仿真技術在水污染控制工程教學的應用

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摘要：傳統水污染控制工程實驗教學已無法滿足學生綜合能力培養(yǎng)的深層需求。虛擬仿真技術可嘗試融入到傳統實物實驗教學過程中。該文在分析水污染控制工程實物實驗教學局限性以及虛擬仿真實驗教學優(yōu)勢的基礎上，結合目前國內高校典型應用實例，探討虛擬仿真技術在水污染控制工程實驗教學中的應用現狀和總體特征。

關鍵詞：虛擬仿真水污染控制工程實驗教學

1傳統水污染控制工程實驗教學的局限性

在傳統的水污染控制工程實驗教學模式下，學生主要通過在實驗室里實際接觸污水處理模型工藝及儀器設備，理解污水處理實驗基本原理，熟悉工藝設備的結構特性、工作原理及操作程序，掌握各項技術指標的分析測定方法，并基于實驗現象觀察以及數據處理與分析，獲得結論和形成最終的實驗報告?？傮w上，傳統實物實驗教學對學生污水處理基本實驗操作技能的培養(yǎng)具有不可替代的重要作用，但在學生綜合應用能力的培養(yǎng)方面尚有一定欠缺。由于水污染控制工程實驗涉及污水處理模擬工藝如機械反應斜板沉淀池、A2O生物脫氮除磷工藝及廢水綜合處理模擬裝置等，工藝結構相對復雜，占地大，臺套數少，且大多數實驗特別是生物處理相關實驗周期較長。因此，受限于經費和硬件條件，難以在有限學時內展開相對復雜的綜合性實驗，水處理前沿技術也無法充分體現。學生基本停留于指標測定和系統結構的初步認知，僅能被動執(zhí)行，無法主動操作和深入探討工藝性能的影響因素，造成了學生能力培養(yǎng)需求無法滿足。此外，場地和臺套數的限制決定了學生需以小組形式進行實驗，導致了部分學生實驗參與度不高，濫竽充數現象時有發(fā)生，進而對實驗考核的公平、公正性提出了挑戰(zhàn)。此外，傳統實驗過程中可能涉及危險化學品，管理困難，且有可能造成二次污染。

2虛擬仿真實驗教學的特點

根據教育部的《教育信息化2.0行動計劃》，新時代我國教育改革發(fā)展應“堅持信息技術與教育教學深度融合的核心理念”。在此背景下，實驗教學信息化是發(fā)展的必然趨勢和迫切需要。其中，虛擬仿真實驗教學突破了傳統實物實驗教學手段的瓶頸，是實現實驗教學信息化的重要手段及載體。虛擬仿真實驗是利用基于計算機技術建立實驗教學模型動態(tài)，形象、逼真地模擬實際工藝設備、運行情境及操作過程，獲得與實物實驗相符的實驗現象、規(guī)律、結果及有效結論[2]。教師可根據實驗教學培養(yǎng)需求和實際的教學效果反饋，靈活實時地協調、組織和修改教學過程環(huán)節(jié)，充分調動學生的主觀能動性，具有很強的針對性、開放性、拓展性、時效性和互動性，克服了傳統實物實驗投入大、周期長、學時有限、綜合性不強、學生參與度低、危險系數高等缺點[2,3]，改善實驗教學效果，提升學生的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

3水污染控制工程虛擬仿真實驗教學的應用現狀

伴隨著教育信息化理念在國內高校教育領域的逐漸深入，基于虛擬仿真實驗教學的優(yōu)勢和傳統水污染控制工程實驗教學的局限性，水污染控制工程虛擬仿真實驗教學逐步受到了關注、發(fā)展和推廣。如沈陽大學環(huán)境學院引進已開發(fā)的仿真軟件，基于“實操結合模擬仿真”模式應用于環(huán)境工程專業(yè)實驗教學改革[4]。其中，水污染控制工程的仿真教學實驗涵蓋了A2O、SBR和氣浮等典型實驗，以及城市污水綜合處理設計性實驗。過程中涉及了原理和工藝了解，設計和運行參數設置調節(jié)和優(yōu)化等，突破了傳統實驗的時空局限性，提高了學生參與度和培養(yǎng)質量。湖南大學環(huán)境科學與工程學院在建立的“基礎性—綜合性—設計性—創(chuàng)新性”水污染控制工程實驗課程體系中融入了虛擬仿真理念，將各部分教學內容進行系統整合，構建了水污染控制工程在線“教”與“學”虛擬實驗平臺[5]。學生借助該平臺可整體了解水污染控制工程實驗，自主學習相關課件、視頻等實驗教學資料，并進行“基礎性”和“綜合性”實驗的在線考核，進而開展相關實驗室實驗；在“設計性實驗”模塊中，學生根據廢水特征，結合平臺的學習設計合理的實驗方案，并采用仿真軟件進行模擬，從而獲得最佳的實驗方案，為后續(xù)實驗室實驗的開展提供指導。湖南大學環(huán)境科學與工程學院對“虛”與“實”兩個實驗平臺的有機結合突破了傳統水污染控制工程實驗教學的學時限制，能夠與時俱進，拓展水處理前沿知識，改善實驗教學效果，提高學生實踐和創(chuàng)新能力。中山大學環(huán)境科學與工程學院建立了“微曝氧化溝工藝”虛擬仿真實驗教學項目。該項目基于反應動力學基本原理運行氧化溝工藝，加入各種分析儀表實現實時反饋，且側重于學生操作。學生可通過參數調整獲得工藝動態(tài)變化規(guī)律，提高了學生綜合實踐和創(chuàng)新能力[6]。清華大學環(huán)境學院將沉淀、過濾、混凝和氣浮實驗進行整合，形成一套污水處理仿真體系，使學生能夠了解相對復雜的整體水處理工藝，加深對理論知識的理解[7]。南京理工大學環(huán)境與生物工程學院探索了虛擬仿真與環(huán)境工程理論實踐教學相融合的教學模式[8]。其中，借助于虛擬仿真實驗系統，學生可以進行混凝實驗等驗證性實驗的“前實驗”，并結合實物實驗對比分析；針對如污水生化處理實驗等耗時長、復雜度和綜合性高的實驗，學生還可通過仿真系統調節(jié)相關參數，觀察系統的動態(tài)變化，并分析討論，從而理解工藝運行規(guī)律，提高了解決復雜工程問題的能力。上述實例表明，目前虛擬仿真技術在各高校水污染控制工程實驗教學中的應用并未脫離實物教學，堅持“能實不虛，虛實結合，以虛促實”的原則，以實物教學經驗為基礎，以培養(yǎng)學生綜合應用能力的需求為導向，提升實驗的綜合性、復雜度和靈活性，盡可能覆蓋預習、講解、練習、考核等實驗教學環(huán)節(jié)，以切實改進水污染控制工程實驗教學的效果。

4結語

水污染控制工程實驗是環(huán)境工程專業(yè)的一項重要教學內容和實踐環(huán)節(jié)，其傳統實物實驗教學模式具有一定的局限性。虛擬仿真技術能夠突破傳統實物實驗教學的限制，提高學生對水污染控制工程實驗的學習興趣、自主性以及對知識運用和轉化能力，目前已逐步得到應用、發(fā)展和廣泛推廣。未來虛擬仿真技術在水污染控制工程實驗教學中的應用將在課程體系、教學模塊和技術手段等方面進一步發(fā)展和完善，以適應新時代人才培養(yǎng)的需求。

參考文獻

[1]章琴琴.虛擬仿真技術在環(huán)境工程學理論及實驗教學中的應用[J].科技視界,2017(25):18,23.

[2]張珂,鄭賓國,崔節(jié)虎,等.基于OBE模式的環(huán)境工程虛擬仿真實驗中心建設探索[J].實驗技術與管理,2019,36(1):270-273.

[3]王衛(wèi)國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索,2013,32(12):5-8.

作者：許美蘭 胡振鋒 龍絳雪 曾孟祥 單位：廈門理工學院環(huán)境科學與工程學院 廈門市第三中學