基于仿真軟件提升環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力的教學(xué)方法探索

李 冰

（北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技的發(fā)展，社會(huì)對(duì)人才的需求呈現(xiàn)專業(yè)化、多樣化的趨勢(shì)。因此，注重增強(qiáng)工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力是如今高等學(xué)校面臨的突出任務(wù)。教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）的實(shí)施，不僅能夠有效促進(jìn)我國(guó)由工程教育大國(guó)向工程教育強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，也是貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的重要舉措。2017年2月，綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)在復(fù)旦大學(xué)召開(kāi)。會(huì)議提出我國(guó)高校要加快建設(shè)和發(fā)展以新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)為背景的新工科。新工科強(qiáng)調(diào)工程人才培養(yǎng)應(yīng)具備能夠適應(yīng)甚至引領(lǐng)未來(lái)工程需求的新素養(yǎng)；具備創(chuàng)新意識(shí)和服務(wù)社會(huì)的使命感；具備在多學(xué)科交叉空間內(nèi)思考的大工程系統(tǒng)觀；具備持續(xù)學(xué)習(xí)以及建構(gòu)知識(shí)樹(shù)的能力；具備引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展的想象力。因此，學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)是目前高等學(xué)校教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。

環(huán)境工程專業(yè)屬于新興的學(xué)科方向，學(xué)科涉及面廣，技術(shù)更新速度快，是一門注重實(shí)踐和應(yīng)用的綜合型交叉學(xué)科。隨著我國(guó)環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，社會(huì)急需大量具有工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型專業(yè)人才。因此，學(xué)校亟須在新工科理念的指導(dǎo)下，培養(yǎng)具有工程實(shí)踐創(chuàng)新能力的專業(yè)人才［1］，以滿足目前我國(guó)日益發(fā)展的環(huán)保事業(yè)的需求。

一、學(xué)生工程實(shí)踐能力常用培養(yǎng)方法及不足之處

目前，環(huán)境工程專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的方法及存在的問(wèn)題主要如下。

（一）專業(yè)課程教學(xué)與設(shè)計(jì)

專業(yè)課程的教學(xué)一般以理論為主，難以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力［2］。雖然在環(huán)境工程專業(yè)核心課程（如“水污染控制工程”）教學(xué)過(guò)程中，有高校會(huì)配套相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)，但一般較為簡(jiǎn)單，學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行初步設(shè)計(jì)和計(jì)算，可對(duì)工程設(shè)計(jì)有一定認(rèn)知，卻難以掌握工程設(shè)計(jì)方法。

（二）認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)及生產(chǎn)實(shí)習(xí)

由于認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)及生產(chǎn)實(shí)習(xí)時(shí)間較短，一般為3周左右，并且包括污水處理、大氣污染治理、固體廢棄物處置等方面的內(nèi)容，學(xué)生只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)參觀的方式對(duì)實(shí)際工程運(yùn)行進(jìn)行初步了解，難以深入認(rèn)識(shí)并掌握工程運(yùn)行的要點(diǎn)、常見(jiàn)問(wèn)題及解決方式，達(dá)不到預(yù)期工程實(shí)踐教學(xué)效果［3］。

（三）畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

畢業(yè)論文設(shè)計(jì)較課程設(shè)計(jì)更加全面系統(tǒng)，一般要求學(xué)生對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行工藝比選、設(shè)計(jì)計(jì)算、成本核算、圖紙繪制等，可以較好地提升學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。然而，由于目前大部分高校畢業(yè)生課題設(shè)置中論文研究課題占比較大，接受設(shè)計(jì)訓(xùn)練的學(xué)生比例相對(duì)較小，且很多學(xué)生要讀研深造，更加忽略了工程設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練。

（四）科技競(jìng)賽及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練

科技競(jìng)賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練是集理論與實(shí)踐于一體的綜合性活動(dòng)，可有效提升學(xué)生的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力，對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的提升有重要作用［4］。然而，在實(shí)際開(kāi)展過(guò)程中存在不少問(wèn)題，學(xué)生的科技競(jìng)賽參與度較低，參與度較高的主要是成績(jī)較好、學(xué)有余力的學(xué)生。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目往往以教師的科研項(xiàng)目為依托，對(duì)本科生來(lái)說(shuō)難度可能較大［5］。部分學(xué)生在項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中積極性不高，主要目的是豐富自己的科研履歷，為讀研做準(zhǔn)備。

由此可以看出，目前環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)方法均可以發(fā)揮一定的作用，但存在理論與實(shí)際結(jié)合不足、有些方式對(duì)學(xué)生的覆蓋面不廣等問(wèn)題。仿真軟件可以模擬真實(shí)的工程實(shí)際情況，在課堂上方便與理論知識(shí)結(jié)合講授，系統(tǒng)性強(qiáng)，可以彌補(bǔ)以上方法的不足，是一種較好的培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力的教學(xué)輔助手段［6］。

二、“廢水處理新技術(shù)”課程與BioWIN仿真軟件相結(jié)合

“廢水處理新技術(shù)”是北京科技大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)方案中的一門專業(yè)選修課程。該課程在專業(yè)必修課程“水污染控制工程”的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的工程案例，使學(xué)生了解廢水處理的前沿技術(shù)，掌握工藝的優(yōu)化運(yùn)行及節(jié)能降耗等方法，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用新知識(shí)和新技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為學(xué)生畢業(yè)后從事污水處理工藝設(shè)計(jì)、優(yōu)化評(píng)價(jià)與研發(fā)方面的工作提供一定的理論基礎(chǔ)。

由于該課程涉及污水處理工藝的優(yōu)化運(yùn)行及節(jié)能降耗等內(nèi)容，污水處理仿真軟件可模擬實(shí)際工藝運(yùn)行條件，提出工藝優(yōu)化策略，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污水處理廠的節(jié)能降耗與穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。BioWIN是一款功能強(qiáng)大的污水處理工藝模擬軟件，整合了生物學(xué)、化學(xué)和物理過(guò)程模型，可以模擬目前污水處理廠的常用工藝，如厭氧—缺氧—好氧工藝、氧化溝工藝、序批式反應(yīng)器等以及厭氧氨氧化工藝等（BioWIN軟件污水處理工藝仿真模擬界面見(jiàn)圖1），還可以自己設(shè)計(jì)工藝開(kāi)展模擬與研究。該軟件已在國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)及水務(wù)公司廣泛應(yīng)用，能夠提供污水處理工藝的模擬平臺(tái)，在實(shí)際污水處理廠運(yùn)行與管理具有很大優(yōu)勢(shì)［7］。在“廢水處理新技術(shù)”課程講授過(guò)程中，教師可結(jié)合污水處理仿真軟件BioWIN，改進(jìn)與實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法，以提高學(xué)生的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力，適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展需求。

圖1 BioWIN軟件污水處理工藝模擬仿真界面

（一）改進(jìn)課程教學(xué)大綱，理論教學(xué)與仿真實(shí)踐有機(jī)結(jié)合

以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力為導(dǎo)向，對(duì)現(xiàn)有的課程教學(xué)大綱進(jìn)行改進(jìn)，合理設(shè)計(jì)，增加上機(jī)實(shí)踐、實(shí)際工程案例分析以及創(chuàng)新工藝設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)，使課程教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)踐創(chuàng)新能力緊密關(guān)聯(lián)。通過(guò)上機(jī)模擬，教師可啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生的工程創(chuàng)新思維，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。課程教學(xué)大綱中設(shè)計(jì)了8學(xué)時(shí)的BioWIN仿真軟件教學(xué)內(nèi)容，包括污水處理廠工藝的BioWIN模擬軟件教學(xué)及實(shí)際污水處理廠案例模擬練習(xí)，各4學(xué)時(shí)。

模擬軟件教學(xué)內(nèi)容包括軟件的基本介紹、實(shí)際工藝的仿真模擬方法以及工藝模擬在實(shí)際中的應(yīng)用方向，進(jìn)一步以實(shí)際污水處理廠案例（包括新建污水處理廠的設(shè)計(jì)、已有污水處理廠的升級(jí)改造設(shè)計(jì)以及已有污水處理廠的優(yōu)化運(yùn)行）講解軟件的具體使用方法及其可解決的實(shí)際工程問(wèn)題。由于不同污水處理廠案例的研究方案和側(cè)重點(diǎn)有所不同，在講解時(shí)應(yīng)針對(duì)不同案例的特點(diǎn)展開(kāi)：（1）新建污水處理廠并未建成，缺乏進(jìn)水和活性污泥數(shù)據(jù)，主要是針對(duì)未來(lái)可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行診斷驗(yàn)證，重點(diǎn)模擬進(jìn)水水質(zhì)組分及動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化的影響；（2）運(yùn)行中的污水處理廠已建成并具有大量的水質(zhì)及活性污泥數(shù)據(jù)，主要是針對(duì)工藝參數(shù)優(yōu)化，重點(diǎn)模擬優(yōu)化水質(zhì)或節(jié)能降耗的可能性；（3）待升級(jí)改造的污水處理廠有運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)，可利用這部分參數(shù)對(duì)改造工藝進(jìn)行研究，結(jié)合以上新建和運(yùn)行中的污水廠的工作進(jìn)行模擬。

進(jìn)行實(shí)際污水處理廠案例模擬練習(xí)，以目前污水處理廠常見(jiàn)的厭氧—缺氧—好氧工藝為例進(jìn)行靜態(tài)及動(dòng)態(tài)模擬，包括概化模型的建立、相關(guān)模型和參數(shù)的設(shè)置、進(jìn)水水質(zhì)及組分校準(zhǔn)、模擬結(jié)果展示等方面，使學(xué)生通過(guò)練習(xí)基本案例掌握軟件使用方法及功能。

（二）課堂教學(xué)以問(wèn)題引領(lǐng)學(xué)生，加深學(xué)生對(duì)實(shí)際工程的理解

在課堂教學(xué)過(guò)程中，采取培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的教學(xué)方法，如教學(xué)與仿真實(shí)踐有機(jī)結(jié)合的案例式或啟發(fā)式、互動(dòng)式和討論式相結(jié)合的教學(xué)方法，以及引導(dǎo)式思維教學(xué)方法等，在課上增強(qiáng)與學(xué)生間的互動(dòng)交流。一方面，基于實(shí)際案例創(chuàng)設(shè)多種不同的工藝情境（如進(jìn)水污染物濃度增加、進(jìn)水量突增等），讓學(xué)生通過(guò)工藝模擬回答“如果這樣，結(jié)果如何”，并引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合已學(xué)的基礎(chǔ)理論分析模擬結(jié)果變化的原因；另一方面，基于實(shí)際污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題，比如夏季由于雨量大，進(jìn)水負(fù)荷降低；冬季低溫條件時(shí)，出水水質(zhì)不穩(wěn)定和不達(dá)標(biāo)等，讓學(xué)生通過(guò)上機(jī)模擬提出應(yīng)對(duì)方案，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程運(yùn)行的理解，為學(xué)生未來(lái)從事污水處理相關(guān)行業(yè)提供一定的基礎(chǔ)。

（三）結(jié)合熱點(diǎn)問(wèn)題設(shè)計(jì)課程作業(yè)，提升學(xué)生自主解決問(wèn)題的能力

為使學(xué)生熟練使用仿真軟件，除課堂教學(xué)外，還會(huì)布置上機(jī)模擬練習(xí)作業(yè)。以問(wèn)題導(dǎo)向引領(lǐng)學(xué)生對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬，鼓勵(lì)學(xué)生自主解決問(wèn)題，讓學(xué)生能夠深入了解并掌握實(shí)際工程的運(yùn)行方法，對(duì)目前工作人員常面臨的污水處理問(wèn)題，以及出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可采取的解決辦法有所了解，從而進(jìn)一步提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。下面以課程涉及的三個(gè)作業(yè)案例為例，詳細(xì)說(shuō)明如何通過(guò)作業(yè)設(shè)計(jì)，提升學(xué)生利用仿真軟件解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1.污水處理廠的升級(jí)改造案例模擬。目前，由于越來(lái)越多的污水處理廠出水會(huì)作為河湖補(bǔ)水或者雜用水被再次利用，全國(guó)各地對(duì)污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)也日趨嚴(yán)格。污水處理廠為了滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要在原有工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，而采取何種升級(jí)改造措施可以實(shí)現(xiàn)出水穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)并且成本最低是污水處理廠設(shè)計(jì)人員常面臨的問(wèn)題。以國(guó)內(nèi)某污水處理廠為研究對(duì)象，給出工藝現(xiàn)狀及其需要達(dá)到的水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)，讓學(xué)生提出最優(yōu)的升級(jí)改造方案。

2.未來(lái)污水處理工藝設(shè)計(jì)與模擬。在碳中和背景下，資源導(dǎo)向型污水處理廠正在成為全球污水處理行業(yè)的主流，城市污水處理不應(yīng)只關(guān)注污染物的去除，還應(yīng)充分考慮污水中資源和能源的回收與利用，對(duì)此，以資源和能源的可持續(xù)利用為核心的水源再生、碳源與營(yíng)養(yǎng)物回收利用以及污染物深度減排將會(huì)是未來(lái)污水處理技術(shù)的發(fā)展方向。由于這些新興的污水處理工藝還未應(yīng)用于實(shí)踐，其在實(shí)際污水處理中的可行性只能通過(guò)模擬的方法判別，因此，設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)資源回收與能源利用的污水處理新工藝，并通過(guò)BioWIN模擬新工藝的運(yùn)行，分析其可行性及環(huán)境效益。

3.污水處理廠碳減排路徑模擬。2022年6月，生態(tài)環(huán)境部等7部門聯(lián)合印發(fā)的《減污降碳協(xié)同增效實(shí)施方案》明確指出，推進(jìn)水環(huán)境治理協(xié)同控制，增強(qiáng)污染防治與碳排放治理的協(xié)調(diào)性，實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益、氣候效益、經(jīng)濟(jì)效益多贏。在碳達(dá)峰、碳中和這場(chǎng)硬仗中，水環(huán)境治理再次成為減污降碳的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，加快推進(jìn)“減污降碳協(xié)同增效”對(duì)水環(huán)境治理提出了新的更高層次的要求。污水處理過(guò)程是水環(huán)境治理的重要環(huán)節(jié)，也是碳排放的主要來(lái)源，因此，如何對(duì)污水處理廠進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，是目前實(shí)際工程中常面臨的問(wèn)題。運(yùn)用BioWIN軟件對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化模擬，基于模擬數(shù)據(jù)得到不同工藝段的碳排放情況，教師能夠引導(dǎo)學(xué)生提出用于指導(dǎo)污水處理廠碳減排的工藝優(yōu)化路徑。

（四）優(yōu)化課程考核方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性

在課程考核方式中，增加平時(shí)成績(jī)的比例至60%，除基本考勤外，基于仿真軟件的課程報(bào)告占主要部分，促進(jìn)學(xué)生在課下對(duì)模擬軟件進(jìn)行使用練習(xí)，完成課程作業(yè)，達(dá)到可熟練應(yīng)用的程度。

目前，以上教學(xué)方法已在實(shí)際課程講授中應(yīng)用3輪，獲得了較好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在學(xué)生評(píng)教中也有不錯(cuò)的反響，均表示通過(guò)應(yīng)用仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的結(jié)合，提升了自身的工程實(shí)踐能力，對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)的開(kāi)展及未來(lái)從事水處理方面的工作有一定的指導(dǎo)作用。

結(jié)語(yǔ)

環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力的提升是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要多手段、多方面進(jìn)行培養(yǎng)。仿真軟件可作為一種有效的教學(xué)工具，與理論講授相結(jié)合，彌補(bǔ)其他教學(xué)手段的不足，從而全面提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，為未來(lái)走向社會(huì)從事相關(guān)工作奠定良好的基礎(chǔ)。