虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的創(chuàng)新與改革

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的創(chuàng)新與改革〔〕:

摘要：環(huán)境類學(xué)科是一門綜合性較強(qiáng)、跨學(xué)科范圍廣的工程學(xué)科，環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜、占地面積大、局部工藝運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高，在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)安排中無(wú)法適應(yīng)。通過(guò)虛擬仿真新實(shí)驗(yàn)的建立，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的直觀感受，并且降低實(shí)驗(yàn)本錢、解決環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備占地大，參數(shù)多變，運(yùn)行和維護(hù)本錢高周期長(zhǎng)等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；環(huán)境工程；專業(yè)實(shí)驗(yàn)

本文引用格式：沈元等.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(qiáng)、跨學(xué)科范圍廣的工程學(xué)科，以研究環(huán)境污染治理技術(shù)為核心，它具有專業(yè)知識(shí)點(diǎn)高度綜合，學(xué)科門類復(fù)雜多樣、理論性和綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)[1,2]。環(huán)境工程作為探究解決環(huán)境問(wèn)題的主要學(xué)科，其實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)是該學(xué)科的重要內(nèi)容之一。

環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手才能、創(chuàng)新才能和工程理論才能的一個(gè)重要組成局部，在人才培養(yǎng)過(guò)程中占有重要地位【3】。環(huán)境類學(xué)科專業(yè)實(shí)驗(yàn)由于工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜且本錢高、占地面積大、運(yùn)行維護(hù)本錢高周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此在傳統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)中難以直觀表達(dá)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中又有多因素影響，學(xué)生難以在較短的時(shí)間內(nèi)做好單因素變化的現(xiàn)象分析，此外，某些實(shí)驗(yàn)往往伴隨高污染、高能耗、高風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題【4】，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程活動(dòng)的開展有一定的難度。通過(guò)環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建立，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的直觀感受，并且降低實(shí)驗(yàn)本錢、解決環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備占地大，參數(shù)多變，運(yùn)行和維護(hù)本錢高和周期長(zhǎng)等問(wèn)題。同時(shí)，在"互聯(lián)網(wǎng)+";背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生學(xué)習(xí)更自由靈敏，符合學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求，可以自由安排學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)進(jìn)度，根據(jù)需求改變不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和工藝類型，從而促進(jìn)學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)。因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有著促進(jìn)作用。

一環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

環(huán)境工程作為一個(gè)新興的穿插學(xué)科，其專業(yè)領(lǐng)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(shè)干專業(yè)領(lǐng)域。特別是廢氣治理實(shí)驗(yàn)，污水處理實(shí)驗(yàn)等綜合性的環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)，具有占地面積大，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行維護(hù)本錢高、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此，要全方位的開設(shè)環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)難度較大。

目前，我校環(huán)境工程專業(yè)開設(shè)環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)和環(huán)境根底實(shí)驗(yàn)，共38個(gè)實(shí)驗(yàn)。其中，環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)涵蓋了廢水處理實(shí)驗(yàn)、大氣污染控制實(shí)驗(yàn)、固體廢棄物處理實(shí)驗(yàn)、物理性污染控制實(shí)驗(yàn)。不同的實(shí)驗(yàn)工程具有不同的特點(diǎn)，如廢水處理實(shí)驗(yàn)中，本學(xué)科開展的主要為生化處理實(shí)驗(yàn)，由于生化處理工藝種類較多，工藝復(fù)雜，占地大，實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)室地方有限，學(xué)生無(wú)法每個(gè)工藝都親手操作。在大氣污染控制實(shí)驗(yàn)中，目前開放的是有機(jī)廢氣吸附實(shí)驗(yàn)、大氣顆粒物處理實(shí)驗(yàn)〔布袋除塵、文丘里濕式除塵實(shí)驗(yàn)〕。近年來(lái)，各種污染防治技術(shù)又一直在更新開展，但是環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備占地面積大、價(jià)格昂貴，想一直跟著更新開展的步伐不斷的改良實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在著一定的難度，因此，考慮增加虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)解決這一難題。

二虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的改革目的和思路

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化建立的重要途徑，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和創(chuàng)新的詳細(xì)表達(dá)[5-6]。教育部于2022年啟動(dòng)了國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的審批建立工作。教育部在2022年印發(fā)了?關(guān)于2022-2022年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工程建立的通知?，方案到2022年遴選出1000項(xiàng)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工程【7】，說(shuō)明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在接下來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)是傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)與新穎的教學(xué)方法的一個(gè)連接和導(dǎo)向。

結(jié)合我校環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所存在的問(wèn)題以及國(guó)家對(duì)虛擬仿真教學(xué)技術(shù)的大力支持和開發(fā)，我校環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革開展可以通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)展：①進(jìn)一步完善和優(yōu)化環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境根底實(shí)驗(yàn)的教學(xué)大綱和課程體系；③探究虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的契合點(diǎn)，增加高污染、高風(fēng)險(xiǎn)、高本錢的環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真教學(xué)技術(shù)，進(jìn)步教學(xué)質(zhì)量，改革教學(xué)方法。

三環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

教育部在加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根底上，進(jìn)一步提出要建立國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心這一思路[8]。目前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用報(bào)道屈指可數(shù)[9-12]。比擬集中在某些簡(jiǎn)單的水處理實(shí)驗(yàn)[13-14]和廢氣處理實(shí)驗(yàn)[15-16]。清華大學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)中心率先開展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)，針對(duì)不同的學(xué)生群體，開放線上學(xué)習(xí)環(huán)境，使工程具有普適性。

〔二〕虛擬仿真程度與實(shí)驗(yàn)設(shè)備嚴(yán)密結(jié)合

環(huán)境學(xué)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(cè)儀器設(shè)備都在不斷地更新，新儀器、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以貫穿在多元化教學(xué)環(huán)節(jié)的全過(guò)程，在課程實(shí)驗(yàn)的根底上，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)展驗(yàn)證，直觀的完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并組織出一些綜合性實(shí)驗(yàn)。

〔三〕工藝復(fù)雜型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建立

環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)中水處理工藝種類多，開展也相對(duì)成熟，但是學(xué)生實(shí)驗(yàn)只能選擇其中的一種工藝來(lái)進(jìn)展實(shí)際操作，因此，水處理工藝的另外工藝不能深化的學(xué)習(xí)和實(shí)際操作，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以將混凝沉淀實(shí)驗(yàn)、氣浮實(shí)驗(yàn)、好氧生化實(shí)驗(yàn)等合并成一套污水處理設(shè)備，因此配套開發(fā)一個(gè)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(xué)生系統(tǒng)的學(xué)習(xí)整個(gè)污水處理過(guò)程的工藝過(guò)程和構(gòu)筑物構(gòu)造，另一方面也可以在此根底上增加課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，模擬各種不同工況下的工藝廢水來(lái)選擇不同的處理工藝處理廢水，最終到達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)外排，同時(shí)，也可以進(jìn)展工藝比選，對(duì)各個(gè)污水處理工藝有更深化的理解。

〔四〕占地大耗時(shí)長(zhǎng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建立

如今實(shí)驗(yàn)室中做廢氣處理主要有顆粒物除塵設(shè)備和有機(jī)廢氣活性炭吸附裝置，但是由于場(chǎng)地有限，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備做的規(guī)模較小，與實(shí)際工廠中使用的設(shè)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(jìn)風(fēng)口的各項(xiàng)參數(shù)，來(lái)獲得不同工況下的處理效率，進(jìn)展工藝比選。

〔五〕高風(fēng)險(xiǎn)高污染型的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建立

傳統(tǒng)的生活垃圾填埋場(chǎng)已經(jīng)滿足不了日益增多的生活垃圾產(chǎn)量，當(dāng)下考慮較多的工藝都為燃燒處理，但是由于燃燒爐造價(jià)高，工藝復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)較高平安系數(shù)低，一般在實(shí)驗(yàn)室中沒(méi)有涉及垃圾燃燒專業(yè)實(shí)驗(yàn)，因此，可以通過(guò)開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件彌補(bǔ)這個(gè)遺憾，提供學(xué)生學(xué)習(xí)燃燒爐的構(gòu)造，垃圾燃燒的過(guò)程等等的理論學(xué)習(xí)，也可以較直觀地看到該工藝過(guò)程的操作過(guò)程，另外，也可以通過(guò)改變不同的工藝參數(shù)，來(lái)觀察燃燒后是否能達(dá)標(biāo)排放。

四結(jié)語(yǔ)

環(huán)境工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系融入到當(dāng)下信息技術(shù)中去的高科技產(chǎn)物，是傳統(tǒng)環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革和創(chuàng)新的一個(gè)表達(dá)，是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的一項(xiàng)重要途徑。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，打破了原始實(shí)驗(yàn)裝置占地面積大費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高污染大等的限制，對(duì)促進(jìn)環(huán)境學(xué)科培養(yǎng)新型人才有著促進(jìn)作用。今后，虛擬仿真環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)將在將來(lái)發(fā)揮更大的作用，形成對(duì)"互聯(lián)網(wǎng)+教育";的有力支撐[17]。與此同時(shí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法也不能無(wú)視，要結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法來(lái)進(jìn)一步綜合運(yùn)用各種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，利用虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)的方式，在環(huán)境工程復(fù)合型人才培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)揮更大的作用。

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