虛擬仿真技術在環境工程學理論及實驗教學中的應用

章琴琴

【摘 要】環境工程學是環境科學專業的主干課程，具有實踐性、綜合性、多學科性等特征。針對環境工程學理論及實驗教學的特點和存在的問題，本文在深入分析虛擬仿真教學特點的基礎上，探討在環境工程學理論及實驗教學中引入虛擬仿真技術教學的可行性和必要性。

【關鍵詞】仿真技術；環境工程學；實驗實訓；教學

環境工程學是面向環境科學專業高年級本科生開設的專業課，是一門以數學、物理、化學、生化、微生物、化工原理等各種專業知識綜合應用為主要特色的課程，是理論與實踐相結合的一門重要的專業課程。該課程對于培養學生掌握各類污染物的處理工藝流程，基本的原理，主要設備的結構、性能以及主要設備的設計計算，起到了積極的不可替代的重要作用。課程內容諸如：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理；沖擊式慣性除塵器工作機理；靜電除塵器去除顆粒污染物等難以用宏觀實體模型進行科學而又生動的描述，學生在學習該部分內容時，會覺得枯燥乏味、難于理解，從而影響教學效果。為了解決這個問題，將虛擬仿真技術應用于環境工程學理論及實驗教學是極其必要的。

1 環境工程學的特點及傳統教學中存在的問題

隨著環境控制技術迅速發展，污染控制工程理論和實踐的知識量也越來越多，知識點的更新速度也越來越快。我國各理工科院校的環境科學專業基本都開設有環境工程學課程，但縱觀課程的教學現狀，存在諸多不盡如人意的地方。

1.1 教學內容多且廣泛

環境工程學包含廢水污染控制、大氣污染控制、固體廢物處理以及噪聲控制等，內容多而雜，容易造成學生對知識的掌握廣而不深，學而不精。對應的專業教材知識更新慢；理論課程課時過多，實踐課程課時少，專業技能訓練難以保證[1]。

1.2 實習實訓教學效果差

環境工程課程實習實訓都是集中將學生帶到某個與專業相關的單位比如污水處理廠，學生只能參觀某些處理單元，不得隨便操作任何設備、儀器，對于如何控制管理水處理工藝的運行、如何解決運行問題等，仍然得不到學習和鍛煉。實習實訓教學現場通常比較嘈雜，學生對參觀的內容往往是“走馬觀花”，不能達到實習實訓的目的。

1.3 實驗項目偏少且單一

環境工程實驗作為環境工程學理論課程的后續實驗課程，該課程不僅能加深、鞏固學生對環境工程基本理論的理解，同時還可增強分析問題和進行科學實驗的獨立工作能力；有利于掌握有關環境工程實驗研究方法和實驗技巧，培養整理、分析數據能力，提高環境工藝、工程方面的科研思維能力和創新意識。但是目前環境工程實驗教學僅限于幾個固定實驗，比如：活性污泥實驗、大氣除塵演示實驗、氧傳遞系數測定實驗等，實驗項目偏少。教學方式大多是在教師講解之后，學生“依樣畫葫蘆”進行實驗，學生對實驗目的和步驟理解得不夠透徹，在整個實驗過程中處于一種被動的地位。另外，學生對實驗設備缺乏感性認識，即使把實驗指導書中對設備的基本構造、使用方法和注意事項看了多遍，仍不得要領，甚至不能正確地操作設備。另外，某些實驗項目受到設備數量、品種、成本等方面的限制而無法開展。

2 虛擬仿真技術在環境工程學理論及實驗教學中的應用

虛擬仿真教學是指利用實物和計算機軟件共同模擬出真實的情境，讓學生在模擬的情境下進行探究和學習。隨著科學技術的迅猛發展，虛擬仿真技術越來越廣泛地被應用于各領域的專業教學，如自動化[2]、水電機組監測與故障診斷等[3]。虛擬仿真教學可以根據教學的實際需要和效果，對教學內容進行動態的組織和修改，具有很強的針對性和互動性，能夠充分發揮學生的主動思維[4]。

2.1 虛擬仿真技術水污染控制的運用

虛擬仿真技術教學可以提升學生對城市生活廢水、工業廢水處理系統的認識，提高教學效果。在仿真系統中，學生按照時間操作規程的要求對各個工藝參數進行調整，最終確定處理后的廢水與污泥能否與實際設計的標準要求相符[5]。學生可根據提示熟悉虛擬水廠構筑物分布和水廠概況，查看主要動力設備的知識點，了解水廠主要動設備能耗和藥劑成本，了解污水處理廠的相關工作規定和安全章程等。比如：虛擬仿真水廠包含巡檢項目和事故預案工況等，分別是正常工況巡檢、出水總氮超標、出水總磷超標、出水COD超標、反應池曝氣量調節、初沉池排泥撇渣、內回流的調節、SVI調節，從而掌握污水處理廠常見事故的應急處理預案和解決措施。

2.2 虛擬仿真技術在大氣污染控制的運用

環境工程學的大氣污染物控制教學部分，通過動態數學模型實時模擬真實實驗現象和過程，讓學生在計算機上模擬真實現場操作[6]。如在大氣擴散教學中，使用仿真演示大氣擴散從零維到三維，從瞬時到連續等多種點、線、面模式，使抽象的知識具體化。又如在堿液吸收二氧化硫的仿真實訓中，根據系統的運行狀況，選擇不同的填料、進氣速度、吸收液流量等條件進行操作，系統自動記錄實驗數據，并計算實驗結果。該過程可以進行重復實驗，可達到完全掌握實驗內容的目的[6]。

總之，環境工程學理論及實驗實訓教學中涉及的工藝流程復雜、設備抽象、公式和難點多等難題，可利用虛擬仿真技術使抽象而又復雜的教學內容變得形象簡單，從而增強學生的學習積極性，提高該課程的教學效果。

【參考文獻】

[1]馬培，鮑錦磊，李鋼.淺談環境工程專業教學中存在問題及對策[J].廣州化工，2016，44（16）：198-199.

[2]李姿.MATLAB仿真在自動化專業教學實踐環節中的應用[J].中國電力教育，2010（9）：134-135.

[3]周振，張萍，王羅春，等.計算機仿真在環境工程實踐教學中的應用[J].中國電力教育，2014（5）：186-187.

[4]王淑勤，李超，趙學娟.計算機技術在水污染控制工程教學中的應用[J].實驗技術與管理，2014（3）：105-108.

[5]喻敏霞，張紅，趙甘林，等.仿真技術在環境工程水處理實驗教學中的應用研究[J].資源節約與環保，2016（7）：61.

[6]陳玉玲.軟件仿真技術在《大氣污染控制技術》課程教學中的應用[J].華章，2011（26）.endprint