项目特色

特色与创新

学校高度重视教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的战略部署，深化信息化技术与教育教学深度融合，紧扣长江经济带区域发展经济和绿色环保经济对高校环境工程人才培养的需求，紧密结合环境工程专业特色和城市污水处理产业发展的最新成果，在和湖北君集水处理有限公司等企业进行校企合作、协同育人的过程中，把虚拟仿真实验项目建设作为学校教育教学改革专项的重要内容予以重点支持，开发具有独立自主知识产权的《城市污水处理工艺虚拟仿真实验》，突出以学生为中心、结果为导向的实验教学先进理念，以提高学生实践能力和创新精神为核心，在教学方式方法、评价体系及对传统教学的延伸与拓展方面形成了鲜明的特色。

5-1实验方案设计思路

为促进多学科知识交叉融合、提升学生综合设计能力、适应教育信息化、推动创新实践能力培养，我们设计开发了污水处理工艺虚拟仿真实验。

我们将城市污水处理厂所涉及到的处理工艺和设备分解成一个个独立的模块化单元，即积木化，每个单元具有相对独立功能、参数配置和动作操作，多个单元组合并赋予正确逻辑关系和恰当参数配置即实现一个工艺流程设计。学生根据实验目的可自行设计工艺流程，自由拖拽积木式模块化单元、自由排列组合、逼真3D体验F2-9，能吸引学生反复在线操作、反复训练、反复实验。这种构架增加了实验的设计性、探索性（任意性）、多样性和趣味性，促使实验教学活动转变到学生自己设计实验方案，自己控制实验过程，自主分析实验结果并撰写实验报告。

（1）将污水处理单元“积木化”，方便学生根据城市污水特点及处理要求灵活搭建合理工艺。污水处理工艺由不同的处理单元组合而成，处理单元有不同的形式，可组合成千变万化的工艺流程。但不同的污水存在同类型的污染物，处理工艺中存在相同的单元，形形色色的污水处理工艺实质是由不同的处理单元进行排列组合而形成，对此本实验项目将污水处理单元“积木化”，即将不同的处理构筑物设置为“积木单元库”，学生可根据污水水质特点和处理要求的不同，运用“积木单元”灵活搭建工艺流程，完成污水处理工艺的设计，有效调动了学生参与实验的积极性和主动性。

（2）“积木单元”具象化、内部结构可视化，帮助学生更好的理解处理单元的构造和原理，更好的掌握管线连接和总体布置。“积木单元库”中设置了常用的污水处理构筑物“积木”，采用3D图像技术，使处理构筑物内部可视、具象，学生可直观了解构筑物内部构造，帮助学生更好的理解和掌握其功能及作用。在总体布置环节，可使学生更好的理解处理单元之间管线的连接和布局。

（3）将设计的污水处理工艺通过实验平台，“构建”虚拟仿真污水处理厂。工程设计教学无法将设计内容变为实体，本实验项目工艺设计完成后，可通过拖拽处理单元“积木”，完成污水厂的总体布置，从而实现污水处理厂的“构建”，实施设计内容，完成CDIO中的I环节。

（4）通过平台实现污水处理厂运行操作实验。学生可积木搭建多种污水处理流程，通过平台运行仿真污水处理厂，自行调整运行参数，进行故障试验，可解决这些操作在实际中存在巨大风险和产生高额成本的问题，并可多次重复操作，不会造成污染和不必要的浪费，真正实现CDIO中的O环节，更加激发了学生的学习兴趣和潜能。

5-2教学方法

利用虚拟仿真技术和数字模拟技术，辅助废水处理工艺流程设计，并可进行污水处理全工艺流程仿真实验，弥补了无法进行实体实验的遗憾，是教育教学改革的产物，虚拟仿真实验的灵活多样性也为教学方法的改革和探索提供了可能。

结合任务驱动教学法、案例教学法等的应用促进践行CDIO工程教育理念和教学模式，在理论与实践之间架起桥梁、建立纽带，让学生感受体验式的学习，可以锻炼学生工程模拟、工程设计、工程放大等工程技能，通过3D虚拟现实设计实验，可以增强真实体验感，贯通学生对污水处理理论与工程的深刻理解，最终实现学生熟悉污水、吃透“标准”、精通工艺、玩转操作，加强了工程应用及综合能力的培养。

通过本虚拟仿真设计实验项目的建设和使用，主要实现了以下三个方面的改革和突破：

（1）通过构建高度逼真的虚拟实验环境，使学生仿佛身临其境，显著增强实验的真实感和趣味性，激发学生投身实际工程实践的热情，进而大大提高实验教学效果。

（2）通过线上线下结合的虚拟仿真设计实验，使得学生既能利用零碎时间进行实验操作，又能反复试错纠错，提升学生敢于尝试、不怕失败的原生动力，有效解决当前实习实训过程中学生积极性不高、效率低下等突出问题。

（3）为学生营造自主学习的环境和平台，激发学生积极投身学习的主观能动性和团结协作精神，实现教育理念从“以教师为中心”向“以学生为中心”的深刻转变。

5-3评价体系

已将污水处理工艺虚拟仿真实验教学项目纳入了环境工程专业的培养方案和实践教学课程，制订了相关教学效果评价办法。根据学生和教师反馈，持续地改进相关教学评价机制。

（1）激励式、容错式评价体系。强调设计及实验过程，允许部分不合理的结果存在，允许更正和纠错。在过程评价上，从污水特性分析到工艺方案提出，步步紧扣，每个环节都纳入专家库系统评价范畴，涵盖所有知识点和重点内容；在结果评价上，要求学生掌握并熟练运用经典的处理工艺路线，也鼓励学生大胆创新，允许设计经济合理的新颖的工艺路线，并针对综合评价结果进行潜力挖掘和自我完善。

仿真实验平台促使诊断性评价、形成性评价、终结性评价相结合。诊断性评价是学生对自己是否具备实验所需要的背景知识和技能储备进行的自我评估，以便自主补足。在实验开始之前让学生自主利用仿真实验平台进行预习，对自己所具有的认知、技能方面的条件进行自我诊断、评价，并允许学生根据预习结果进行自我反省、自我纠错、自行提高。形成性评价是在实验进展过程中进行的评价，具有提示、反馈的功能，其目的是监督和引导实验进程，对实验进程进行调整或修正，这类评价将原来预定的各步实验目标作为评价依据。总结性评价在实验结束之后所进行，所关注的是整个实验阶段所产生的结果，目的是了解整体的实验效果。仿真实验评价设计成把教学评价体系作为一个统一的整体来加以运用，特别重视“诊断性评价”和“形成性评价”，体现了素质教育理念的评价观。允许学生反复实验，自我纠错，不断提高实验质量，直到自我满足为止，着重的是学生能力和素质的增值，不是简单的分等排序。承认学生的努力和进步，从而激励学生的学习热情、求知欲望、促进学生能力快速提高。

（2）客观、主观题全方位考核，给出量化但具有个性化的评价结果。工艺流程搭建、工程设计计算、总平面布置、运行实验等环节中包括客观题和主观题。客观部分直接利用系统进行评价给分，主观部分如总平面布置，通过系统导出布置图，由教师给出评阅意见并评分。给出量化评价结果，但尊重个性化，对学生的设计和实验操作进行点评，可以让学生明白自己的长处和短板，以利于他们在后面的学习和工作中扬长补短。

正在与相关高校探索有利于虚拟仿真实验教学项目开放共享的教学绩效激励机制，建立高校间相关实验教学项目成绩互认、学分转换机制。

5-4传统教学的延伸与拓展

本项目以提高学生实践能力和创新精神为核心，以现代信息技术为依托，以水污染控制工程实验教学内容为指向，通过构思、设计、实施和运行四个实验环节，以“虚实”结合、以虚补实进行工程情景模拟实验教学，推进了现代信息技术与实验教学的深度融合，拓展了实验教学内容的广度和深度，延伸了实验教学时间和空间，提升了水污染控制工程实验教学质量和水平。

（1）拓展了水污染控制工程实验教学的深度和广度。利用虚拟仿真的优势，实现了实验室中难以实现的教学内容，拓展了实验内容的深度和广度；开辟了多途径、多方案、设计性实验途径，凸显学生综合设计与创新思维能力培养的深度和广度；使互动式、案例式、研究型、团队式教学方法得以实施，使自主式、合作式、探究式学习成为可能，推进了探究式教学方法的普遍运用，激发了学生探究未知的热情，提高了学生解决实际问题的工程应用能力。

（2）以生为本，实现知识体系理解的“理性-感性-理性”螺旋提升。虚拟仿真实验教学项目以学生为中心，平台全天候开放，以线上线下、课内课外交互学习的模式，将污水处理相关理论课、实验课、课程设计和污水处理厂生产实习等环节，与仿真实验互通交叉进行。在传统课堂教学中，学生学习的知识理论性强，理解扁平化，通过在直观、可视的虚拟仿真实验项目中实施设计实践、构思实现、运行操作、问题解决过程，增加学习的趣味性，学生对理论知识的感性认识不断增强，对设计理念的掌握运用逐步熟练，对知识结构的建立形成持续完善，实现对专业知识体系理解的“理性—感性—理性”螺旋提升，强化了学生问题分析解决能力、综合设计能力、实践创新能力。

（3）服务教学，贯通多门专业课程间的知识联结。本项目包含工程设计、水质检测、运行操作，可实现服务理论教学，使抽象的理论具象化，使二维构造图立体化，辅助学生进行课程设计及毕业设计多种功能；构筑物可视化，使学生在污水处理厂认知实习和专业综合实习中更好地理解处理单元的构造和运行；水质检测操作，可以帮助学生对测定实验进行虚拟操作预习。以上功能将环境工程专业的多门课程紧密联结，可以将分散在多门课程中相关联的知识点有机连接、融会贯通，解决了课程设置中不可避免的脱节情况（见图16）。通过本项目，使专业课程间互联互通、更加系统化、网络化。

图16 污水处理工艺虚拟仿真实验平台与相关理论课程和实践教学的关系示意图

*WWTP:污水处理厂

（4）校企合作，累积成果，不断进行实验教学内容更新与技术、工艺更新。湖北君集水处理公司是学校合作企业，为实验教学项目的教学开展提供了大量的专业实验设备、技术支持和经费支持。在传统教学的基础上，项目可以不断积累教学教研成果，教师、学生以及合作公司的创新成果、技术研发成果和工程应用成果，不断进行实验教学内容更新与技术、工艺更新，与工程实践无缝对接，拉近了实验教学与工程实践的距离，逐步形成产学研一体化创新的虚拟仿真实验教学体系，使学生尽早接触行业发展前沿与先进技术成为现实；依托虚拟仿真技术研发公司提供的虚拟仿真产品及相关技术支持，项目用于学校虚拟仿真实验教学，并持续开发拓展项目内容及功能；充分发挥工程技术企业和信息技术企业在虚拟仿真实验项目中的积极作用，创新才人培养模式和教学方法，强化大学生综合能力训练，培养适合创新性国家建设的应用型创新人才。

（5）创新训练。项目包含有大量的虚拟仿真实验内容，已逐步用在了创新实践训练、学科竞赛、课程设计等教学过程中。

（6）开放与共享。利用本项目的污水处理工艺实验平台的开放性和延伸性促进学生自主学习、研究性学习、无纸化学习。已在考虑向中西部高校、特别是西部地区高校优先定向在线开放，为培养长江流域区域性经济发展和西部经济发展所需要的环境工程人才特别是具有污水处理工程能力的应用型人才做出实实在在的贡献。