水處理實(shí)驗(yàn)的“實(shí)操結(jié)合模擬仿真”的教學(xué)模式的應(yīng)用探討

馬雙龍，李 凱，李 儀，張亞麗

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002）

工科學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)為本。與眾多工科專業(yè)課一樣，實(shí)驗(yàn)是水污染處理理論與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合的紐帶[1]。作為環(huán)境工程專業(yè)的一個(gè)綜合性的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，水污染控制工程實(shí)驗(yàn)具有運(yùn)行成本高、占地面積廣的特點(diǎn)[2]。在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，水污染處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)常因?qū)嶒?yàn)設(shè)備的數(shù)量不足和場(chǎng)地面積受限而不能滿足學(xué)生親自操作的需求。學(xué)生缺乏了親自動(dòng)手操作、調(diào)試和熟悉設(shè)備的體驗(yàn)，教師的講授和演示顯得尤為枯燥。枯燥的觀摩學(xué)習(xí)極為抽象，抽象的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式會(huì)極大地降低學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和師生間的互動(dòng)性，使得學(xué)生對(duì)專業(yè)理論與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系與理解大打折扣，以致教學(xué)效果很難達(dá)到理想水平[3]。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段方面的應(yīng)用被認(rèn)為甚有前途[4]。虛擬仿真教學(xué)手段具有多項(xiàng)演示、模擬生動(dòng)等諸多特點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)獨(dú)辟蹊徑地提高了可視度，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的以教師為中心的被動(dòng)的“填鴨式”教學(xué)的同時(shí)，又因?yàn)槠錇檐浖M，容易普及，進(jìn)一步節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本（試劑的消耗、儀器的損壞、時(shí)間的投入和環(huán)境的污染），提高了學(xué)生們的參與性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的諸多不足，但它并不能取代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[5]。一方面，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要表現(xiàn)為上機(jī)操作軟件，具體細(xì)節(jié)操作有鼠標(biāo)的選定與點(diǎn)擊，學(xué)生親自操作對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和現(xiàn)象的了解甚有幫助，但對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的操作技巧和細(xì)節(jié)要領(lǐng)認(rèn)識(shí)的幫助就顯得有所欠缺；另一方面，虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)K使用模型常為理想化模型，與現(xiàn)實(shí)情況有一定出入，一定程度上阻礙了學(xué)生對(duì)知識(shí)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的深入理解和實(shí)際操作的應(yīng)用能力。

誠如前述，提高水處理相關(guān)課程的教學(xué)效果，水污染處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式亟須改革。在計(jì)算機(jī)信息技術(shù)不斷發(fā)展的社會(huì)大背景下，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，使二者能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，無疑給當(dāng)代水污染處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供了一個(gè)十分可取的出路[6]。筆者作為一個(gè)充滿活力的高校青年教師，總結(jié)了入職兩年的工作經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，談?wù)劷ㄔO(shè)虛擬仿真和實(shí)操結(jié)合的水污染處理實(shí)驗(yàn)室的必要性以及對(duì)于虛實(shí)結(jié)合的常規(guī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的一些可行性的建議。同時(shí)探討了虛擬仿真技術(shù)在活性污泥法處理水中有機(jī)污染的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“實(shí)操結(jié)合模擬仿真”的應(yīng)用及其提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果現(xiàn)實(shí)意義。

一、建設(shè)虛擬仿真和實(shí)操結(jié)合的水污染處理實(shí)驗(yàn)室的必要性

基于環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)的實(shí)踐性較強(qiáng)，學(xué)院重點(diǎn)投資了水污染物處理實(shí)驗(yàn)室，擁有顆粒自由沉淀實(shí)驗(yàn)裝置、絮凝沉淀實(shí)驗(yàn)裝置過濾與反沖洗實(shí)驗(yàn)裝置、機(jī)械反應(yīng)斜板斜管沉淀池實(shí)驗(yàn)裝置、平流式氣浮實(shí)驗(yàn)裝置、臭氧脫色實(shí)驗(yàn)裝置、離子交換軟化和除鹽實(shí)驗(yàn)裝置、A2/O工藝污水處理模擬實(shí)驗(yàn)裝置、三溝式卡魯塞爾氧化溝實(shí)驗(yàn)裝置、曝氣充氧能力測(cè)定裝置、曝氣生物濾池實(shí)驗(yàn)裝置、輻流式沉淀池實(shí)驗(yàn)裝置、電動(dòng)生物轉(zhuǎn)盤實(shí)驗(yàn)裝置、生物接觸氧化實(shí)驗(yàn)裝置、三相生物流化床實(shí)驗(yàn)裝置等，基本可以滿足環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)水污染處理實(shí)驗(yàn)的要求，但在筆者自身的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在諸多問題。包括實(shí)驗(yàn)室的污染問題，以及因部分實(shí)驗(yàn)周期長，導(dǎo)致教學(xué)效率低的問題，等等。因此，筆者從現(xiàn)實(shí)出發(fā)，談?wù)劷ㄔO(shè)“實(shí)操結(jié)合模擬仿真”教學(xué)模式的必要性。

1.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)環(huán)境，解決實(shí)驗(yàn)室污染問題。在水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，特別是對(duì)于垃圾滲濾液的處理，在污染設(shè)備，增大設(shè)備清洗維護(hù)的成本的同時(shí)，亦會(huì)因其化學(xué)成分復(fù)雜、污染物濃度高的特點(diǎn)，在不合理排放的過程中污染環(huán)境或者因?qū)W生的不規(guī)范操作而使學(xué)生直接接觸污染廢水后進(jìn)一步對(duì)學(xué)生的身體健康造成一定的傷害。因其諸多隱患因素，學(xué)生對(duì)于此實(shí)驗(yàn)只能旁聽教師的講解，使得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的理解比較抽象，難以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。所以，此過程就需要虛擬仿真系統(tǒng)的引入，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在解決實(shí)驗(yàn)室污染問題的同時(shí)，提高學(xué)生的參與度。

2.優(yōu)化教學(xué)資源配置，提高教學(xué)效率。在高校擴(kuò)招的大背景下，學(xué)生數(shù)量多和教學(xué)資源少的矛盾使得學(xué)生親自操作實(shí)驗(yàn)器材裝置的愿望受到極大限制，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課大多表現(xiàn)為看教師實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)課。被動(dòng)地接受知識(shí)很難激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣，此時(shí)就需要虛擬仿真系統(tǒng)的引入，可打破傳統(tǒng)教學(xué)資源少的束縛。

3.拓寬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的全面性。因教學(xué)實(shí)驗(yàn)受限于時(shí)間和場(chǎng)地，教學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容只能涵蓋局部代表性部位，且實(shí)驗(yàn)參數(shù)單一，變化少，很難呈現(xiàn)水處理工藝效能的全貌和完整性。眾所周知，現(xiàn)實(shí)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(huán)節(jié)相互作用復(fù)雜。因此，實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況有出入，所以虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合、互相補(bǔ)充就顯得十分重要了。

二、虛擬仿真和實(shí)操結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的建設(shè)的建議

1.能“實(shí)”勿“虛”，“虛擬”為輔。過度依賴虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的動(dòng)手能力得不到培養(yǎng)，只能紙上談兵。因此盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)軟件模擬的實(shí)驗(yàn)過程科學(xué)，數(shù)據(jù)可靠，但實(shí)際操作的主導(dǎo)地位不可被虛擬仿真取代。

2.與時(shí)俱進(jìn)，不斷完善。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，水污染的處理技術(shù)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(shù)的發(fā)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(duì)于傳統(tǒng)的水污染技術(shù)，新興的高級(jí)氧化技術(shù)在一定層面上顯得更有前途。如對(duì)于生物難降解有機(jī)污染物的去除方面，高級(jí)氧化技術(shù)顯得更為優(yōu)秀。因此，虛擬仿真和實(shí)操結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也要不斷地適應(yīng)需求，發(fā)展完善。

三、虛擬仿真和實(shí)操結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)踐

1.基于活性污泥實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真和實(shí)操結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。活性污泥法是目前生物污水處理工藝的經(jīng)典方法，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，在水污染處理教學(xué)課程體系中十分重要。但其因處理工藝過程歷時(shí)長、穩(wěn)定性要求高等原因，使得整個(gè)處理過程很難在常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行。因此常規(guī)實(shí)驗(yàn)只能將“曝氣設(shè)備充氧性能”“污水可生化性”等能夠在教學(xué)時(shí)間內(nèi)完成的項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)操普及。對(duì)于直接用于闡釋工藝過程和表征污泥性能的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)就可以建設(shè)“活性污泥法處理污水的動(dòng)力學(xué)系數(shù)的測(cè)定”仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)立進(jìn)行補(bǔ)充。前者滿足了“學(xué)以致用”的動(dòng)手能力的要求，后者實(shí)現(xiàn)了真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以完成的教學(xué)功能，使學(xué)生對(duì)于污泥處理污水的實(shí)驗(yàn)過程掌握得更為系統(tǒng)全面。

2.基于垃圾滲濾液的污水處理實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真和實(shí)操結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。垃圾滲濾液成分復(fù)雜，是垃圾填埋場(chǎng)必須進(jìn)行無害化處理的廢水，其現(xiàn)有的處理模式為厭氧發(fā)酵，好氧發(fā)酵后再經(jīng)超膜、納膜、反滲透系統(tǒng)進(jìn)一步凈化，因其具有占地面積大和處理成本高的特點(diǎn)，以至于其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以實(shí)現(xiàn)，其教學(xué)模式主要為課堂講解加實(shí)地調(diào)研。實(shí)驗(yàn)室層面大多屬院校，只能側(cè)重各環(huán)節(jié)水樣的分析檢測(cè)能力的培養(yǎng)，學(xué)生對(duì)滲濾液處理過程的認(rèn)識(shí)局限于抽象的觀察層面，很難直觀地感受處理的工藝細(xì)節(jié)，因此需要構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)，讓學(xué)生更直觀地了解垃圾滲濾液的處理過程。以虛擬實(shí)驗(yàn)的方式讓學(xué)生參與其中，達(dá)到理想的專業(yè)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的銜接效果。

四、結(jié)語

信息技術(shù)高速發(fā)展帶來的虛擬仿真技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的諸多不足。基于工科專業(yè)學(xué)以致用的目的，在重視基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的建設(shè)的前提下，輔以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使二者有機(jī)結(jié)合，相輔相成，無疑是當(dāng)代水污染處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中一個(gè)十分可取的出路。