虚拟仿真技术在水污染控制工程实验教学中的应用进展
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摘 要：传统水污染控制工程实验教学已无法满足学生综合能力培养的深层需求。虚拟仿真技术可尝试融入到传统实物实验教学过程中。该文在分析水污染控制工程实物实验教学局限性以及虚拟仿真实验教学优势的基础上，结合目前国内高校典型应用实例，探讨虚拟仿真技术在水污染控制工程实验教学中的应用现状和总体特征。
关键词：虚拟仿真 水污染控制工程 实验教学
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）06（c）-0101-02
水污染控制工程是环境工程专业的一门重要核心课程，其教学内容涉及物理、化学、物理化学和生物处理等多种水处理技术方法及工艺，是多门自然科学知识的综合应用[1]。作为后续实践环节，水污染控制工程实验一般综合性较强、复杂度较高，对目前普遍采用的传统实物实验教学提出了挑战。为了加强学生对污水处理技术基本理论的理解，促进学生污水处理理论知识水平的升华，提高学生对所学知识的综合应用能力，水污染控制工程实验教学改革十分必要。
1 传统水污染控制工程实验教学的局限性
在传统的水污染控制工程实验教学模式下，学生主要通过在实验室里实际接触污水处理模型工艺及仪器设备，理解污水处理实验基本原理，熟悉工艺设备的结构特性、工作原理及操作程序，掌握各项技术指标的分析测定方法，并基于实验现象观察以及数据处理与分析，获得结论和形成最终的实验报告。总体上，传统实物实验教学对学生污水处理基本实验操作技能的培养具有不可替代的重要作用，但在学生综合应用能力的培养方面尚有一定欠缺。由于水污染控制工程实验涉及污水处理模拟工艺如机械反应斜板沉淀池、A2O生物脱氮除磷工艺及废水综合处理模拟装置等，工艺结构相对复杂，占地大，台套数少，且大多数实验特别是生物处理相关实验周期较长。因此，受限于经费和硬件条件，难以在有限学时内展开相对复杂的综合性实验，水处理前沿技术也无法充分体现。学生基本停留于指标测定和系统结构的初步认知，仅能被动执行，无法主动操作和深入探讨工艺性能的影响因素，造成了学生能力培养需求无法满足。此外，场地和台套数的限制决定了学生需以小组形式进行实验，导致了部分学生实验参与度不高，滥竽充数现象时有发生，进而对实验考核的公平、公正性提出了挑战。此外，传统实验过程中可能涉及危险化学品，管理困难，且有可能造成二次污染。
2 虚拟仿真实验教学的特点
根据教育部发布的《教育信息化2.0行动计划》，新时代我国教育改革发展应“坚持信息技术与教育教学深度融合的核心理念”。在此背景下，实验教学信息化是发展的必然趋势和迫切需要。其中，虚拟仿真实验教学突破了传统实物实验教学手段的瓶颈，是实现实验教学信息化的重要手段及载体。虚拟仿真实验是利用基于计算机技术建立实验教学模型动态，形象、逼真地模拟实际工艺设备、运行情境及操作过程，获得与实物实验相符的实验现象、规律、结果及有效结论[2]。教师可根据实验教学培养需求和实际的教学效果反馈，灵活实时地协调、组织和修改教学过程环节，充分调动学生的主观能动性，具有很强的针对性、开放性、拓展性、时效性和互动性，克服了传统实物实验投入大、周期长、学时有限、综合性不强、学生参与度低、危险系数高等缺点[2，3]，改善实验教学效果，提升学生的综合素养和创新能力。
3 水污染控制工程虚拟仿真实验教学的应用现状
伴随着教育信息化理念在国内高校教育领域的逐渐深入，基于虚拟仿真实验教学的优势和传统水污染控制工程实验教学的局限性，水污染控制工程虚拟仿真实验教学逐步受到了关注、发展和推广。如沈阳大学环境学院引进已开发的仿真软件，基于“实操结合模拟仿真”模式应用于环境工程专业实验教学改革[4]。其中，水污染控制工程的仿真教学实验涵盖了A2O、SBR和气浮等典型实验，以及城市污水综合处理设计性实验。过程中涉及了原理和工艺了解，设计和运行参数设置调节和优化等，突破了传统实验的时空局限性，提高了学生参与度和培养质量。湖南大学环境科学与工程学院在建立的“基础性—综合性—设计性—创新性”水污染控制工程实验课程体系中融入了虚拟仿真理念，将各部分教学内容进行系统整合，构建了水污染控制工程在线“教”与“学”虚拟实验平台[5]。学生借助该平台可整体了解水污染控制工程实验，自主学习相关课件、视频等实验教学资料，并进行“基础性”和“综合性”实验的在线考核，进而开展相关实验室实验;在“设计性实验”模块中，学生根据废水特征，结合平台的学习设计合理的实验方案，并采用仿真软件进行模拟，从而获得最佳的实验方案，为后续实验室实验的开展提供指导。湖南大学环境科学与工程学院对“虚”与“实”两个实验平台的有机结合突破了传统水污染控制工程实驗教学的学时限制，能够与时俱进，拓展水处理前沿知识，改善实验教学效果，提高学生实践和创新能力。中山大学环境科学与工程学院建立了“微曝氧化沟工艺”虚拟仿真实验教学项目。该项目基于反应动力学基本原理运行氧化沟工艺，加入各种分析仪表实现实时反馈，且侧重于学生操作。学生可通过参数调整获得工艺动态变化规律，提高了学生综合实践和创新能力[6]。清华大学环境学院将沉淀、过滤、混凝和气浮实验进行整合，形成一套污水处理仿真体系，使学生能够了解相对复杂的整体水处理工艺，加深对理论知识的理解[7]。南京理工大学环境与生物工程学院探索了虚拟仿真与环境工程理论实践教学相融合的教学模式[8]。其中，借助于虚拟仿真实验系统，学生可以进行混凝实验等验证性实验的“前实验”，并结合实物实验对比分析;针对如污水生化处理实验等耗时长、复杂度和综合性高的实验，学生还可通过仿真系统调节相关参数，观察系统的动态变化，并分析讨论，从而理解工艺运行规律，提高了解决复杂工程问题的能力。
上述实例表明，目前虚拟仿真技术在各高校水污染控制工程实验教学中的应用并未脱离实物教学，坚持“能实不虚，虚实结合，以虚促实”的原则，以实物教学经验为基础，以培养学生综合应用能力的需求为导向，提升实验的综合性、复杂度和灵活性，尽可能覆盖预习、讲解、练习、考核等实验教学环节，以切实改进水污染控制工程实验教学的效果。
4 结语
水污染控制工程实验是环境工程专业的一项重要教学内容和实践环节，其传统实物实验教学模式具有一定的局限性。虚拟仿真技术能够突破传统实物实验教学的限制，提高学生对水污染控制工程实验的学习兴趣、自主性以及对知识运用和转化能力，目前已逐步得到应用、发展和广泛推广。未来虚拟仿真技术在水污染控制工程实验教学中的应用将在课程体系、教学模块和技术手段等方面进一步发展和完善，以适应新时代人才培养的需求。
参考文献
[1] 章琴琴.虚拟仿真技术在环境工程学理论及实验教学中的应用[J].科技视界，2017（25）：18，23.
[2] 张珂，郑宾国，崔节虎，等.基于OBE模式的环境工程虚拟仿真实验中心建设探索[J].实验技术与管理，2019，36（1）：270-273.
[3] 王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.
[4] 高丹，林静雯，王英刚.“实操结合模拟仿真”模式在环境工程专业实验教学中应用[J].高教学刊，2018（2）：113-115.
[5] 范长征，晏铭，张薇，等.现代信息技术的水污染控制工程实验课程体系的构建[J].教育教学论坛，2016（6）：242-243.
[6] 刘育，孙连鹏，陈玉娟.环境工程虚拟仿真实验项目建设[J].高教学刊，2018（15）：63-65.
[7] 段凤魁，贺克斌，杨宏伟，等.环境专业仿真实验教学的建设探讨[J].实验室研究与探索，2016，35（4）：101-103，107.
[8] 谢慧芳，胡朝霞，陈守文，等.融入仿真系统的环境工程实践教学改革[J].实验技术与管理，2016，33（9）：115-118.
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