胡立芳

中國計(jì)量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院，中國·浙江 杭州 310018

基于建設(shè)高質(zhì)量的《固體廢棄物處理與處置》（以下簡稱“固廢”）課程實(shí)踐教學(xué)體系，擬建設(shè)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)、企業(yè)認(rèn)知實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、技術(shù)創(chuàng)新的綜合訓(xùn)練，體現(xiàn)以學(xué)生為本的教育教學(xué)理念。在教學(xué)實(shí)施中，以“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)不虛”為原則，將虛實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐結(jié)合和融合，有效提升《固廢》課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的能力培養(yǎng)。論文以生活垃圾焚燒綜合實(shí)驗(yàn)為例，設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和反饋機(jī)制，使學(xué)生具備《固廢》課程的減量化、無害化和資源化技術(shù)的實(shí)踐能力、運(yùn)行管理能力、科研創(chuàng)新以及實(shí)際工程問題的解決能力，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)工程型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的目標(biāo)。

固體廢棄物；虛擬仿真；實(shí)踐教學(xué)；反饋

1 引言

固體廢棄物處理與處置是環(huán)境科學(xué)和工程的一門重要專業(yè)必修課，是一門講授固廢管理概念與方法，固廢處理處置的基本原理和基本方法的課程[1]。以期通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能掌握固廢收運(yùn)、預(yù)處理、生物質(zhì)垃圾堆肥和發(fā)酵、焚燒、填埋等技術(shù)，從而具備從事固廢處理與處置相關(guān)工作，也是該課程培養(yǎng)人才的主要目標(biāo)。

怎樣培養(yǎng)具備從事固廢處理處置能力的人才？當(dāng)前以本科教育為主的大學(xué)，固廢課程普遍采用理論講授為主，實(shí)驗(yàn)以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為主，如固廢中污染因子的測定等[2]，實(shí)踐教學(xué)則多以參觀實(shí)習(xí)的方式進(jìn)行，比如參觀生活垃圾填埋場、危險(xiǎn)廢物處理廠等，學(xué)生也僅僅獲得基本認(rèn)識，認(rèn)知實(shí)習(xí)不能完全替代實(shí)踐教學(xué)。然而固廢課程的實(shí)踐主要是有機(jī)質(zhì)垃圾堆肥、厭氧發(fā)酵、焚燒等操作，實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜、部分實(shí)踐操作周期長、實(shí)驗(yàn)成本高以及實(shí)驗(yàn)過程中存在一定的危險(xiǎn)性等現(xiàn)實(shí)局限[3-4]，使得固廢課程實(shí)踐教學(xué)難以真是開展，難以達(dá)到固廢課程的預(yù)定目標(biāo)，成為培養(yǎng)環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)的瓶頸。

論文借助虛擬仿真平臺，將以往無法開展的實(shí)踐教學(xué)通過虛擬仿真技術(shù)，探索固廢實(shí)踐的教學(xué)方法，是對傳統(tǒng)教學(xué)方式的補(bǔ)充和完善，是新時(shí)代高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的趨勢，也是培養(yǎng)高素質(zhì)的環(huán)境工程技術(shù)人才的需求[5]。

2 實(shí)現(xiàn)固廢實(shí)踐教學(xué)的虛擬仿真平臺

2.1 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真（Virtual Reality），也可稱之為模擬技術(shù)，利用一個系統(tǒng)模擬另一個真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界（Virtual World）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[6]。該技術(shù)可以是現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)，也可模擬構(gòu)想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等傳感通道與設(shè)置的虛擬世界進(jìn)行自然的交互。虛擬仿真技術(shù)最先應(yīng)在國防、航空等領(lǐng)域，而后逐漸向醫(yī)療、教育、娛樂等方向發(fā)展，均取得了良好的效果。

2.2 中國虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

中國共產(chǎn)黨的十九大報(bào)告指出，建設(shè)教育強(qiáng)國是中華民族偉大復(fù)興的基礎(chǔ)工程，必須把教育事業(yè)放在優(yōu)先位置，深化教育改革，加快教育現(xiàn)代化，辦好人民滿意的教育。高等教育的現(xiàn)代化應(yīng)當(dāng)包括實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)代化，建設(shè)現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室，配置現(xiàn)金的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，高素質(zhì)的師資隊(duì)伍等。本著破解高校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)老大難問題，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足以及完善課程體系，建立了中國虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，使得“做不到”、“做不好”、“做不了”和“做不上”的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)成為了可能。

中國虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是在教育部高等教育司指導(dǎo)下進(jìn)行的一項(xiàng)融技術(shù)、內(nèi)容、方式、方法于一體是實(shí)驗(yàn)教學(xué)新嘗試，是在人才培養(yǎng)領(lǐng)域推進(jìn)“智能+教育”的新探索。采用虛擬仿真技術(shù)助力高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，“網(wǎng)上做實(shí)驗(yàn)”、“虛擬做實(shí)驗(yàn)”技術(shù)和手段，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺陷。目前，中國虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺（www．ilab-x．com）匯聚超過1000 項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，服務(wù)高校人才培養(yǎng)和社會需求。面向環(huán)境工程專業(yè)的有30 項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，其中《固體廢棄物處理與處置》相關(guān)的實(shí)驗(yàn)的，該平臺提供了7 個跟《固廢》課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)（見表1），其中，4 個實(shí)驗(yàn)與生活垃圾焚燒相關(guān)，1 個關(guān)于固廢厭氧發(fā)酵，1 個關(guān)于有害垃圾的無害化處置和1 個物質(zhì)循環(huán)過程，基本能實(shí)驗(yàn)《固廢》課程對固體廢棄物實(shí)現(xiàn)減量化、無害化和資源化等實(shí)踐操作提供了可行性，能有效解決高校開展《固廢》課程實(shí)踐教學(xué)的難題。

表1 《固廢》課程相關(guān)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

3 虛擬仿真平臺在《固廢》實(shí)踐課程中的應(yīng)用

綜合性實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)能培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，這些優(yōu)勢是傳統(tǒng)驗(yàn)證性試驗(yàn)所欠缺的?！豆虖U》基于自身的特征[7]，既是“三廢”的“源”，又是“匯”，綜合性試驗(yàn)過程中涉及《環(huán)境工程原理》、《環(huán)境微生物》、《環(huán)境監(jiān)測》、《大氣污染控制工程》、《水污染控制工程》等理論及試驗(yàn)裝置，一般高校由于實(shí)驗(yàn)場地或者實(shí)驗(yàn)操作風(fēng)險(xiǎn)均無法有效開展《固廢》綜合性試驗(yàn)。虛擬仿真平臺很好的解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備、場地等限制，并且可以滿足每一位學(xué)生都能親自操作，獨(dú)立完成試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行以及分析報(bào)告[5，8]。

但是，仿真實(shí)驗(yàn)本身存在局限性，首先，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，學(xué)生對儀器、藥劑、實(shí)驗(yàn)原料等的認(rèn)知受到限制[9-10]；其二，仿真實(shí)驗(yàn)是基于計(jì)算機(jī)程序，大部分操作通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊完成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果甚至是仿真系統(tǒng)自動生成，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析并不能很好掌握，由于對仿真實(shí)驗(yàn)缺乏主動分析，從而使得學(xué)生對該仿真訓(xùn)練印象較淺，工程實(shí)踐能力達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。

基于中國虛擬仿真平臺，充分發(fā)揮仿真實(shí)驗(yàn)自身的特色與優(yōu)勢，構(gòu)建以“以虛代實(shí)”的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為主的《固廢》課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，需要對仿真訓(xùn)練從前期準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐操作、實(shí)驗(yàn)效果評估等多方面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以期充分激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識、訓(xùn)練科研思維、培養(yǎng)動手能力，將學(xué)生培養(yǎng)成“能動手、會動手、動好手”的實(shí)干型人才的目的。以生活垃圾焚燒處理實(shí)驗(yàn)為例，搭建仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。

3.1 認(rèn)知環(huán)節(jié)

環(huán)境工程專業(yè)《固廢》生活垃圾焚燒虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐性人才而開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)踐過程堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則，使學(xué)生充分掌握生活垃圾焚燒原理和技術(shù)。因此，認(rèn)知實(shí)習(xí)是開展虛擬仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)，以補(bǔ)充仿真實(shí)驗(yàn)的感官認(rèn)識短板[11]。

在認(rèn)知環(huán)節(jié)，安排學(xué)生到生活垃圾焚燒廠進(jìn)行認(rèn)知實(shí)習(xí)，使學(xué)生了解焚燒爐、煙氣凈化裝置、污水處理裝置等結(jié)構(gòu)、運(yùn)行操作程序，以及掌握生活垃圾焚燒處理工藝流程，使學(xué)生將理論知識與實(shí)際裝置、工藝、操作運(yùn)行等結(jié)合起來，鞏固理論知識，并為后續(xù)仿真試驗(yàn)建立感性認(rèn)識，并學(xué)習(xí)工程技術(shù)人員的敬業(yè)奉獻(xiàn)的良好作風(fēng)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力打下良好的基礎(chǔ)。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

生活垃圾焚燒是一項(xiàng)綜合處理工程，在焚燒爐內(nèi)以一定的過?？諝饬颗c被處理的垃圾進(jìn)行氧化燃燒反應(yīng)，使廢物在高溫下焚毀破壞而實(shí)現(xiàn)礦化，同時(shí)回收熱量、凈化煙氣和滲濾液的綜合處理技術(shù)，該生活垃圾焚燒仿真實(shí)驗(yàn)將滲濾液處理、煙氣處理和灰渣處理等操作模塊納入實(shí)驗(yàn)體系。

在滲濾液處理模塊中，結(jié)合實(shí)際廢水處理工藝及參數(shù)，在模擬二維和三維交互界面上，通過對處理單元的選擇組合、運(yùn)行工藝參數(shù)的調(diào)整，再現(xiàn)垃圾滲濾液處理的全過程，并通過系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)實(shí)現(xiàn)廢水的近零排放。

垃圾焚燒過程中煙氣參數(shù)變化較多、凈化要求高、工藝復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)室中難以進(jìn)行多個凈化工藝的自由組合，實(shí)現(xiàn)不同凈化效果。仿真實(shí)驗(yàn)通過在二維和三維交互界面組裝不同的工藝組合路線，在了解不同排放要求、氣體凈化的參數(shù)調(diào)控的過程中，達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)或超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，并使學(xué)生建立起工業(yè)應(yīng)用工況中焚燒煙氣凈化的實(shí)際運(yùn)行立體畫面。

灰渣處置模塊中，模擬垃圾焚燒廠飛灰、穩(wěn)定化飛灰和爐渣中的有害組分經(jīng)地表徑流淋溶形成浸提液進(jìn)而污染周邊環(huán)境?；诎l(fā)光細(xì)菌法，在得到各灰渣的毒性水平分類值的基礎(chǔ)上，明確不同焚燒工況及情景下灰渣的具體毒性特征，為后續(xù)處置提供依據(jù)。

3.3 實(shí)施實(shí)踐

3．3．1 垃圾分選

根據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)參數(shù)，包括全部垃圾分選、部分垃圾分選、部分組分分選等實(shí)驗(yàn)情景，學(xué)生可以根據(jù)不同情景進(jìn)行具體操作，啟動垃圾分選設(shè)備進(jìn)行分選。通過該實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生將之前學(xué)過的理論知識“垃圾組分分選特性”、“垃圾收集路線設(shè)計(jì)”等結(jié)合起來，設(shè)計(jì)垃圾分選情景，形成后續(xù)焚燒條件。

3．3．2 垃圾分選計(jì)量

根據(jù)前面分選操作，計(jì)量不同分選組分，記錄進(jìn)入垃圾儲坑的垃圾組分特征，計(jì)算進(jìn)入垃圾焚燒進(jìn)料儲坑百分比，并結(jié)合給定的垃圾原始組分信息，獲取進(jìn)入垃圾焚燒進(jìn)料儲坑的垃圾質(zhì)量及成分特征。分選組分主要是塑料、紙類、金屬、其他混合組分等4 類信息，對應(yīng)量可分別通過實(shí)驗(yàn)或者調(diào)查獲得。

3．3．3 煙氣凈化

根據(jù)垃圾分選結(jié)果，明確不同分選后進(jìn)入垃圾焚燒爐產(chǎn)生的煙氣組分，以該不同特點(diǎn)的煙氣為實(shí)驗(yàn)題設(shè)，結(jié)合認(rèn)知實(shí)習(xí)過程中對煙氣凈化以及理論課程中煙氣凈化原理，在虛擬仿真軟件系統(tǒng)工藝單元庫中選擇合適的工藝模塊，構(gòu)建適合于不同特點(diǎn)煙氣的凈化流程。

根據(jù)上述步驟構(gòu)建的工藝流程，結(jié)合煙氣波動變化特征和排放標(biāo)準(zhǔn)要求，可根據(jù)課時(shí)分別設(shè)定中國標(biāo)準(zhǔn)、歐盟標(biāo)準(zhǔn)等各種不同煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)。在各排放標(biāo)準(zhǔn)前提下，學(xué)生需要對所構(gòu)建的工藝流程的參數(shù)進(jìn)行單元調(diào)整以滿足要求。

在滿足排放要求的工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，從節(jié)能、降耗、減排的角度，對工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，使煙氣最終達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)方案最優(yōu)。該步驟中，學(xué)生可根據(jù)流程處理后煙氣成分結(jié)果的實(shí)時(shí)反饋，在軟件界面不斷調(diào)整各個工序的參數(shù)，組合優(yōu)化成最終方案。

3．3．4 滲濾液處理

按照不同垃圾分類后進(jìn)入垃圾儲坑堆存而產(chǎn)生的實(shí)際滲濾液水質(zhì)水量，在“預(yù)處理、厭氧池、脫氣沉淀池、二級反硝化/硝化、超濾系統(tǒng)、納濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)、清水池”等工藝庫中選擇一種或多種工藝，將其拖入組裝界面，并用管路將其連接。運(yùn)行組裝的工藝路線，測試管路連接方式是否正確，工藝路線能否正常運(yùn)行，并觀察出水中污染物的濃度，是否符合設(shè)定的出水要求。該實(shí)驗(yàn)?zāi)K需要學(xué)生充分了解滲濾液水質(zhì)及其水量，充分結(jié)合各處理單元的處理特點(diǎn)，構(gòu)建完整的滲濾液處理工藝。

3．3．5 灰渣浸提液急性毒性檢測

該實(shí)驗(yàn)以實(shí)際操作為主，使學(xué)生掌握毒理學(xué)檢驗(yàn)，應(yīng)試樣品為垃圾焚燒廠的飛灰和爐渣，以《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法 HJ/T 300-2007》進(jìn)行“灰渣毒性浸出”操作，制備浸出液；根據(jù)《水質(zhì)急性毒性的測定發(fā)光細(xì)菌法GB/T 15441-1995》對步驟9 所制備的飛灰、穩(wěn)定化飛灰和爐渣的毒性浸出液，檢測其發(fā)光度，獲得半數(shù)效應(yīng)濃度（EC50）和毒性水平分類值（Toxicity Unit，TU）結(jié)果，評價(jià)毒性等級。

3．3．6 停爐及灰渣處置

在完成焚燒過程控制及煙氣凈化、滲濾液處理和灰渣毒性檢測后，將焚燒爐停爐，同時(shí)根據(jù)灰渣的毒理學(xué)檢測結(jié)果明確后續(xù)處置要求，完成垃圾焚燒全流程。共有停爐、爐渣及穩(wěn)定化飛灰處置、飛灰安全處置3 種操作點(diǎn)。

3.4 教學(xué)實(shí)踐反饋機(jī)制

仿真實(shí)驗(yàn)本身也存在著局限性，其操作主要是同時(shí)鼠標(biāo)操作實(shí)驗(yàn)，缺乏實(shí)踐操作，學(xué)生易對仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理和數(shù)據(jù)處理缺乏主動思考能力，導(dǎo)致對仿真部分實(shí)驗(yàn)掌握較弱[12]。在虛實(shí)結(jié)合的綜合性試驗(yàn)中則需要設(shè)置合理的反饋機(jī)制，揚(yáng)長補(bǔ)短，充分發(fā)揮仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，激發(fā)學(xué)生興趣，發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。

3．4．1 設(shè)計(jì)能力

在焚燒階段，根據(jù)前端垃圾分類情景差異產(chǎn)生的不同入爐垃圾組分，計(jì)算并調(diào)控焚燒爐風(fēng)量；根據(jù)焚燒工況差異，對產(chǎn)生不同品質(zhì)的煙氣，計(jì)算煙氣處理工藝要求及各環(huán)節(jié)處理能力并組裝合理的煙氣處理工藝流程。在垃圾滲濾液處置模塊，根據(jù)滲濾液水質(zhì)波動情況，計(jì)算廢水處理單元各工段處理能力并組裝合理的廢水處理工藝流程。

3．4．2 解決和分析問題能力

垃圾焚燒自垃圾入爐到最終產(chǎn)生灰渣，過程中包括焚燒、煙氣達(dá)標(biāo)處理、滲濾液達(dá)標(biāo)處理及灰渣安全處置，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，需根據(jù)煙氣出口質(zhì)量、廢水出水水質(zhì)、灰渣毒理性檢驗(yàn)結(jié)果等，反饋到焚燒工程每個環(huán)節(jié)中，識別各工段可能出現(xiàn)的問題并及時(shí)調(diào)整參數(shù)或工程組裝方式，解決問題。

3．4．3 考核反饋

該虛實(shí)結(jié)合的綜合性試驗(yàn)，學(xué)生的能力的考核主要通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告體現(xiàn)，從專業(yè)認(rèn)證角度，擬通過焚燒特點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、問題解決方案等觀測點(diǎn)進(jìn)行量化評價(jià)，具體考核標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 生活垃圾焚燒綜合實(shí)驗(yàn)考核要求

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是環(huán)境工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)操作能有效提高學(xué)生的工程思維能力、操作能力以及創(chuàng)新能力，目前考核學(xué)生綜合素質(zhì)的必要環(huán)節(jié)。但是《固廢》實(shí)驗(yàn)如焚燒、堆肥等實(shí)驗(yàn)由于綜合性、復(fù)雜性以及操作潛在的風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入《固廢》課程教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)一步豐富了實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容和手段，有效提高可學(xué)生的工程素質(zhì)和綜合能力。但是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也存在局限性，將虛擬實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作結(jié)合，兩者互補(bǔ)基本上能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，該前提是合理的考核體系，合適的考核要求和反饋機(jī)制能最大限度實(shí)現(xiàn)實(shí)踐需要，從而達(dá)到培養(yǎng)工程型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型復(fù)合人才的需求。