《给排水处理仿真教学软件》的开发与应用

摘要: 《给排水处理课程仿真教学软件》经过多年的开发成功,在给排水专业主干课程污水处理和给水处理的教学改革中取得了成效,符合高等职业教育教学规律,在社会上取得了良好的声誉。本文对该软件的技术开发与实践效果进行论述。

Abstract: "Simulation of water and wastewater treatment course teaching software" after years of professional backbone course in water, wastewater treatment and water treatment in the teaching reform of higher vocational education, with teaching rules, in the society has achieved good reputation. This paper discusses the software technology development and practice effects.

关键词: 水处理;仿真软件;模拟教学;实践;改革

Key words: water treatment;simulation software;simulation of teaching;practice;reform

中图分类号:TP31;G71 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)20-0191-03

0引言

根据“以就业为导向,以能力为本位”的职业教育指导思想,我院给排水专业就如何实现 “应用型高技能”人才培养目标作了有益的探索。在深入分析了给排水行业对高技能人才的能力要求的基础上,创新性地开发了给排水处理仿真教学软件。该教学软件把自来水厂和污水处理厂“搬”到计算机中,学生在课堂上就能模拟自来水厂和污水厂实际运行工况进行调试控制操作,掌握给排水处理运行管理所需的各项技术技能,模拟情景逼真、生动,极大地提高学生的学习兴趣和学习效率。近几年该软件在教学实践中的应用表明,由于真正实现了工作过程的模拟教学,显著提高了学生的技术应用能力,培养的人才深受用人单位的欢迎。目前,该教学软件已经在超过130所大学及职业院校的常规教学中和多家企业的上岗培训中得到应用,取得了良好的声誉和社会效益。

1开发背景

《给水处理》和《污水处理》是给排水专业的核心课程,一方面,这两门课程内容综合性强、涉及面广,学生对各种工艺理论、处理方法、构筑物结构性能和生产管理等综合性问题很难理解,感觉到高深难学;另一方面,由于水处理设备体积庞大,生产成本高,管理难度大,在学校建设水处理构筑物不现实。而出于安全考虑,学生实习、见习时,工厂一般不允许学生进行具体的操作,从而导致理论教学与技能训练相互脱离,教学效率低下,学生就业后不能适应企业的实际需要。

为了改变这种现状,我院给排水专业率先在专业教学中进行学习方式的改革,创新教学模式,开发给排水处理仿真教学软件,以仿真教学的方式将企业的生产现场通过现代教学手段“搬”到课堂上,在一定程度上改变以往教学中学生学习困难的问题,在专业教学中取得突破。

2开发过程

学院高度重视给排水仿真教学软件的开发,在周美新院长的亲自带领下,以给排水专业教师邓曼适、徐毅茹、李穗芳为主成立了科研攻关小组,先后投入了20多万元。在北京东方仿真公司的支持下, 2000年至2002年开发了给水处理仿真教学软件,通过试用和完善,2004年至2005年开发污水处理仿真教学软件,经过五年的努力,给排水仿真软件终于开发成功,填补了国内空白。

《给排水处理仿真教学软件》如图1所示,由多媒体课件和实操实训软件组成,包括有给水处理工艺仿真软件、城市污水处理工艺仿真软件、给水处理课件、污水处理课件和智能教学评分系统共五部分内容。

3技术特色

给排水仿真软件是由三个主要部分组成,即过程系统、数学模型和仿真机。这三部分由建模和仿真两个管理联系在一起,如图2所示。

3.1 水处理仿真培训设计特点如图3所示,实际生产过程包括四个主要因素:自动控制室、工艺构筑物和设备、操作人员、干扰与事故。

自动控制室和生产现场是生产的硬件环境,在构筑物建成后,工艺或设备基本上是不变的。操作人员分为内操和外操。内操在控制室内通过DCS对装置进行操作和过程控制,是水处理生产的主要操作人员。通常,外操在生产现场进行诸如生产准备性操作、非连续性操作、一些机泵的就地操作和现场寻检。操作人员是生产的关键因素。其操作技能的高低直接影响产品的质量和生产效率。

图4 是根据实际生产过程设计的仿真培训过程。学员在“仿控制室”(包括图形化现场操作界面)进行操作,操作信息经网络送到工艺仿真软件。水处理设备工艺仿真软件完成实际生产过程中的物理变化和化学变化的模拟运算,一些主要的工艺指标(仿生产信息)经网络系统反馈到仿控制室。学员观察、分析反馈回来的仿生产信息,判断系统运行状况,进行进一步的操作。在仿控制室和工艺仿真软件间形成了一个闭合回路,逐渐操作、调整到满负荷平稳运行状态。

3.2 仿真软件实现的教学功能该软件主要教学内容包括有以下八项生产工艺:《城市给水处理工艺》、《V型滤池单元工艺》、《污水处理工艺》、《污泥处理工艺》、《活性污泥单元工艺》、《消化池单元工艺》、《初沉池单元工艺》、《氧化沟单元工艺》。

软件的主要运行模式有:①提供用户单机的培训模式;②提供用户联网操作,培训老师可以查看,管理学员;③提供一个学习小组操作一个软件的模式。④支持异地的学员通过互联网进行远程培训;⑤ 可设立"教师站",提供练习、培训、考核等模式,并能组卷(理论加仿真)、设置随机事故扰动,能自动收取成绩等功能。

软件具有教学培训特点,便于教师和学员操作使用,主要有:① "切换培训项目":可以随意切换同一软件中的不同单元;② "切换工艺内容":可以随意切换同一单元中的不同工况;③ "进度存盘/重演":在硬盘上将当前状态进行存档和读出;④ "系统冻结/系统解冻":暂时停止计算机模拟计算,但不会丢失数据;⑤ "趋势画面":可以查看不同操作引起的相应工艺参数变化;⑥ "报警画面":时时显示超出正常工艺范围的变量及参数;⑦ "智能评分":提供即时操作指导信息,对学员操作进行同步监测与评判,并给出相应成绩;⑧ "DCS风格":提供通用DCS风格方便对使用不同DCS的员工进行培训。

4教学实践应用

4.1 提高学习兴趣,改善教学效果从2005年开始,给排水仿真教学软件在我院给排水专业和环保专业教学中全面应用。在专业教学计划中,设置给排水处理仿真一周实训,是限选课程,1课分。

教师利用该软件中多媒体课件进行工作原理的介绍和分析;利用课件的习题库进行课后练习或小测;利用软件内设置的培训项目,强化学生分析问题、解决问题的能力的培养,充分激发学生的思维,调动学生的学习积极性,课堂气氛活跃,学生对于给水和污水处理工艺的分析判断能力,逻辑思维能力,解决问题能力和综合应用能力得到明显的提高。

自《给排水仿真教学软件》投入使用以来,我院的02级到07级的给排水专业和04级到07级的环境管理专业的学生,共计21个班级952名学生,全面使用了该教学软件。学生对《给排水仿真教学软件》的培训课程兴趣浓厚,对模拟教学法给予了较高的评价。普遍认为软件的实操训练就象“玩游戏”,在不知不觉中理论知识水平和实操能力都得到提高,培养了主动思维的习惯,为就业打下良好的专业基础。有的学生还很有兴趣想买软件回家里继续学习。

2009年12月,我院对部分学生进行了一次关于给排水仿真教学软件使用情况的调查,共发放调查问卷150份,回收146份,有效问卷144份。见下表1:

从调查数据上看,大部分学生对《给排水仿真实训》课程具有相当高程度的认可,从学生的反馈上看,给排水仿真教学软件的使用提高了学生对理论知识的理解,提高了学生的技能水平,促进了职业能力的发展。同时,学生也指出了软件中不足的地方。

4.2 模拟生产环境,改革教学方法运用仿真软件模拟真实工作的教学中,学生面对的是一个贴近实际情况的学习情境,面对的是动态变化的工作问题。在教师的导引下,学生有机会自己计划和组织自己的学习行为,做出工作决策;学生有机会独立处理个性化的学习问题,尝试应用知识,分析和解决问题;学生在时间压力的条件下进行工作,使学生关注工作效率。

在模拟教学法中运用仿真软件,教师引导学生自主探究,从“授之以鱼”变为“授之以渔”,在有效地进行技能训练的同时,帮助学生获得经验,提高了综合职业能力,有效实现给排水专业的培养目标。模拟教学法是运用模拟器(如仿真教学软件),创设模拟生产的教学情境,使学生在接近现实的情况下,扮演自动控制技术员,并在学习过程中与模拟的生产活动进行互动,以达到预期的学习目的。模拟教学法融合了情景教学、实践教学、案例教学等教学模式的优点于一身,符合高职教育改革的思路。模拟教学以假代真,为学生提供仿真的实践环境,使学生在生产组织、工艺程序、现场技术等方面得到训练。学生在模拟的工作岗位上扮演职业角色,达到走上工作岗位后缩短工作适应期的培养目标。模拟教学法在仿真教学中应用是职业教育领域一种教学尝试,是有效的教学改革。

4.3 教学实践应用总体评价《给排水处理仿真教学软件》使用五年来,促进了教学效益的提高和学习效果的提高,无论是来自教师的使用反馈还是来自学生应用反馈,均受到好评。

4.3.1 可以增加教学容量,使学生在有限时间内获取更多的知识并且能够把专业教学中难以理解的抽象问题借助图形来直观表达,抽象问题具体化,言简意赅,教师在课堂上能充分传达教学意图,减轻了教师的教学压力。

4.3.2 教学效果明显提高软件帮助教师在课堂上快捷的根据学生的反馈信息,进行现场分析和答疑。以人机对话方式,灵活方便地进行启发式教学。在多媒体课件和实操软件的支持下,课堂教学方式可以变得多种多样,如演示型、讨论型、实操型或各种方式的有机结合。这样既保证了教学的规范性、系统性、条理性,又具有一定的自主性、多样性和灵活性。教与学、教与练的关系更为融洽,更为密切,激发了学生的学习兴趣和参与精神。

4.3.3 软件在教学上更加操作灵活,控制方便突出了“好看”和“好用”的特性,避免了教材千篇一律的灌输式的缺陷,促使传统的以教师为中心,以课堂为中心,以书本为中心的教育方式转变为以学生学习为中心,以强化个体实践为中心,以信息交流为中心,满足现代职业教育的要求。

4.3.4 创新了技能训练手段借助软件,能不受场地的限制,加强学生的职业技能训练,提高了职业训练的针对性和实效性。

5社会推广应用

目前,该教学软件已经在社会上得到推广应用,在全国有华中科技大学、哈尔滨工业大学、同济大学等超过130所大学及职业院校教学应用,有多家企业岗位培训,取得了良好的声誉和社会效益。部分用户反馈意见表2。