環境專業仿真實驗教學的建設探討

段鳳魁， 賀克斌， 楊宏偉， 左劍惡， 黃 霞， 王月伶， 孫 艷

(清華大學 環境學院，北京 100084)

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環境專業仿真實驗教學的建設探討

段鳳魁， 賀克斌， 楊宏偉， 左劍惡， 黃 霞， 王月伶， 孫 艷

(清華大學 環境學院，北京 100084)

由于當前污染形勢嚴峻，我國高校環境專業面臨著前所未有的挑戰與機遇。由于實驗場地不足、實驗課時與容量有限，一些很好的實驗內容尤其是反映最新進展的科研成果，難以在實驗課堂上介紹并傳授給學生。虛擬仿真實驗教學信息技術在教育領域具有重要應用，是教育信息化的重要組成部分。目前仿真實驗在環境專業實驗教學中的應用比較少，及時開展仿真實驗教學建設，與真實實驗教學互補，對于培養環境專業創新人才，具有非常重要的意義。要從實驗體系、實驗內容、軟件開發、管理體系等方面，對仿真實驗教學進行大力建設，完善國家級實驗教學示范中心的建設內容。

實驗教學； 仿真實驗； 信息化； 國家級實驗教學示范中心

0 引 言

實驗教學是高校人才培養的重要環節，是聯接理論知識與實踐的紐帶。過去20多年來，隨著經濟的快速發展，我國科研整體實力不斷提高，科研成果不斷涌現。與此同時，高校實驗教學也獲得了一定發展，課程體系不斷完善、硬件實力明顯提高。然而，由于不同高校、不同學科的發展水平、經費投入仍然存在不小差異，導致很多能體現科研水平的項目難以轉化為教學，實驗教學的發展面臨瓶頸[1]。尤其是工程性很強的專業，面臨著巨大挑戰，亟需探索一種新型實驗教學手段作為輔助。仿真實驗教學是除理論教學、實驗教學之外的第三種教學方式，能夠模擬真實實驗環境，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中，通過參數條件的設置及改變，實現預期實驗目標。與傳統實驗教學相比，在涉及高危或極端環境、不可及或不可逆過程，以及高成本、高消耗、高污染工程性實驗項目上，仿真實驗教學具有明顯優勢[2-4]。虛擬仿真實驗教學是教育信息化建設的重要內容，是實驗教學改革與創新的具體體現，是國家級實驗教學中心建設的重要組成部分[5-6]。

1 仿真實驗教學的現狀與建設思路

由于當前污染形勢嚴峻，我國高校環境專業面臨著前所未有的挑戰與機遇。清華大學通過多年不斷探索和實踐, 已經構建了符合環境學科特點的、覆蓋面廣的新型實驗實踐教育體系, 包括專業實驗、實踐體系和綠色實踐體系。其中實驗教學形成了專業基礎實驗、污染控制技術實驗、環境信息與技術控制實驗組成的課程體系[7-8]。該實驗教學體系加強了學生動手能力和創新能力的培養, 為提高科研效率和水平奠定了良好的基礎。清華大學環境實驗與實踐教學中心(以下簡稱中心)于2009年被評為國家級實驗教學示范中心建設單位，迄今在教學中心管理、實驗課程體系建設、實驗課程設置、實驗設備研發等各個方面開展了大量工作，取得了一定成績。然而，由于實驗場地不足、實驗課時與容量有限，一些很好的實驗內容尤其是反映清華大學在環境領域最新進展的科研成果，難以在實驗課堂上介紹并傳授給學生。因此，及時開展仿真實驗教學建設，與真實實驗教學互補，對于培養環境專業創新人才，具有非常重要的意義[7-8]。

目前仿真實驗在環境專業實驗教學中的應用比較少，只有為數不多的幾篇報道[9-12]，一般多集中在水處理實驗方面。如城市污水處理計算機仿真系統可采用缺氧好氧活性污泥法，通過延長曝氣時間，使出水完全硝化，曝氣池設計則采用除氮工藝使出水水質提高[13-14]；仿真實驗可解決水處理真實實驗所面臨的器材、經費、時間及空間問題，等等。

仿真實驗在大氣污染控制方面的報道，則多側重于電廠[15-19]的實際應用，在教學中的報道較少見。如濕式石灰石/石膏煙氣脫硫系統的工藝控制、電廠濕法煙氣脫硫仿真系統設計與實現、煙氣脫硫噴淋塔實時仿真模型研究以及濕法煙氣脫硫吸收塔仿真模型開發及應用，等等。這些研究為我們實現脫硫過程的仿真實驗教學建設提供了很好的思路與經驗。

根據上述仿真實驗教學發展現狀、環境學科的特點以及本中心的軟硬件基礎，我們提出充分利用學院雄厚的科研實力，建設具有環境專業特色的、開放的仿真實驗教學中心，在水、氣、固等重點領域，實現實驗教學的信息化，進一步完善國家級實驗教學中心的建設內容。

2 仿真實驗教學的建設內容

仿真實驗教學中心的建設，需要針對仿真實驗的特點，從實驗體系、實驗項目、模型軟件開發、管理體系等幾個方面進行。

目前中心已開設10門實驗課，基本涵蓋了環境領域的主要研究方向，包括環境監測實驗、校園環境監測、環境微生物實驗、水處理實驗、大氣污染控制工程實驗、固體廢物與垃圾處理實驗、環境工程原理、環境土壤學實驗、環境數據處理與數學模型實驗、數據庫與信息技術實驗等。這些課程基本可以分為兩大類：環境監測實驗、環境微生物實驗是基礎性實驗課，內容多以驗證性為主；其他則屬于綜合性或研究型實驗課程，內容以探究型為主。仿真實驗在這兩大類實驗課中均可以發揮作用。因此，我們的仿真實驗體系可以涵蓋兩大類：基礎性仿真實驗、綜合性仿真實驗。

目前本中心已開設的實驗項目近80個。不同實驗項目具有不同特點，如水處理及大氣污染控制工程的有關實驗，具有工藝復雜型、占地大耗時長型、高污染型等特點，是制約我中心實驗建設的難點所在，因此可以考慮優先開展這些實驗的仿真建設與應用。同時，在進行仿真實驗建設時，可以根據實驗項目各自特點進行分類、整合，而不必與實驗項目進行一一對應。根據上述分析，仿真實驗項目可以分為以下幾類：

(1) 工藝復雜型。如水處理課中的自由沉淀實驗、過濾實驗、混凝實驗、氣浮實驗，是污水處理過程不同階段所需的技術，各個技術本身并不復雜，單套設備占地面積也不大，但考慮到污水處理過程是一個復雜的有機整體，因此考慮把這些實驗合并一起，設計成一套完成的污水處理仿真體系。這樣一方面可以實現上述不同實驗項目的要求，另一方面能夠促進學生對整個水處理工藝的了解與掌握，對所學的理論知識進行驗證。

(2) 占地大耗時長型。如除塵實驗中的旋風除塵、布袋除塵和電除塵。近年我們緊跟除塵技術的最新發展，把電袋除塵實驗建立起來，并研發了相應的除塵設備。由于除塵設備一般占地面積大、價格昂貴，故多用于工廠、企業，在高校實驗教學中并不多見。同時，除塵實驗需要設置和改變多個參數，從而獲得不同工況下的除塵效率，故實驗周期比較長。

(3) 高風險或污染型。濕法脫硫實驗一般采用SO2鋼瓶作為氣體源，通過流量控制器控制流量大小，然后通過改變吸收液濃度大小，測定不同工況下的脫硫效率。由于SO2具有很強的毒性與腐蝕性，導致脫硫設備老化很快，常出現氣體泄漏的狀況，危害實驗人員健康與安全。堆肥實驗則因堆肥過程中產生大量氣體(如CO2、甲烷等)并散發出腐爛氣味，嚴重污染實驗室環境。

當然，上述只是簡單分類。實際上，不少實驗項目同時具備了上述三個特征，如電袋除塵實驗由于要用到高壓電源故具有一定危險性，堆肥實驗的周期長達3 d等等，這從另一個方面說明開展仿真實驗的必要性。另外，仿真實驗也可以在基礎型實驗課中發揮重要作用。如環境監測實驗中有不少與化學有關的基本操作，如玻璃儀器的正確使用、滴定操作、小型分析儀器的使用等；環境微生物實驗中關于顯微鏡的使用、微生物的培養等。這些內容可以加以整合，形成基礎型的仿真實驗，供學生課前預習使用。

此外，仿真實驗教學模型軟件的開發，需要在充分考慮實驗項目設置的基礎上，發揮學科優勢、中心優勢以及教師隊伍優勢，大力促進科研成果向教學的轉化，進行自主或聯合研發設計。仿真實驗教學的管理體系建設，則應著重從運行管理模式、教師隊伍建設、安全管理等方面開展，本著開發、自主、科學的原則，把學生積極主動性與仿真實驗教學的先進性有效結合，激發學生的創新思維。教師隊伍的好壞是決定教學目標能否實現的關鍵因素。在加強實驗師資建設基礎上，要不斷培養與引進信息技術人才，形成一支能夠把握科研發展前沿、兼備科研與教學雙重能力的教師隊伍。

3 仿真實驗建設典型案例

如上所述，我們開設的近80個實驗項目中，有些實驗由于占地面積大、耗時長，因此在高校中開設較少。以電袋除塵仿真實驗為例，我們主要從以下幾個方面進行建設：

(1) 建立電袋除塵仿真模型。電袋除塵器是非常復雜的系統，其除塵效率受多種因素影響。其中電除塵器除塵效率受煙氣(性質、濃度、煙氣量)、供電(供電方式、電壓、電流)、氣流分布、陰陽極振打清灰方式等因素影響；而袋式除塵器除塵效率受過濾風速、噴吹壓力/周期/時間、設備阻力、清灰方式等影響。因此，仿真模型的建立必須在充分考慮電袋除塵器運行機理的基礎上，通過對總除塵效率與各因素的關系進行大量實驗研究和數據分析，才能建立起科學的仿真模型。清華大學于上世紀80年代開始，開展了大量電除塵器方面的相關研究與設計[20-22]，針對電場分布特性、電極間距、電極形狀等影響因素進行數值模擬，并建立了相應的數學模型。袋除塵器的仿真模型則可借鑒胡滿銀、張瑞英等[23-24]的研究報道。

(2) 設計仿真設備。仿真設備是進行仿真實驗的載體。電袋除塵仿真設備的設計與實體的設計類似，要根據實驗教學的需要，充分利用電、袋除塵器各自特點，使總除塵效率最大化。在前期成功設計專用于實驗教學的電袋除塵實體裝置基礎上，設計仿真設備時將充分考慮兩種除塵器的主要部件結構形式與運行參數[25]。電除塵器的主要部件結構包括：電暈極、集塵極、振打裝置、氣流分布板、灰斗、外殼；運行參數包括：電場的長寬高、電場個數、電極間距與電極形式、氣流分布板孔隙大小、供電設備等。袋除塵器的主要部件結構包括：濾料、脈沖設備、脈沖氣體、灰斗等；運行參數包括：濾袋直徑、長度及數量、脈沖清灰的頻率等。

(3) 開發仿真軟件。根據所建立的電袋除塵器仿真數學模型，編寫仿真軟件, 模擬系統的操作與運行。軟件的主要功能包括[23-24]：動態模擬電袋除塵器的整個運行過程，求出總除塵效率；模擬各參數運行狀況，對運行參數進行調整, 以滿足不同工況的需要；對系統故障進行診斷分析，等等。

4 結 語

仿真實驗時教育信息化的重要手段，是國家級實驗教學示范中心的重要建設內容和有力延伸。對于工程性強、綜合性強的實驗項目，仿真實驗較傳統實驗教學具有明顯的優勢，因而在高校環境專業實驗教學中存在很大的發展空間。通過仿真實驗，不但可以使學生實現對基礎型實驗內容的預習，更可使學生通過條件與參數的改變，實現不同實驗過程，獲得重要技術工藝的實驗結果，驗證理論知識，培養科研熱情，鍛煉創新思維。因此，仿真實驗教學在環境專業人才培養中具有非常重要的意義與地位。

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Construction of Virtual Simulation Experimental Teaching for Environmental Science and Engineering

DUANFeng-kui,HEKe-bin,YANGHong-wei,ZUOJian-e,HUANGXia,WANGYue-ling,SUNYan

(School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Due to the grim pollution situation, environment subject in China faced on unprecedented challenges and also opportunities. Since the experimental site is lack, experimental class and the capacity are limited, it is difficult to present the good experimental items, especially, those can reflect the latest advances of the research achievements. The virtual simulation experiment teaching has an important application in the field of education, and is an important part of education informationization. However, the application of simulation experiment in the current experimental environment of teaching is limited. It is significant to carry out the construction of simulation experiment teaching in time, which can be a complement of real experiment teaching. The development of simulation experiment teaching should focus on the aspects of experimental system, experimental content, software development and management system, so as to improve the construction of the national experimental teaching demonstration center.

experimental teaching; simulation experiment; informationization; national experimental teaching demonstration center

2015-04-27

2009年國家實驗教學示范中心建設項目(教高函 [2009]28號)

段鳳魁(1973-)，女，山東濰坊人，博士，高級工程師。主要從事大氣污染控制、環境分析化學科研及教學工作。

Tel.：010-62771679；E-mail: duanfk@tsinghua.edu.cn

X 505; G 642.10

A

1006-7167(2016)04-0101-03