水處理實驗的“實操結合模擬仿真”的教學模式的應用探討

馬雙龍，李 凱，李 儀，張亞麗

（河南農業大學資源與環境學院，河南 鄭州 450002）

工科學習，實驗為本。與眾多工科專業課一樣，實驗是水污染處理理論與實際應用緊密結合的紐帶[1]。作為環境工程專業的一個綜合性的專業實驗，水污染控制工程實驗具有運行成本高、占地面積廣的特點[2]。在常規的實驗教學中，水污染處理實驗教學常因實驗設備的數量不足和場地面積受限而不能滿足學生親自操作的需求。學生缺乏了親自動手操作、調試和熟悉設備的體驗，教師的講授和演示顯得尤為枯燥。枯燥的觀摩學習極為抽象，抽象的實驗教學模式會極大地降低學生學習的主動性和師生間的互動性，使得學生對專業理論與實際應用的聯系與理解大打折扣，以致教學效果很難達到理想水平[3]。

近年來，隨著計算機信息技術的快速發展，虛擬仿真技術在實驗教學手段方面的應用被認為甚有前途[4]。虛擬仿真教學手段具有多項演示、模擬生動等諸多特點。相對于傳統的實驗教學模式，虛擬仿真實驗教學獨辟蹊徑地提高了可視度，打破了傳統實驗教學中存在的以教師為中心的被動的“填鴨式”教學的同時，又因為其為軟件模擬，容易普及，進一步節約了實驗成本（試劑的消耗、儀器的損壞、時間的投入和環境的污染），提高了學生們的參與性。虛擬仿真實驗教學一定程度上彌補了傳統實驗教學模式的諸多不足，但它并不能取代傳統實驗教學模式[5]。一方面，虛擬仿真實驗教學主要表現為上機操作軟件，具體細節操作有鼠標的選定與點擊，學生親自操作對實驗原理和現象的了解甚有幫助，但對實驗過程的操作技巧和細節要領認識的幫助就顯得有所欠缺；另一方面，虛擬仿真教學實驗模塊使用模型常為理想化模型，與現實情況有一定出入，一定程度上阻礙了學生對知識現實應用的深入理解和實際操作的應用能力。

誠如前述，提高水處理相關課程的教學效果，水污染處理實驗教學的形式亟須改革。在計算機信息技術不斷發展的社會大背景下，將虛擬仿真實驗與傳統常規實驗有機結合，使二者能夠優勢互補，無疑給當代水污染處理實驗教學的改革提供了一個十分可取的出路[6]。筆者作為一個充滿活力的高校青年教師，總結了入職兩年的工作經驗，并結合自身的教學實踐活動，談談建設虛擬仿真和實操結合的水污染處理實驗室的必要性以及對于虛實結合的常規實驗室建設的一些可行性的建議。同時探討了虛擬仿真技術在活性污泥法處理水中有機污染的實驗教學中的“實操結合模擬仿真”的應用及其提升實驗教學的效果現實意義。

一、建設虛擬仿真和實操結合的水污染處理實驗室的必要性

基于環境生態工程專業的實踐性較強，學院重點投資了水污染物處理實驗室，擁有顆粒自由沉淀實驗裝置、絮凝沉淀實驗裝置過濾與反沖洗實驗裝置、機械反應斜板斜管沉淀池實驗裝置、平流式氣浮實驗裝置、臭氧脫色實驗裝置、離子交換軟化和除鹽實驗裝置、A2/O工藝污水處理模擬實驗裝置、三溝式卡魯塞爾氧化溝實驗裝置、曝氣充氧能力測定裝置、曝氣生物濾池實驗裝置、輻流式沉淀池實驗裝置、電動生物轉盤實驗裝置、生物接觸氧化實驗裝置、三相生物流化床實驗裝置等，基本可以滿足環境生態工程專業水污染處理實驗的要求，但在筆者自身的教學過程中發現，這種傳統的實驗教學過程中存在諸多問題。包括實驗室的污染問題，以及因部分實驗周期長，導致教學效率低的問題，等等。因此，筆者從現實出發，談談建設“實操結合模擬仿真”教學模式的必要性。

1.優化實驗環境，解決實驗室污染問題。在水處理實驗教學過程中，特別是對于垃圾滲濾液的處理，在污染設備，增大設備清洗維護的成本的同時，亦會因其化學成分復雜、污染物濃度高的特點，在不合理排放的過程中污染環境或者因學生的不規范操作而使學生直接接觸污染廢水后進一步對學生的身體健康造成一定的傷害。因其諸多隱患因素，學生對于此實驗只能旁聽教師的講解，使得學生對實驗過程的理解比較抽象，難以達到預期的實驗教學效果。所以，此過程就需要虛擬仿真系統的引入，優化實驗環境，在解決實驗室污染問題的同時，提高學生的參與度。

2.優化教學資源配置，提高教學效率。在高校擴招的大背景下，學生數量多和教學資源少的矛盾使得學生親自操作實驗器材裝置的愿望受到極大限制，學生的實驗課大多表現為看教師實驗的實驗課。被動地接受知識很難激發學生對實驗課的興趣，此時就需要虛擬仿真系統的引入，可打破傳統教學資源少的束縛。

3.拓寬實驗內容，提高實驗內容的全面性。因教學實驗受限于時間和場地，教學實驗的內容只能涵蓋局部代表性部位，且實驗參數單一，變化少，很難呈現水處理工藝效能的全貌和完整性。眾所周知，現實生活中的水污染處理工藝影響因素，組成成分眾多，各工藝環節相互作用復雜。因此，實驗室的教學實驗得出的實驗結果會與實際情況有出入，所以虛擬仿真技術與傳統實驗的有機結合、互相補充就顯得十分重要了。

二、虛擬仿真和實操結合的實驗教學模式的建設的建議

1.能“實”勿“虛”，“虛擬”為輔。過度依賴虛擬仿真實驗教學，會導致學生的動手能力得不到培養，只能紙上談兵。因此盡管虛擬仿真實驗軟件模擬的實驗過程科學，數據可靠，但實際操作的主導地位不可被虛擬仿真取代。

2.與時俱進，不斷完善。隨著科技的進步與發展，水污染的處理技術也日益革新，如光催化、電催化、基于過硫酸鹽的常溫催化技術的發展，亦給水污染的處理方法提供了更多的選擇和更多的有效途徑。相對于傳統的水污染技術，新興的高級氧化技術在一定層面上顯得更有前途。如對于生物難降解有機污染物的去除方面，高級氧化技術顯得更為優秀。因此，虛擬仿真和實操結合的實驗教學模式也要不斷地適應需求，發展完善。

三、虛擬仿真和實操結合的實驗教學模式的實踐

1.基于活性污泥實驗的虛擬仿真和實操結合的實驗教學模式。活性污泥法是目前生物污水處理工藝的經典方法，被廣泛地應用于現實生活中，在水污染處理教學課程體系中十分重要。但其因處理工藝過程歷時長、穩定性要求高等原因，使得整個處理過程很難在常規實驗教學中進行。因此常規實驗只能將“曝氣設備充氧性能”“污水可生化性”等能夠在教學時間內完成的項目進行實操普及。對于直接用于闡釋工藝過程和表征污泥性能的動力學實驗就可以建設“活性污泥法處理污水的動力學系數的測定”仿真實驗的設立進行補充。前者滿足了“學以致用”的動手能力的要求，后者實現了真實實驗設備難以完成的教學功能，使學生對于污泥處理污水的實驗過程掌握得更為系統全面。

2.基于垃圾滲濾液的污水處理實驗的虛擬仿真和實操結合的實驗教學模式。垃圾滲濾液成分復雜，是垃圾填埋場必須進行無害化處理的廢水，其現有的處理模式為厭氧發酵，好氧發酵后再經超膜、納膜、反滲透系統進一步凈化，因其具有占地面積大和處理成本高的特點，以至于其在實驗教學中難以實現，其教學模式主要為課堂講解加實地調研。實驗室層面大多屬院校，只能側重各環節水樣的分析檢測能力的培養，學生對滲濾液處理過程的認識局限于抽象的觀察層面，很難直觀地感受處理的工藝細節，因此需要構建虛擬仿真系統，讓學生更直觀地了解垃圾滲濾液的處理過程。以虛擬實驗的方式讓學生參與其中，達到理想的專業知識與實際應用的銜接效果。

四、結語

信息技術高速發展帶來的虛擬仿真技術彌補了傳統水處理實驗教學的諸多不足。基于工科專業學以致用的目的，在重視基礎實驗的建設的前提下，輔以虛擬仿真實驗，使二者有機結合，相輔相成，無疑是當代水污染處理實驗教學改革中一個十分可取的出路。