虛擬仿真技術(shù)在水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展

許美蘭 胡振鋒 龍絳雪 曾孟祥

摘 ?要：傳統(tǒng)水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)已無(wú)法滿足學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的深層需求。虛擬仿真技術(shù)可嘗試融入到傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中。該文在分析水污染控制工程實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)局限性以及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)高校典型應(yīng)用實(shí)例，探討虛擬仿真技術(shù)在水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和總體特征。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真 ?水污染控制工程 ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）06（c）-0101-02

水污染控制工程是環(huán)境工程專業(yè)的一門重要核心課程，其教學(xué)內(nèi)容涉及物理、化學(xué)、物理化學(xué)和生物處理等多種水處理技術(shù)方法及工藝，是多門自然科學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用[1]。作為后續(xù)實(shí)踐環(huán)節(jié)，水污染控制工程實(shí)驗(yàn)一般綜合性較強(qiáng)、復(fù)雜度較高，對(duì)目前普遍采用的傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了挑戰(zhàn)。為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)污水處理技術(shù)基本理論的理解，促進(jìn)學(xué)生污水處理理論知識(shí)水平的升華，提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革十分必要。

1 ?傳統(tǒng)水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性

在傳統(tǒng)的水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生主要通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)際接觸污水處理模型工藝及儀器設(shè)備，理解污水處理實(shí)驗(yàn)基本原理，熟悉工藝設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性、工作原理及操作程序，掌握各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的分析測(cè)定方法，并基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察以及數(shù)據(jù)處理與分析，獲得結(jié)論和形成最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。總體上，傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生污水處理基本實(shí)驗(yàn)操作技能的培養(yǎng)具有不可替代的重要作用，但在學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)方面尚有一定欠缺。由于水污染控制工程實(shí)驗(yàn)涉及污水處理模擬工藝如機(jī)械反應(yīng)斜板沉淀池、A2O生物脫氮除磷工藝及廢水綜合處理模擬裝置等，工藝結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，占地大，臺(tái)套數(shù)少，且大多數(shù)實(shí)驗(yàn)特別是生物處理相關(guān)實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)。因此，受限于經(jīng)費(fèi)和硬件條件，難以在有限學(xué)時(shí)內(nèi)展開相對(duì)復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)，水處理前沿技術(shù)也無(wú)法充分體現(xiàn)。學(xué)生基本停留于指標(biāo)測(cè)定和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的初步認(rèn)知，僅能被動(dòng)執(zhí)行，無(wú)法主動(dòng)操作和深入探討工藝性能的影響因素，造成了學(xué)生能力培養(yǎng)需求無(wú)法滿足。此外，場(chǎng)地和臺(tái)套數(shù)的限制決定了學(xué)生需以小組形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致了部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與度不高，濫竽充數(shù)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)考核的公平、公正性提出了挑戰(zhàn)。此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能涉及危險(xiǎn)化學(xué)品，管理困難，且有可能造成二次污染。

2 ?虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

根據(jù)教育部發(fā)布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，新時(shí)代我國(guó)教育改革發(fā)展應(yīng)“堅(jiān)持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的核心理念”。在此背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化是發(fā)展的必然趨勢(shì)和迫切需要。其中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)突破了傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的瓶頸，是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化的重要手段及載體。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是利用基于計(jì)算機(jī)技術(shù)建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型動(dòng)態(tài)，形象、逼真地模擬實(shí)際工藝設(shè)備、運(yùn)行情境及操作過(guò)程，獲得與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相符的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、規(guī)律、結(jié)果及有效結(jié)論[2]。教師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)需求和實(shí)際的教學(xué)效果反饋，靈活實(shí)時(shí)地協(xié)調(diào)、組織和修改教學(xué)過(guò)程環(huán)節(jié)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，具有很強(qiáng)的針對(duì)性、開放性、拓展性、時(shí)效性和互動(dòng)性，克服了傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)投入大、周期長(zhǎng)、學(xué)時(shí)有限、綜合性不強(qiáng)、學(xué)生參與度低、危險(xiǎn)系數(shù)高等缺點(diǎn)[2，3]，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

3 ?水污染控制工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀

伴隨著教育信息化理念在國(guó)內(nèi)高校教育領(lǐng)域的逐漸深入，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和傳統(tǒng)水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性，水污染控制工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐步受到了關(guān)注、發(fā)展和推廣。如沈陽(yáng)大學(xué)環(huán)境學(xué)院引進(jìn)已開發(fā)的仿真軟件，基于“實(shí)操結(jié)合模擬仿真”模式應(yīng)用于環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[4]。其中，水污染控制工程的仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)涵蓋了A2O、SBR和氣浮等典型實(shí)驗(yàn)，以及城市污水綜合處理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。過(guò)程中涉及了原理和工藝了解，設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)設(shè)置調(diào)節(jié)和優(yōu)化等，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空局限性，提高了學(xué)生參與度和培養(yǎng)質(zhì)量。湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院在建立的“基礎(chǔ)性—綜合性—設(shè)計(jì)性—?jiǎng)?chuàng)新性”水污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程體系中融入了虛擬仿真理念，將各部分教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)整合，構(gòu)建了水污染控制工程在線“教”與“學(xué)”虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5]。學(xué)生借助該平臺(tái)可整體了解水污染控制工程實(shí)驗(yàn)，自主學(xué)習(xí)相關(guān)課件、視頻等實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料，并進(jìn)行“基礎(chǔ)性”和“綜合性”實(shí)驗(yàn)的在線考核，進(jìn)而開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn);在“設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”模塊中，學(xué)生根據(jù)廢水特征，結(jié)合平臺(tái)的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案，并采用仿真軟件進(jìn)行模擬，從而獲得最佳的實(shí)驗(yàn)方案，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的開展提供指導(dǎo)。湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院對(duì)“虛”與“實(shí)”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有機(jī)結(jié)合突破了傳統(tǒng)水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)時(shí)限制，能夠與時(shí)俱進(jìn)，拓展水處理前沿知識(shí)，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，提高學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力。中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院建立了“微曝氧化溝工藝”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。該項(xiàng)目基于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基本原理運(yùn)行氧化溝工藝，加入各種分析儀表實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋，且側(cè)重于學(xué)生操作。學(xué)生可通過(guò)參數(shù)調(diào)整獲得工藝動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，提高了學(xué)生綜合實(shí)踐和創(chuàng)新能力[6]。清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院將沉淀、過(guò)濾、混凝和氣浮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，形成一套污水處理仿真體系，使學(xué)生能夠了解相對(duì)復(fù)雜的整體水處理工藝，加深對(duì)理論知識(shí)的理解[7]。南京理工大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院探索了虛擬仿真與環(huán)境工程理論實(shí)踐教學(xué)相融合的教學(xué)模式[8]。其中，借助于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可以進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的“前實(shí)驗(yàn)”，并結(jié)合實(shí)物實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析;針對(duì)如污水生化處理實(shí)驗(yàn)等耗時(shí)長(zhǎng)、復(fù)雜度和綜合性高的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生還可通過(guò)仿真系統(tǒng)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，并分析討論，從而理解工藝運(yùn)行規(guī)律，提高了解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

上述實(shí)例表明，目前虛擬仿真技術(shù)在各高校水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用并未脫離實(shí)物教學(xué)，堅(jiān)持“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合，以虛促實(shí)”的原則，以實(shí)物教學(xué)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的需求為導(dǎo)向，提升實(shí)驗(yàn)的綜合性、復(fù)雜度和靈活性，盡可能覆蓋預(yù)習(xí)、講解、練習(xí)、考核等實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，以切實(shí)改進(jìn)水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

4 ?結(jié)語(yǔ)

水污染控制工程實(shí)驗(yàn)是環(huán)境工程專業(yè)的一項(xiàng)重要教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐環(huán)節(jié)，其傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式具有一定的局限性。虛擬仿真技術(shù)能夠突破傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制，提高學(xué)生對(duì)水污染控制工程實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣、自主性以及對(duì)知識(shí)運(yùn)用和轉(zhuǎn)化能力，目前已逐步得到應(yīng)用、發(fā)展和廣泛推廣。未來(lái)虛擬仿真技術(shù)在水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用將在課程體系、教學(xué)模塊和技術(shù)手段等方面進(jìn)一步發(fā)展和完善，以適應(yīng)新時(shí)代人才培養(yǎng)的需求。

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