虛擬儀器技術(shù)在水質(zhì)工程學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告論文

虛擬儀器技術(shù)在水質(zhì)工程學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用獲獎(jiǎng)科研報(bào)告論文【摘要】水質(zhì)工程學(xué)是市政與環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)的核心課程。本文介紹將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用在水質(zhì)工程學(xué)課程教學(xué)中，將教學(xué)內(nèi)容立體化、動(dòng)態(tài)化，改變傳統(tǒng)教學(xué)方式的弊端，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，提高教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】水質(zhì)工程虛擬儀器技術(shù)課程教學(xué)

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水質(zhì)工程學(xué)是市政與環(huán)境工程等專業(yè)的核心課程，歷來(lái)是各高校相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容。該課程涵蓋物理、化學(xué)、生物、化工等多學(xué)科的理論，用工程學(xué)的方法研究給水和廢水處理的工藝和工程技術(shù)，要求學(xué)生全面系統(tǒng)地了解水的性質(zhì)、給水和廢水的水質(zhì)特征與水質(zhì)指標(biāo)等基本概念與理論；掌握城鎮(zhèn)給水與廢水處理技術(shù)的基本概念、基本理論、基本計(jì)算方法及其發(fā)展?fàn)顩r。課程知識(shí)面廣，內(nèi)容抽象，還包括大量的數(shù)據(jù)以及公式、設(shè)計(jì)圖。傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在內(nèi)容不夠直觀和全面等弊端，大大影響了課程的教學(xué)效果。

虛擬儀器技術(shù)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)相結(jié)合，形成新概念儀器——虛擬儀器，近年來(lái)發(fā)展十分迅速。將虛擬儀器應(yīng)用到水質(zhì)工程學(xué)課程中，實(shí)現(xiàn)將水處理工藝構(gòu)筑物從抽象概念到具體實(shí)物的轉(zhuǎn)換，改變傳統(tǒng)語(yǔ)言化的教學(xué)現(xiàn)狀，優(yōu)化教學(xué)效果。

一、虛擬化儀器技術(shù)的概念

虛擬儀器概念（VirtualInstrumentation）最先是20世紀(jì)80年代中期由美國(guó)國(guó)家儀器公司首先提出的，是基于以計(jì)算機(jī)硬件為核心的測(cè)試平臺(tái)上，根據(jù)需求設(shè)計(jì)定義虛擬的操作前面板，由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)一系列儀器測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。形象地說(shuō)法就是“軟件即為儀器”。

“虛擬儀器”可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，也可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體。從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。

二、虛擬技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬儀器之所以被大多數(shù)行業(yè)所應(yīng)用，是因?yàn)樗鄬?duì)于傳統(tǒng)的技術(shù)存在著很多的優(yōu)勢(shì)：①功能先進(jìn)，具有可開(kāi)發(fā)性，用戶可根據(jù)自身需要自行用軟件定義；②儀器功能的改進(jìn)和擴(kuò)展只需設(shè)計(jì)更新對(duì)應(yīng)軟件，而不需購(gòu)買新的儀器；③儀器使用過(guò)程中，檢查和維護(hù)費(fèi)用低；④儀器研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短。⑤虛擬儀器開(kāi)放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，可與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。

虛擬技術(shù)在教學(xué)方面的作用性更強(qiáng)，可以利用它的開(kāi)放性和對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力，將復(fù)雜的教學(xué)知識(shí)加以仿真，增強(qiáng)真實(shí)感，讓學(xué)生可以對(duì)復(fù)雜多樣化的知識(shí)進(jìn)行全面的了解，對(duì)各個(gè)部分的工作流程看得更加清楚，這樣在給學(xué)生的學(xué)習(xí)增加了興趣的同時(shí)，也增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的消化能力。虛擬技術(shù)的開(kāi)放性和獨(dú)特的仿真性在我國(guó)具有強(qiáng)大的作用。

三、虛擬儀器技術(shù)在水質(zhì)工程學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

（一）完善教學(xué)內(nèi)容

目前教師主要采用制作電子幻燈片的形式進(jìn)行水質(zhì)工程學(xué)的授課，幻燈片的形式多以靜態(tài)內(nèi)容為主，而水質(zhì)工程學(xué)課程中涉及很多水處理技術(shù)相關(guān)的處理構(gòu)筑物，需要講解各種構(gòu)筑物的原理、運(yùn)行過(guò)程及內(nèi)部構(gòu)造等知識(shí)?；脽羝袉我坏膱D片和簡(jiǎn)單的視頻信息對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)并不直觀和全面。雖然課程安排了學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)參觀實(shí)習(xí)，但由于實(shí)習(xí)課時(shí)有限以及學(xué)生參觀規(guī)模較大，可參觀的水處理廠的數(shù)量有限。再有運(yùn)行中的構(gòu)筑物無(wú)法看清它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及具體的運(yùn)行過(guò)程。

采用虛擬儀器技術(shù)可以構(gòu)建虛擬的處理構(gòu)筑物，設(shè)計(jì)虛擬的水處理工藝流程，可提供一種仿真的水處理廠運(yùn)行的“情境”。學(xué)生和老師可以通過(guò)計(jì)算機(jī)外部輸入進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)操作，觀測(cè)構(gòu)筑物及整個(gè)處理流程的運(yùn)行過(guò)程。這種直觀的展示可以學(xué)生更容易掌握相關(guān)的工作原理，對(duì)整個(gè)水質(zhì)的工藝流程有足夠的認(rèn)識(shí)，同時(shí)可以增加學(xué)生的興趣。

（二）提高學(xué)生實(shí)踐能力

水質(zhì)工程學(xué)課程主要注重培養(yǎng)學(xué)生在水處理技術(shù)領(lǐng)域的工程實(shí)踐能力，所以教學(xué)中涉及課程實(shí)習(xí)和課程設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)就變得尤為重要。但是由于存在以下幾個(gè)原因效果不甚理想，同時(shí)也給教師的教學(xué)工作和學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)了很大的壓力：①水廠實(shí)習(xí)過(guò)程中，出于安全考慮，學(xué)生不能近距離觀看。②學(xué)生無(wú)法跟上現(xiàn)場(chǎng)講解員的節(jié)奏，達(dá)不到實(shí)習(xí)效果。③設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生缺少立體想象能力，不能夠?qū)ι形唇佑|過(guò)的水工構(gòu)筑物進(jìn)行合理地構(gòu)想，進(jìn)而繪圖。④很多高校教師由于沒(méi)有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)的內(nèi)容與實(shí)際工程嚴(yán)重脫鉤。

利用虛擬儀器技術(shù)所具有的仿真作用將水處理過(guò)程充分的展現(xiàn)出來(lái)，對(duì)每個(gè)部分的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程更加直觀的演示，并讓學(xué)生們進(jìn)行詳細(xì)的分析，將水質(zhì)的工作流程以及處理的方法進(jìn)行總結(jié)。通過(guò)這種形式的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生對(duì)各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系、各個(gè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行有更加清晰的印象，大大的增強(qiáng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和工程應(yīng)用能力。

（三）增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在利用虛擬技術(shù)將污水處理的過(guò)程進(jìn)行仿真，學(xué)生可以通過(guò)軟件觀察出處理的過(guò)程和水流的情況；可以在操作“虛擬構(gòu)筑物”的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。這會(huì)大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)效率和積極性。

總之，虛擬儀器技