虛擬仿真技術在石化污水處理工程實驗教學中的應用探討

滕 青，張冬梅，江彩玲，梁曉萍，張健敏

(廣東石油化工學院 環境科學與工程學院，廣東 茂名 525000)

實驗教學能培養學生利用自己所學的理論知識去分析、解決實際問題。不僅能提高學生的實際動手能力，還能培養學生獨立思考與及創新的能力[1-2]。但是在傳統的實驗教學中，通常由于資金缺乏、實驗設備數量及場地不足，使得學生很難在有限的時間中充分操作、熟悉和調試設備[3-4]。石化污水處理工程實驗中涉及多個處理單元，各單元相對獨立且設備構造差異性較大[5]，造成教學效果難以達到教學目標要求。在以傳統實驗教學為基礎的情況下，計算機虛擬仿真技術的發展作為理工科類實驗教學的拓展和延伸，能避免傳統實驗教學的各種限制和弊端，顯著提高實驗教學效果與教學質量。虛擬仿真技術可以重新構建實驗課程教學體系，提升學生實踐操作與自主創新的能力，充分發揮學生在實驗過程中的積極性和主動性，從而達到培養學生綜合素質的目的。

1 石化污水處理工程實驗教學中的現狀及存在的問題

1.1 實驗室污染問題

石化污水中的污染物主要為烴類、烴類化合物及可溶性有機和無機組分[6]。石化企業生產的過程中排放的廢水存在水量和水質波動性大、廢水成分復雜、污染物濃度高且很難被分離降解、對環境危害性大等問題[7-8]。石油化工廢水普遍還存在較高的毒性，特別是存在大量重金屬離子和一些持久性有機污染物等，嚴重影響和威脅周圍群眾。若處理不達標排放會對周邊環境造成嚴重影響。

在傳統實驗教學中，石化污水的處理工藝大多數為“隔油-氣浮-生化”[9-10]。實驗過程中，水中的一些可揮發的污染物可能對室內空氣造成污染，進一步危害學生身體健康；污水處理過程中涉及大量的化學藥劑，接觸不當會危害學生身體健康；石化污水處理工程實驗中的水處理可能存在不達標的情況，處理后的廢水一般直接排放到環境中，污染周圍環境。另外，實驗過程中還可能存在管道漏水的情況，造成實驗室污染，存在一定的安全隱患。

1.2 教學資源有限

石化污水處理工藝隨著科技的進步不斷發展，工程實驗中所用的設備、藥劑等都會不斷發生變化。然而，由于經費不足、場地有限、學時短缺、及實驗安全性等客觀問題，儀器設備往往更新較慢，更不上主流工藝的變動；且工程設備臺套數量有限，學生在實驗課程中，很難親自動手操作，主要是教師在課堂上進行講解與操作演示，學生大多在旁邊觀摩，從而降低了學生的積極主動性，導致師生之間的互動性差，從而影響了學生對專業理論知識及實驗教學的理解。

1.3 操作時間有限，教學效率低

在傳統實物實驗教學中，學生在實驗室進行設備熟悉，原理了解和實驗操作，由于操作時間有限，一些耗時較長的綜合性實驗只能停留在原理講解與操作演示階段，學生不能深入了解完整的實驗過程，只是單純地按照實驗指導書上的步驟進行操作，并努力將實驗結果向理論上靠攏，不能真實的反映出實驗結果，很少對實驗過程中出現問題進行分析、查找原因，實驗教學無法提升學生自主創新與實踐操作的能力。

2 虛擬仿真實驗在石化污水處理中的應用

2.1 優化實驗環境

在傳統石化污水處理實驗操作中的很多化學試劑存在毒性、易燃易爆等危險，學生在實驗操作中會產生一些安全隱患，如通過攝入、呼吸、接觸的方式使同學產生中毒現象。有些危險的實驗只能由老師操作和講解，學生只能在一旁聽講，使學生對實驗操作的主動性下降。一些實驗中的反應時間可能會很長，也有可能是學生對操作流程的不熟悉，導致學生無法按時完成實驗，實驗結束后的廢液沒有按要求放在指定位置，對環境會造成污染；另外有些學生操作不規范而損害儀器設備，危害學生自身安全。因此，傳統石化污水處理工程實驗教學中存在不少安全隱患，若采用虛擬仿真實驗，使學生在安全、無污染的綠色環境中進行學習。不必擔心因操作不當而損壞儀器設備。

2.2 提高實驗可見度，便于直觀教學

傳統實驗教學存在以老師為中心的問題，學生往往被動接受知識，虛擬仿真實驗教學打破常規，學生能夠充分認識、了解實驗，提高了實驗的可見度[11]。依靠信息化技術，如多媒體網絡、虛擬現實、數據庫、網絡通訊和人機交互等其他重要的信息化技術，可以避免在傳統實驗中因各種因素不能及時進行實驗的不足之處。與其他污水處理工藝相比，石油污水處理工藝更加復雜，學生在學習和操作的過程中存在較大困難。學生往往由于不熟悉操作流程和工藝，即使老師在課堂上講解了基本的工作原理，但是學生對于每一個流程處理工藝的了解還是很片面的。而在虛擬實驗室內學生可以清晰明確的知道每一過程的步驟，除了了解每個過程的基本流程之外，軟件提供了實時幫助功能，對于不清楚的操作，可以及時獲得幫助，便于學生知道這些流程中的優缺點。虛擬仿真實驗為同學提供便捷、高效的學習平臺，節約操作時間，節省損壞儀器的成本，同時可以根據教學的需要來設計教學的實驗安排，更好的展現出實驗的效果。不僅能開拓學生視野，提高學習興趣和學習主動性，而且拓展了學生的創新思維能力，從而達到理論和實踐相結合的目的。

2.3 模擬整個生產工藝

傳統的石化廢水處理實物實驗考慮到場地、經費問題，往往只能做某個工藝的一個反應流程。而應用了虛擬仿真技術后，不僅能仿真工藝的每一部分情況，還能了解整個工藝工作情況。而通過仿真實驗技術，虛擬仿真軟件廠家一般會將一些較難操作和理解的設備構造，實驗原理做成動圖、視頻和3D操作的形式隨軟件一起安裝，生動形象地向學生展現各單元的工藝流程和機器結構等；學生可以通過手機能較好的進行預習，了解實驗的操作步驟、實驗過程中容易出現的問題、應注意事項以及應對這些問題所采用的對策。3D虛擬仿真技術不僅可以讓學生感受真實的工廠環境，還調動了學生的學習積極性和主動性，鍛煉學生的獨立構思及設計能力，激發學生的學習興趣，有利于培養具有創新與實踐能力的學生[12]。且進一步優化了實驗與實際操作中的教學過程，有助于提高學生們的實際操作技能及驗證所學到的理論知識。

2.4 增強實踐能力，培養創新人才

傳統意義上的實驗大多以驗證性為主，即驗證已有的結論或前人做過的實驗已有成果，實驗內容單一，學生大多根據實驗步驟進行操作完成實驗，實驗過程中對遇到的問題缺乏思考和分析，無法鍛煉到學生的創新能力。而通過仿真實驗，不僅能了解真實的實驗操作，從而達到每個學生都能親自動手做實驗的效果，而且通過建立仿真實驗平臺，可以靈活地增加設計性實驗內容，讓學生根據實驗目的自主設計實驗方案進行分析。

3 結語

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設的重要內容。隨著信息技術的不斷發展，仿真技術會更多的運用于實驗教學中，虛擬仿真實驗平臺的構建是學科專業知識體系與信息技術深度融合的產物，能進一步加強學生綜合能力和創新能力的培養，顯著提升當前實驗教學效果。