虛擬仿真實驗在環(huán)境工程專業(yè)實驗教學中的創(chuàng)新與改革

虛擬仿真實驗在環(huán)境工程專業(yè)實驗教學中的創(chuàng)新與改革〔〕:

摘要：環(huán)境類學科是一門綜合性較強、跨學科范圍廣的工程學科，環(huán)境工程專業(yè)實驗工藝設計復雜、占地面積大、局部工藝運行風險高，在傳統(tǒng)的實驗安排中無法適應。通過虛擬仿真新實驗的建立，加深學生對知識點的直觀感受，并且降低實驗本錢、解決環(huán)境工程專業(yè)實驗大型實驗設備占地大，參數(shù)多變，運行和維護本錢高周期長等問題。

關鍵詞：虛擬仿真；環(huán)境工程；專業(yè)實驗

本文引用格式：沈元等.虛擬仿真實驗在環(huán)境工程專業(yè)實驗教學中的創(chuàng)新與改革[J].教育現(xiàn)代化，2022，6〔37〕：

7-9.

InnovationandReformofVirtualSimulationExperimentinExperimentalTeachingofEnvironmentalEngineeringSpecialty

SHENYuan1,JINQiong2,LIYan1

(1.ZhejiangUniversityofTechnology,CollegeofEnvironment,Hangzhou,Zhejiang,China;2.HangzhouJiuhuanEnvironmentalProtectionTechnologyCo.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang,China)

Abstract:Environmentalscienceisanengineeringdisciplinewithstrongprehensivenessandwideinterdisciplinaryscope.Theexperimentalprocessdesignofprehensiveenvironmentalexperimentsisplex,coversalargearea,andsomeprocessesrunathighrisk,whichcannotbeadaptedtothetraditionalexperimentalarrangement.Throughtheconstructionofnewvirtualsimulationexperiment,studentsintuitiveperceptionofknowledgepointscanbedeepened,andthecostofexperimentcanbereduced.Theproblemsoflarge-scaleexperimentalequipmentoccupyinglargespace,variableparameters,highrunningandmaintenancecostsandlongcyclecanbesolved.

Keywords:virtualsimulation;environmentalengineering;prehensiveExperiments

環(huán)境工程是一門綜合性較強、跨學科范圍廣的工程學科，以研究環(huán)境污染治理技術為核心，它具有專業(yè)知識點高度綜合，學科門類復雜多樣、理論性和綜合性強等特點[1,2]。環(huán)境工程作為探究解決環(huán)境問題的主要學科，其實驗環(huán)節(jié)的教學是該學科的重要內容之一。

環(huán)境工程專業(yè)實驗教學是培養(yǎng)學生動手才能、創(chuàng)新才能和工程理論才能的一個重要組成局部，在人才培養(yǎng)過程中占有重要地位【3】。環(huán)境類學科專業(yè)實驗由于工藝設計復雜且本錢高、占地面積大、運行維護本錢高周期長等特點，因此在傳統(tǒng)的教學活動中難以直觀表達。實驗過程中又有多因素影響，學生難以在較短的時間內做好單因素變化的現(xiàn)象分析，此外，某些實驗往往伴隨高污染、高能耗、高風險等問題【4】，傳統(tǒng)實驗教學過程活動的開展有一定的難度。通過環(huán)境工程虛擬仿真實驗的建立，加強實驗方法的應用，加強實驗效果，加深學生對知識點的直觀感受，并且降低實驗本錢、解決環(huán)境工程專業(yè)實驗大型實驗設備占地大，參數(shù)多變，運行和維護本錢高和周期長等問題。同時，在"互聯(lián)網(wǎng)+";背景下，虛擬仿真實驗能讓學生學習更自由靈敏，符合學生個性化的學習需求，可以自由安排學習時間和學習進度，根據(jù)需求改變不同的實驗參數(shù)和工藝類型，從而促進學生更高效地學習。因此，虛擬仿真實驗在環(huán)境工程實驗教學中有著促進作用。

一環(huán)境工程專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀

環(huán)境工程作為一個新興的穿插學科，其專業(yè)領域涉及大氣污染控制工程、水污染控制工程、固體廢物處理與處置、物理性污染控制工程等假設干專業(yè)領域。特別是廢氣治理實驗，污水處理實驗等綜合性的環(huán)境工程專業(yè)實驗，具有占地面積大，實驗運行維護本錢高、實驗周期長等特點。因此，要全方位的開設環(huán)境工程專業(yè)實驗難度較大。

目前，我校環(huán)境工程專業(yè)開設環(huán)境專業(yè)實驗和環(huán)境根底實驗，共38個實驗。其中，環(huán)境專業(yè)實驗涵蓋了廢水處理實驗、大氣污染控制實驗、固體廢棄物處理實驗、物理性污染控制實驗。不同的實驗工程具有不同的特點，如廢水處理實驗中，本學科開展的主要為生化處理實驗，由于生化處理工藝種類較多，工藝復雜，占地大，實驗耗時長，實驗室地方有限，學生無法每個工藝都親手操作。在大氣污染控制實驗中，目前開放的是有機廢氣吸附實驗、大氣顆粒物處理實驗〔布袋除塵、文丘里濕式除塵實驗〕。近年來，各種污染防治技術又一直在更新開展，但是環(huán)境實驗設備占地面積大、價格昂貴，想一直跟著更新開展的步伐不斷的改良實驗設備存在著一定的難度，因此，考慮增加虛擬仿真實驗來解決這一難題。

二虛擬仿真實驗在環(huán)境工程專業(yè)實驗教學中的改革目的和思路

虛擬仿真實驗教學是教育信息化建立的重要途徑，是實驗教學改革和創(chuàng)新的詳細表達[5-6]。教育部于2022年啟動了國家虛擬仿真實驗教學中心的審批建立工作。教育部在2022年印發(fā)了?關于2022-2022年開展示范性虛擬仿真實驗教學工程建立的通知?，方案到2022年遴選出1000項示范性虛擬仿真實驗教學工程【7】，說明虛擬仿真實驗教學在接下來很長的一段時間內是傳統(tǒng)教學活動與新穎的教學方法的一個連接和導向。

結合我校環(huán)境工程專業(yè)實驗教學所存在的問題以及國家對虛擬仿真教學技術的大力支持和開發(fā)，我校環(huán)境工程專業(yè)實驗教學改革開展可以通過以下幾個方面來進展：①進一步完善和優(yōu)化環(huán)境工程專業(yè)實驗、環(huán)境根底實驗的教學大綱和課程體系；③探究虛擬仿真實驗與環(huán)境工程專業(yè)實驗教學的契合點，增加高污染、高風險、高本錢的環(huán)境工程專業(yè)實驗的虛擬仿真教學技術，進步教學質量，改革教學方法。

三環(huán)境工程虛擬仿真實驗的應用

教育部在加強實驗教學的根底上，進一步提出要建立國家虛擬仿真實驗教學中心這一思路[8]。目前，虛擬仿真實驗在環(huán)境工程專業(yè)實驗教學中的應用報道屈指可數(shù)[9-12]。比擬集中在某些簡單的水處理實驗[13-14]和廢氣處理實驗[15-16]。清華大學環(huán)境實驗與理論教學中心率先開展了虛擬仿真實驗教學平臺的建立，并在人才培養(yǎng)、資源節(jié)約和整合利用等方面獲得了一定的成效。

〔一〕建立思路

建立虛擬仿真實驗教學管理平臺，針對不同的學生群體，開放線上學習環(huán)境，使工程具有普適性。

〔二〕虛擬仿真程度與實驗設備嚴密結合

環(huán)境學科的迅猛開展，一些傳統(tǒng)的污染防治措施和環(huán)境監(jiān)測儀器設備都在不斷地更新，新儀器、新設備不斷涌現(xiàn)。虛擬仿真實驗教學可以貫穿在多元化教學環(huán)節(jié)的全過程，在課程實驗的根底上，對實驗原理進展驗證，直觀的完成實驗任務，并組織出一些綜合性實驗。

〔三〕工藝復雜型的虛擬仿真實驗的建立

環(huán)境工程專業(yè)實驗中水處理工藝種類多，開展也相對成熟，但是學生實驗只能選擇其中的一種工藝來進展實際操作，因此，水處理工藝的另外工藝不能深化的學習和實際操作，虛擬仿真實驗可以將混凝沉淀實驗、氣浮實驗、好氧生化實驗等合并成一套污水處理設備，因此配套開發(fā)一個虛擬仿真軟件，行程一套完好的水處理工藝。一方面可以讓學生系統(tǒng)的學習整個污水處理過程的工藝過程和構筑物構造，另一方面也可以在此根底上增加課程設計內容，模擬各種不同工況下的工藝廢水來選擇不同的處理工藝處理廢水，最終到達排放標準外排，同時，也可以進展工藝比選，對各個污水處理工藝有更深化的理解。

〔四〕占地大耗時長的虛擬仿真實驗的建立

如今實驗室中做廢氣處理主要有顆粒物除塵設備和有機廢氣活性炭吸附裝置，但是由于場地有限，實驗室的設備做的規(guī)模較小，與實際工廠中使用的設備還是有一定的差距，因此，可以配套開發(fā)一套虛擬仿真軟件，配合各種廢氣處理工藝，在改變不同的廢氣進風口的各項參數(shù)，來獲得不同工況下的處理效率，進展工藝比選。

〔五〕高風險高污染型的虛擬仿真實驗的建立

傳統(tǒng)的生活垃圾填埋場已經(jīng)滿足不了日益增多的生活垃圾產(chǎn)量，當下考慮較多的工藝都為燃燒處理，但是由于燃燒爐造價高，工藝復雜，風險較高平安系數(shù)低，一般在實驗室中沒有涉及垃圾燃燒專業(yè)實驗，因此，可以通過開發(fā)虛擬仿真實驗教學軟件彌補這個遺憾，提供學生學習燃燒爐的構造，垃圾燃燒的過程等等的理論學習，也可以較直觀地看到該工藝過程的操作過程，另外，也可以通過改變不同的工藝參數(shù)，來觀察燃燒后是否能達標排放。

四結語

環(huán)境工程虛擬仿真實驗是環(huán)境工程專業(yè)實驗知識體系融入到當下信息技術中去的高科技產(chǎn)物，是傳統(tǒng)環(huán)境工程專業(yè)實驗教學方法的改革和創(chuàng)新的一個表達，是提升實驗教學效果的一項重要途徑。虛擬仿真實驗平臺的建立，打破了原始實驗裝置占地面積大費用高、實驗過程耗時長、風險高污染大等的限制，對促進環(huán)境學科培養(yǎng)新型人才有著促進作用。今后，虛擬仿真環(huán)境工程專業(yè)實驗將在將來發(fā)揮更大的作用，形成對"互聯(lián)網(wǎng)+教育";的有力支撐[17]。與此同時，傳統(tǒng)實驗教學方法也不能無視，要結合虛擬仿真實驗教學方法來進一步綜合運用各種傳統(tǒng)的實驗教學形式，利用虛實結合、以虛補實的方式，在環(huán)境工程復合型人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻

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