章琴琴

【摘 要】環(huán)境工程學(xué)是環(huán)境科學(xué)專業(yè)的主干課程，具有實(shí)踐性、綜合性、多學(xué)科性等特征。針對(duì)環(huán)境工程學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和存在的問題，本文在深入分析虛擬仿真教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，探討在環(huán)境工程學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真技術(shù)教學(xué)的可行性和必要性。

【關(guān)鍵詞】仿真技術(shù)；環(huán)境工程學(xué)；實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)；教學(xué)

環(huán)境工程學(xué)是面向環(huán)境科學(xué)專業(yè)高年級(jí)本科生開設(shè)的專業(yè)課，是一門以數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生化、微生物、化工原理等各種專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用為主要特色的課程，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的一門重要的專業(yè)課程。該課程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生掌握各類污染物的處理工藝流程，基本的原理，主要設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能以及主要設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算，起到了積極的不可替代的重要作用。課程內(nèi)容諸如：廢水好氧活性污泥的基本工藝；廢水生物脫氮除磷工藝；選擇性還原法凈化NOx工藝流程；平流式沉砂池工作機(jī)理；沖擊式慣性除塵器工作機(jī)理；靜電除塵器去除顆粒污染物等難以用宏觀實(shí)體模型進(jìn)行科學(xué)而又生動(dòng)的描述，學(xué)生在學(xué)習(xí)該部分內(nèi)容時(shí)，會(huì)覺得枯燥乏味、難于理解，從而影響教學(xué)效果。為了解決這個(gè)問題，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境工程學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)是極其必要的。

1 環(huán)境工程學(xué)的特點(diǎn)及傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

隨著環(huán)境控制技術(shù)迅速發(fā)展，污染控制工程理論和實(shí)踐的知識(shí)量也越來越多，知識(shí)點(diǎn)的更新速度也越來越快。我國各理工科院校的環(huán)境科學(xué)專業(yè)基本都開設(shè)有環(huán)境工程學(xué)課程，但縱觀課程的教學(xué)現(xiàn)狀，存在諸多不盡如人意的地方。

1.1 教學(xué)內(nèi)容多且廣泛

環(huán)境工程學(xué)包含廢水污染控制、大氣污染控制、固體廢物處理以及噪聲控制等，內(nèi)容多而雜，容易造成學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握廣而不深，學(xué)而不精。對(duì)應(yīng)的專業(yè)教材知識(shí)更新慢；理論課程課時(shí)過多，實(shí)踐課程課時(shí)少，專業(yè)技能訓(xùn)練難以保證[1]。

1.2 實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果差

環(huán)境工程課程實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)都是集中將學(xué)生帶到某個(gè)與專業(yè)相關(guān)的單位比如污水處理廠，學(xué)生只能參觀某些處理單元，不得隨便操作任何設(shè)備、儀器，對(duì)于如何控制管理水處理工藝的運(yùn)行、如何解決運(yùn)行問題等，仍然得不到學(xué)習(xí)和鍛煉。實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)通常比較嘈雜，學(xué)生對(duì)參觀的內(nèi)容往往是“走馬觀花”，不能達(dá)到實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)的目的。

1.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏少且單一

環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)作為環(huán)境工程學(xué)理論課程的后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程，該課程不僅能加深、鞏固學(xué)生對(duì)環(huán)境工程基本理論的理解，同時(shí)還可增強(qiáng)分析問題和進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)立工作能力；有利于掌握有關(guān)環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)研究方法和實(shí)驗(yàn)技巧，培養(yǎng)整理、分析數(shù)據(jù)能力，提高環(huán)境工藝、工程方面的科研思維能力和創(chuàng)新意識(shí)。但是目前環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅限于幾個(gè)固定實(shí)驗(yàn)，比如：活性污泥實(shí)驗(yàn)、大氣除塵演示實(shí)驗(yàn)、氧傳遞系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)等，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏少。教學(xué)方式大多是在教師講解之后，學(xué)生“依樣畫葫蘆”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮筒襟E理解得不夠透徹，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中處于一種被動(dòng)的地位。另外，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏感性認(rèn)識(shí)，即使把實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中對(duì)設(shè)備的基本構(gòu)造、使用方法和注意事項(xiàng)看了多遍，仍不得要領(lǐng)，甚至不能正確地操作設(shè)備。另外，某些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目受到設(shè)備數(shù)量、品種、成本等方面的限制而無法開展。

2 虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境工程學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真教學(xué)是指利用實(shí)物和計(jì)算機(jī)軟件共同模擬出真實(shí)的情境，讓學(xué)生在模擬的情境下進(jìn)行探究和學(xué)習(xí)。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)越來越廣泛地被應(yīng)用于各領(lǐng)域的專業(yè)教學(xué)，如自動(dòng)化[2]、水電機(jī)組監(jiān)測(cè)與故障診斷等[3]。虛擬仿真教學(xué)可以根據(jù)教學(xué)的實(shí)際需要和效果，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)的組織和修改，具有很強(qiáng)的針對(duì)性和互動(dòng)性，能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)思維[4]。

2.1 虛擬仿真技術(shù)水污染控制的運(yùn)用

虛擬仿真技術(shù)教學(xué)可以提升學(xué)生對(duì)城市生活廢水、工業(yè)廢水處理系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，提高教學(xué)效果。在仿真系統(tǒng)中，學(xué)生按照時(shí)間操作規(guī)程的要求對(duì)各個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最終確定處理后的廢水與污泥能否與實(shí)際設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求相符[5]。學(xué)生可根據(jù)提示熟悉虛擬水廠構(gòu)筑物分布和水廠概況，查看主要?jiǎng)恿υO(shè)備的知識(shí)點(diǎn)，了解水廠主要?jiǎng)釉O(shè)備能耗和藥劑成本，了解污水處理廠的相關(guān)工作規(guī)定和安全章程等。比如：虛擬仿真水廠包含巡檢項(xiàng)目和事故預(yù)案工況等，分別是正常工況巡檢、出水總氮超標(biāo)、出水總磷超標(biāo)、出水COD超標(biāo)、反應(yīng)池曝氣量調(diào)節(jié)、初沉池排泥撇渣、內(nèi)回流的調(diào)節(jié)、SVI調(diào)節(jié)，從而掌握污水處理廠常見事故的應(yīng)急處理預(yù)案和解決措施。

2.2 虛擬仿真技術(shù)在大氣污染控制的運(yùn)用

環(huán)境工程學(xué)的大氣污染物控制教學(xué)部分，通過動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過程，讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)上模擬真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)操作[6]。如在大氣擴(kuò)散教學(xué)中，使用仿真演示大氣擴(kuò)散從零維到三維，從瞬時(shí)到連續(xù)等多種點(diǎn)、線、面模式，使抽象的知識(shí)具體化。又如在堿液吸收二氧化硫的仿真實(shí)訓(xùn)中，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，選擇不同的填料、進(jìn)氣速度、吸收液流量等條件進(jìn)行操作，系統(tǒng)自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該過程可以進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，可達(dá)到完全掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的目的[6]。

總之，環(huán)境工程學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中涉及的工藝流程復(fù)雜、設(shè)備抽象、公式和難點(diǎn)多等難題，可利用虛擬仿真技術(shù)使抽象而又復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容變得形象簡單，從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高該課程的教學(xué)效果。

【參考文獻(xiàn)】

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