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摘要：分析了给排水科学与工程专业实验教学的不足，结合虚拟仿真技术的特点和优势，将传统教学内容与仿真技术融合，从人才培养角度考虑，构建基础性课程虚拟仿真实验、专业模块课程虚拟仿真实验，以及创新训练平台三个层次的实验教学内容，进而建立符合专业特点的仿真实验。阐述了各层次实验项目的教学目的和内容，以期为高校开发虚拟仿真实验教学项目提供参考。

关键词：虚拟仿真，虚拟实验，实验教学，人才培养

Abstract： This paper analyzes the shortcomings of the experimental teaching of water supply and drainage science and engineering specialty， combines the characteristics and advantages of virtual simulation technology， integrates the traditional teaching content with simulation technology， and constructs the experimental teaching content of three levels： basic course virtual simulation experiment， professional module course virtual simulation experiment and innovative training platform from the perspective of talent training， so as to establish the simulation experiment in line with the professional characteristics.This paper expounds the teaching purpose and content of experimental projects at all levels， in order to provide reference for the development of virtual simulation experimental teaching projects in Colleges and universities.

Key words： virtual simulation；virtual experiment；experimental teaching；talent training

1、存在问题

随着节能减排，碳中和、碳达峰等宏观国家战略的推进，给排水科学与工程、环境工程、环境科学等市政环境类本科专业越来越受到社会重视，在国内高校中广泛开设，教学体系较为系统、规范[1，2]。虽然这些专业的实践教学环节符合专业规范要求，也满足工程教育认证的要求，但在实施成效与用人单位的期望，及世界先进工程教育水平仍旧存在一些差距。由于此类专业特点，以及实践教学的资源条件等要求，传统的事件教学环节存在着一些问题。

（1）受时空限制，实践教学开展不够全面。开设相关专业的高校，其实验室均配有水污染控制工程实验设备/水质工程学实验设备，或其他专业实验装备，但受物理空间、时间等的限制，所开设的实验项目只能在小型实验仪器或演示性设备上操作，学生仅能进行在特定参数下的运行或仪器设定好的范围内的调整[3]。而一个完整的污废水生化处理工艺实验包括一系列的操作，例如：污泥培养与驯化、不同工艺参数的调整、水质指标分析、微生物分析等，整个实践操作时间跨度较长，在实验室条件下很难完整实现。

（2）受资源、条件限制，不能满足学生自主实验的需要。对于一些涉及有毒或者价格昂贵的化学药品的实验，由于实践教学经费有限，导致此类实验项目无法开展；对于一些实验需要用到大型精密仪器，而大型精密仪器的操作使用要经过相应的培训，二是台套数量相对少，此类的实验项目也不能有效的开展[4]。这便限制了学生实践操作能力的提高，以及创新思维的提升。

（3）受实践基地安全生产管理要求，学生实际现场操作机会少。在传统的现场实习实训中，企业为了保障实习学生的人身安全，以及企业生产线不能随时提供调控、停机讲解等条件，学生的现场实习实训多流于“走马观花”式的实习实训，这使学生难以了解到各生产设备的运行与管理，构筑物或设备的内部结构，进而很难达到预期的实习实训效果。

（4）受教学经费限制，实验实训的项目设置具有滞后性。当前新材料、新工艺、新技术不断涌现，污废水处理新工艺以及其他给排水新工艺日趋复杂，这些新的工艺与技术在当前的实践教学过程中不能及时的体现，有一定的滞后性。

上述问题给传统实验教学方法带来极大的困难，影响到给排水科学与工程专业本科实验实训效果。而通过虚拟仿真技术和虚拟仿真实验能有效解决以上问题。

2、虚拟仿真技术的特点与优势

（1）运用虚拟仿真技术，改善实践课程的结构

通过虚拟仿真技术合理整合基础性、验证性实践教学环节，能节约大量的实验课时，便于增加综合性、设计性学时。利用虚拟仿真技术的特点，提供低成本的实施路径，进行仿真实验，并且在大型精密仪器操作，复杂工艺运行管理等实训时，对没有及时掌握的实习实训项目，可利用虚拟仿真实验技术进行多次练习。有利于学生克服操作失误，避免仪器损坏[5]；同时教师利用虚拟仿真实验的反馈模块收集学生操作的基本情况，认清实践教学的难点，对于共性问题、关键环节进行分析讲解，对实践能力差的学生进行面对面的个性化指导。

（2）利用虚拟仿真技术，提高实践教学的效果

实习实训环节是教学体系中一个重要组成部分，利用虚拟仿真技术可以较为形象地展示实验或者实习实训过程中工艺过程、设备或构筑物的内部结构，这有助于学生掌握工艺过程和调整策略，提高学生对工艺过程的分析和决策能力，进而达到传统实践难以达到的效果。

（3）采用虚拟仿真技术，丰富课程资源的建设

利用虚拟仿真技术建设完善的优质实践教学资源，进而推动实践教学和理论教学过程的高质化，对改善和提升实践教学质量有重要的现实意义。

3、给排水科学与工程专业虚拟仿真教学建设内容

教学资源由基础性课程虚拟仿真实验系统、专业模块课程虚拟仿真实验系统两大类虚拟仿真实验，以及创新训练平台构成[6]。基础性课程虚拟仿真实验系统围绕着给排水科学与工程专业的专业基础性课程的教学要求，包括物理化学、水分析化学、水力学仿真实验系统；专业课程虚拟仿真实验系统包括给排水管网系统、建筑给水排水工程、水质工程学、泵与泵站、水资源利用与保护等五个模块的虚拟仿真实践教学资源；创新训练平台主要面向于学生个人，或学生小组在基础实验和综合实验以及其他实验、实习实训活动的基础上，自主选择实验实训项目，进行研究性的实验学习。

3.1基础性课程仿真实验教学系统

基础性课程虚拟仿真实验教学系统既有物理仿真，又有虚拟仿真。

3.2、专业课程仿真实验

专业课程仿真实验主要以专业课程为主，包括“水质工程学”、“建筑给水排水工程”、“给水排水管网系统”等课程的实验。城市自来水和污水处理设施，结构复杂，常规实验室实验模型难以生动展示各处理单元的全面特征。用动画和图像形式直观展示各单元的工艺特点，学生可以获得直观的感受。通过本模块，学生可以改变各单元的设计参数，加深对相关过程的理解；火灾消防实验难以进行实际的操作，危险性非常大，通过仿真实验可以使学生有效的了解火灾发生过程、消防灭火的过程等相关知识点，可提高学生对此方面知识的理解；而管网系统主要在城市的地下，系统错综复杂，通过仿真实验可以帮助学生更好的理解管网系统的拓扑结构、不同设计方案导致的管网压力、流速和水质等参数的变化。同时掌握管网地理信息系统的基本结构。学生可以通过交互式界面，更改管网拓扑结构、管道粗糙系数、余氯衰减系数、水泵特性曲线和大用户水量特征等参数，实现大规模地下管网的在线仿真，从而深入理解管网特性。

专业课程仿真实验设置目的是为了让学生系统掌握相关专业知识和技能，引导学生自主发现问题、并提出解决问题的方法，培养学生的创新能力、动手能力与团队合作精神[7]。帮助学生掌握综合运用多门课程知识的能力，建立系统的概念。

3.3创新训练平台

创新训练平台主要涉及水工艺与水工设备、水处理过程分析、水资源与水安全分析等方面。设置目的是为了让学生在掌握实验实训实训技能，达到对学生进行实验实训能力和科技创新能力的提升，培养学生创新设计的能力，激发学生专业兴趣与热情[8]。

4结语

（1）将虚拟仿真技术与给排水科学与工程专业实践教学相结合，涉及虚拟仿真实践教学体系的构建，虚拟仿真资源库的建设，虚拟仿真实践教学的模式建设，教师教学组织策略、学生学习能力培养和创新型能力培养等多方面内容相结合。

（2）针对传统实践教学项目难以开展的问题，利用信息化技术，将虚拟仿真与实践教学有机融合，为理论教学提供虚拟素材，促进知识结构的融汇贯通，提升学生综合运用知识的能力。

参考文献：

[1]郭亮，梁宏，刘京，陈明，南军，周志刚.基于虚拟仿真技术的市政环境类实验教学[J].实验室研究与探索，2015，34（07）：107-110+121.

[2]李喜林，刘海卿，孙庆巍，曹启坤，狄军贞，刘玲.市政、环境类专业虚拟实践教学平台构建[J].实验室科学，2021，24（03）：162-165.

[3]林英姿，李金春子，王悦宏，宋铁红，徐莹莹.虚拟仿真在给排水科学与工程专业实验课程中的应用探讨[J].给水排水，2020，56（12）：132-135.

[4]银玉容，朱能武，施召才，马伟文，史伟，张建功.虚拟仿真实验系统在给排水工程专业实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2016，33（01）：111-113.

[5]陈晓兵，于坤，肖绍章，高丽，吕如梦.利用虚拟仿真技术培养大学生创新能力的路径研究[J].中国信息技术教育，2022（05）：104-107.

[6]冉谷，张六一，饶通德.虚拟仿真实验在环境专业仪器分析实验教学中的应用[J].广州化工，2022，50（03）：152-153.

[7]罗武辉，孙涛，李奇，黄震，龚丹丹，陈云嫩.虚拟仿真实验在高校环境课程教学中的应用探索[J].广东化工，2021，48（23）：213-214+245.

[8]范佳民，石先阳，晏绍飞，许仁鑫，高毅.生态与环境虚拟仿真实验教学中心构建与管理[J].实验室研究与探索，2021，40（09）：145-148.

基金项目：江苏省现代教育技术研究课题（2018-61447），教育部产学研协同育人项目，教育部高等学校给排水科学与工程专业教学指导分委员会教学改革项目（GPSJZW2020-07）

作者简介：张建昆（1981— ），男，河北石家庄人，博士，教授，从事给排水科学与工程专业的教学工作。