实操作的比较分析。这样既降低了教学成本，又提高了学生的学习兴趣和学习效率，实现学生从实物演示实验的认知、到亲自动手仿真实验、再回到实物操作实验的螺旋式实践能力提升过程。

3 实体实验系统搭建

水处理实体实验系统包括水处理实验平台和水质分析实验平台。水处理实验平台采用RO反渗透水处理技术，利用先进的初滤、活性炭过滤、PVC合金超滤膜过滤和紫外线消毒等组合处理工艺而设计建成，它包括原水箱、原水泵、多介质过滤器、活性炭过滤器、精密过滤器、高压水泵、反渗透系统、纯水箱等设备，可对水质进行净化处理，达到饮用水水质标准。水处理实验平台组成见图1。水处理实体实验系统中配套搭建了水质分析实验平台，可对净化水质进行分析检测。

水处理实体实验系统在实践教学方面可开设多项实验项目，如水体中COD、微生物、含氧量等多项指标测定，石英砂滤、超滤等各项水质处理的实验与评价，以及水处理系统运行管理控制等，使学生在专业课程学习的基础上开展综合性、设计性、搭接式实验。

4 仿真实验系统构建

水处理实验教学仿真系统是配合已建的水处理实验平台建立的一套可操作的仿真实验教学平台。在仿真系统中，利用图形软件构建了实体水处理系统中各类设备、仪表、工具，通过工控组态软件设计工艺流程、组建完整的水处理系统。图形软件选用SolidWorks软件，其绘图效果逼真，设备结构从内到外三维呈现，有利于学生对水处理设备结构和工作原理、工艺过程的认知[8]；水处理系统工艺流程和运行控制子系统采用KingView组态软件搭建，它可以将设备、仪表灵活组建，不需要操作者精通C语言编程，只是在设计仿真系统核心部分时需要用编程方法将设备仪表等对象模型和控制融入组态软件当中。水处理系统工艺流程界面如图2所示。

水处理实验教学仿真系统最大特点是利用基于Windows环境下的数据采集、监测、处理和控制的工控组态软件，实现对水处理工程的设计、工程现场数据的采集与工艺过程的控制，为实践教学提供了良好的操作界面和简捷的工程实现方法，在实验操作上只要将预设置的各种实验功能以软件模块形式进行简单的“组态”，便可以容易地完成实践教学需要达到的各项功能。

5 实践教学案例

水处理设备拆装 针对实体水处理系统中核心设备及常用工具，在水处理实验教学仿真系统建设中均采用SolidWorks软件建立仿真对象，通过组态软件中点位图的导入功能，将所有对象图形导入组态软件中，建立水处理系统设备专业图库子系统（水处理设备库）。教师在教学过程中先从设备结构和工作原理的理论教学入手，再通过实体设备演示操作引导学生感性认识，然后利用仿真水处理设备库让学生选出设备并亲自动手拆装设备。学生可以从外形到内部构造进行认知学习，通过设备剖解掌握其结构和工作过程，最后再回到实体设备运行，完成对每一个水处理设备的学习要求。

水处理系统设计 在组态软件的开发界面下，设计了水处理工艺流程子系统和运行控制子系统，并且这两个界面可以方便地进行切换。在这一教学环节中，既要完成有针对性地指导学生学习水处理系统中典型设备的工作过程，如多介质过滤器、活性炭过滤器、反渗透机组的水处理过程和反冲洗过程；又要帮助学生掌握水处理系统的组成及其工艺流程的设计，把众多的水处理设备、仪表、阀门用管道有效地组合成一个完整的系统，完成特定的水质处理要求并达到国家标准。在这一教学环节中是以课程设计的方式提出教学任务，要求学生对一个水处理系统进行合理设计，并提交水处理工程方案及其设计图纸。因此，水处理实验教学仿真系统还利用C语言编写的接口软件将CAD制图软件与组态软件连接构成一个整体，使学生能够根据自己所设计的水处理工程方案，完成设计系统的CAD制图。同时，利用C语言编写的接口软件将Word软件也植入软件包内，使学生能够在该系统中编写工程设计方案。教师可对学生编写的工程设计方案及绘制的CAD图的质量进行考核评判，作为课程设计考核成绩。

水处理系统运行控制 利用PLC技术进行水处理工艺过程动画连接，模拟现场设备运行，实现对水处理系统工艺过程的运行管理进行仿真操作。在这一教学环节中，教师先分别在实体和仿真水处理系统上进行操作，学生观摩学习，了解系统运行操作规程，如系统的起停车、故障停车的基本操作、设备运行控制方法、故障查询操作方法等；之后学生在仿真系统上动手练习，模拟与工业现场同步的运行管理操作，不必担心对设备的损伤，通过反复的实操达到实践教学目的。

水处理实验教学系统对水处理工艺流程设置了测量点和控制点，因此在仿真平台上引入了水处理工程系统自动控制内容。在这一部分虚拟环境中加入常用的测量仪表，加深学生理解和掌握其工作原理和电气控制原理以及它们的安装、使用等知识。在教学过程中，教师通过实体实验系统上仪表的使用操作，引导学生熟悉水处理系统控制方法和要求；学生在仿真实验系统上不断学习和练习，进一步认识测量和自动控制在水处理工程系统运行中的作用，掌握主要设备控制参数和调节要求，对系统出现故障时能够合理分析、有效处理，并且掌握自控仪表选择及安装规范，准确操作水处理工程系统的运行和维护，提高学生面对实际工程出现问题时的应变能力和分析能力。

6 结束语

基于水处理实体和仿真相结合的实验平台建设，将理论与实践教学相结合、实体实验系统操作与仿真模拟运行训练相结合，实现了仿真技术与真实环境的灵活切换，传统实验与虚拟实验的相互补充。学生可以在实体实验系统上认知学习，在仿真实验系统上动手操作，完成多项水处理实验、实习、设计等实践教学项目，最后再回到实体实验系统进行真实实验，虚实结合，达到知识、能力培养要求。水处理实体和仿真相结合的实践教学，加强了学生对实验操作能力的培养，丰富了实践教学手段，提高了学生学习积极性，保证了教学质量。

参考文献

[1]厉旭云，梅汝焕，等.高校实验教学研究的发展及趋势[J].实验室研究与探索，2014，33（3）：131-135.

[2]娄娟，蔡国伟，等.以科技活动为载体培养创新人才[J].实验室研究与探索，2013，32（7）：126-129.

[3]霍凯，杨江天，等.多课程共享实验平台的探索[J].实验技术与管理，2015，32（3）：37-39.

[4]雷冬，朱飞鹏，等.力学虚拟仿真教学实验室建设的探讨[J].实验技术与管理，2014，31（12）：95-96.

[5]李有志，冯家勋，等.新形势下实验教学平台和基地的建设与实践[J].实验室研究与探索，2012，31（8）：103-106.

[6]郭桂苹，南岳松.虚拟实验教学研究现状及问题分析[J].实验室科学，2010，13（5）：175-178.

[7]李翠超，凌芳.虚实结合的虚拟仿真技术在工程训练中的应用[J].实验室科学，2015，18（2）：128-131.

[8]金文.仿真实训系统在实践教学中的应用[J].中国职业技术教育，2008（18）：40-41.