环境专业仿真实验教学的建设探讨

段凤魁， 贺克斌， 杨宏伟， 左剑恶， 黄 霞， 王月伶， 孙 艳

(清华大学 环境学院，北京 100084)



环境专业仿真实验教学的建设探讨

段凤魁， 贺克斌， 杨宏伟， 左剑恶， 黄 霞， 王月伶， 孙 艳

(清华大学 环境学院，北京 100084)

由于当前污染形势严峻，我国高校环境专业面临着前所未有的挑战与机遇。由于实验场地不足、实验课时与容量有限，一些很好的实验内容尤其是反映最新进展的科研成果，难以在实验课堂上介绍并传授给学生。虚拟仿真实验教学信息技术在教育领域具有重要应用，是教育信息化的重要组成部分。目前仿真实验在环境专业实验教学中的应用比较少，及时开展仿真实验教学建设，与真实实验教学互补，对于培养环境专业创新人才，具有非常重要的意义。要从实验体系、实验内容、软件开发、管理体系等方面，对仿真实验教学进行大力建设，完善国家级实验教学示范中心的建设内容。

实验教学； 仿真实验； 信息化； 国家级实验教学示范中心

0 引 言

实验教学是高校人才培养的重要环节，是联接理论知识与实践的纽带。过去20多年来，随着经济的快速发展，我国科研整体实力不断提高，科研成果不断涌现。与此同时，高校实验教学也获得了一定发展，课程体系不断完善、硬件实力明显提高。然而，由于不同高校、不同学科的发展水平、经费投入仍然存在不小差异，导致很多能体现科研水平的项目难以转化为教学，实验教学的发展面临瓶颈[1]。尤其是工程性很强的专业，面临着巨大挑战，亟需探索一种新型实验教学手段作为辅助。仿真实验教学是除理论教学、实验教学之外的第三种教学方式，能够模拟真实实验环境，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中，通过参数条件的设置及改变，实现预期实验目标。与传统实验教学相比，在涉及高危或极端环境、不可及或不可逆过程，以及高成本、高消耗、高污染工程性实验项目上，仿真实验教学具有明显优势[2-4]。虚拟仿真实验教学是教育信息化建设的重要内容，是实验教学改革与创新的具体体现，是国家级实验教学中心建设的重要组成部分[5-6]。

1 仿真实验教学的现状与建设思路

由于当前污染形势严峻，我国高校环境专业面临着前所未有的挑战与机遇。清华大学通过多年不断探索和实践, 已经构建了符合环境学科特点的、覆盖面广的新型实验实践教育体系, 包括专业实验、实践体系和绿色实践体系。其中实验教学形成了专业基础实验、污染控制技术实验、环境信息与技术控制实验组成的课程体系[7-8]。该实验教学体系加强了学生动手能力和创新能力的培养, 为提高科研效率和水平奠定了良好的基础。清华大学环境实验与实践教学中心(以下简称中心)于2009年被评为国家级实验教学示范中心建设单位，迄今在教学中心管理、实验课程体系建设、实验课程设置、实验设备研发等各个方面开展了大量工作，取得了一定成绩。然而，由于实验场地不足、实验课时与容量有限，一些很好的实验内容尤其是反映清华大学在环境领域最新进展的科研成果，难以在实验课堂上介绍并传授给学生。因此，及时开展仿真实验教学建设，与真实实验教学互补，对于培养环境专业创新人才，具有非常重要的意义[7-8]。

目前仿真实验在环境专业实验教学中的应用比较少，只有为数不多的几篇报道[9-12]，一般多集中在水处理实验方面。如城市污水处理计算机仿真系统可采用缺氧好氧活性污泥法，通过延长曝气时间，使出水完全硝化，曝气池设计则采用除氮工艺使出水水质提高[13-14]；仿真实验可解决水处理真实实验所面临的器材、经费、时间及空间问题，等等。

仿真实验在大气污染控制方面的报道，则多侧重于电厂[15-19]的实际应用，在教学中的报道较少见。如湿式石灰石/石膏烟气脱硫系统的工艺控制、电厂湿法烟气脱硫仿真系统设计与实现、烟气脱硫喷淋塔实时仿真模型研究以及湿法烟气脱硫吸收塔仿真模型开发及应用，等等。这些研究为我们实现脱硫过程的仿真实验教学建设提供了很好的思路与经验。

根据上述仿真实验教学发展现状、环境学科的特点以及本中心的软硬件基础，我们提出充分利用学院雄厚的科研实力，建设具有环境专业特色的、开放的仿真实验教学中心，在水、气、固等重点领域，实现实验教学的信息化，进一步完善国家级实验教学中心的建设内容。

2 仿真实验教学的建设内容

仿真实验教学中心的建设，需要针对仿真实验的特点，从实验体系、实验项目、模型软件开发、管理体系等几个方面进行。

目前中心已开设10门实验课，基本涵盖了环境领域的主要研究方向，包括环境监测实验、校园环境监测、环境微生物实验、水处理实验、大气污染控制工程实验、固体废物与垃圾处理实验、环境工程原理、环境土壤学实验、环境数据处理与数学模型实验、数据库与信息技术实验等。这些课程基本可以分为两大类：环境监测实验、环境微生物实验是基础性实验课，内容多以验证性为主；其他则属于综合性或研究型实验课程，内容以探究型为主。仿真实验在这两大类实验课中均可以发挥作用。因此，我们的仿真实验体系可以涵盖两大类：基础性仿真实验、综合性仿真实验。

目前本中心已开设的实验项目近80个。不同实验项目具有不同特点，如水处理及大气污染控制工程的有关实验，具有工艺复杂型、占地大耗时长型、高污染型等特点，是制约我中心实验建设的难点所在，因此可以考虑优先开展这些实验的仿真建设与应用。同时，在进行仿真实验建设时，可以根据实验项目各自特点进行分类、整合，而不必与实验项目进行一一对应。根据上述分析，仿真实验项目可以分为以下几类：

(1) 工艺复杂型。如水处理课中的自由沉淀实验、过滤实验、混凝实验、气浮实验，是污水处理过程不同阶段所需的技术，各个技术本身并不复杂，单套设备占地面积也不大，但考虑到污水处理过程是一个复杂的有机整体，因此考虑把这些实验合并一起，设计成一套完成的污水处理仿真体系。这样一方面可以实现上述不同实验项目的要求，另一方面能够促进学生对整个水处理工艺的了解与掌握，对所学的理论知识进行验证。

(2) 占地大耗时长型。如除尘实验中的旋风除尘、布袋除尘和电除尘。近年我们紧跟除尘技术的最新发展，把电袋除尘实验建立起来，并研发了相应的除尘设备。由于除尘设备一般占地面积大、价格昂贵，故多用于工厂、企业，在高校实验教学中并不多见。同时，除尘实验需要设置和改变多个参数，从而获得不同工况下的除尘效率，故实验周期比较长。

(3) 高风险或污染型。湿法脱硫实验一般采用SO2钢瓶作为气体源，通过流量控制器控制流量大小，然后通过改变吸收液浓度大小，测定不同工况下的脱硫效率。由于SO2具有很强的毒性与腐蚀性，导致脱硫设备老化很快，常出现气体泄漏的状况，危害实验人员健康与安全。堆肥实验则因堆肥过程中产生大量气体(如CO2、甲烷等)并散发出腐烂气味，严重污染实验室环境。

当然，上述只是简单分类。实际上，不少实验项目同时具备了上述三个特征，如电袋除尘实验由于要用到高压电源故具有一定危险性，堆肥实验的周期长达3 d等等，这从另一个方面说明开展仿真实验的必要性。另外，仿真实验也可以在基础型实验课中发挥重要作用。如环境监测实验中有不少与化学有关的基本操作，如玻璃仪器的正确使用、滴定操作、小型分析仪器的使用等；环境微生物实验中关于显微镜的使用、微生物的培养等。这些内容可以加以整合，形成基础型的仿真实验，供学生课前预习使用。

此外，仿真实验教学模型软件的开发，需要在充分考虑实验项目设置的基础上，发挥学科优势、中心优势以及教师队伍优势，大力促进科研成果向教学的转化，进行自主或联合研发设计。仿真实验教学的管理体系建设，则应着重从运行管理模式、教师队伍建设、安全管理等方面开展，本着开发、自主、科学的原则，把学生积极主动性与仿真实验教学的先进性有效结合，激发学生的创新思维。教师队伍的好坏是决定教学目标能否实现的关键因素。在加强实验师资建设基础上，要不断培养与引进信息技术人才，形成一支能够把握科研发展前沿、兼备科研与教学双重能力的教师队伍。

3 仿真实验建设典型案例

如上所述，我们开设的近80个实验项目中，有些实验由于占地面积大、耗时长，因此在高校中开设较少。以电袋除尘仿真实验为例，我们主要从以下几个方面进行建设：

(1) 建立电袋除尘仿真模型。电袋除尘器是非常复杂的系统，其除尘效率受多种因素影响。其中电除尘器除尘效率受烟气(性质、浓度、烟气量)、供电(供电方式、电压、电流)、气流分布、阴阳极振打清灰方式等因素影响；而袋式除尘器除尘效率受过滤风速、喷吹压力/周期/时间、设备阻力、清灰方式等影响。因此，仿真模型的建立必须在充分考虑电袋除尘器运行机理的基础上，通过对总除尘效率与各因素的关系进行大量实验研究和数据分析，才能建立起科学的仿真模型。清华大学于上世纪80年代开始，开展了大量电除尘器方面的相关研究与设计[20-22]，针对电场分布特性、电极间距、电极形状等影响因素进行数值模拟，并建立了相应的数学模型。袋除尘器的仿真模型则可借鉴胡满银、张瑞英等[23-24]的研究报道。

(2) 设计仿真设备。仿真设备是进行仿真实验的载体。电袋除尘仿真设备的设计与实体的设计类似，要根据实验教学的需要，充分利用电、袋除尘器各自特点，使总除尘效率最大化。在前期成功设计专用于实验教学的电袋除尘实体装置基础上，设计仿真设备时将充分考虑两种除尘器的主要部件结构形式与运行参数[25]。电除尘器的主要部件结构包括：电晕极、集尘极、振打装置、气流分布板、灰斗、外壳；运行参数包括：电场的长宽高、电场个数、电极间距与电极形式、气流分布板孔隙大小、供电设备等。袋除尘器的主要部件结构包括：滤料、脉冲设备、脉冲气体、灰斗等；运行参数包括：滤袋直径、长度及数量、脉冲清灰的频率等。

(3) 开发仿真软件。根据所建立的电袋除尘器仿真数学模型，编写仿真软件, 模拟系统的操作与运行。软件的主要功能包括[23-24]：动态模拟电袋除尘器的整个运行过程，求出总除尘效率；模拟各参数运行状况，对运行参数进行调整, 以满足不同工况的需要；对系统故障进行诊断分析，等等。

4 结 语

仿真实验时教育信息化的重要手段，是国家级实验教学示范中心的重要建设内容和有力延伸。对于工程性强、综合性强的实验项目，仿真实验较传统实验教学具有明显的优势，因而在高校环境专业实验教学中存在很大的发展空间。通过仿真实验，不但可以使学生实现对基础型实验内容的预习，更可使学生通过条件与参数的改变，实现不同实验过程，获得重要技术工艺的实验结果，验证理论知识，培养科研热情，锻炼创新思维。因此，仿真实验教学在环境专业人才培养中具有非常重要的意义与地位。

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Construction of Virtual Simulation Experimental Teaching for Environmental Science and Engineering

DUANFeng-kui,HEKe-bin,YANGHong-wei,ZUOJian-e,HUANGXia,WANGYue-ling,SUNYan

(School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Due to the grim pollution situation, environment subject in China faced on unprecedented challenges and also opportunities. Since the experimental site is lack, experimental class and the capacity are limited, it is difficult to present the good experimental items, especially, those can reflect the latest advances of the research achievements. The virtual simulation experiment teaching has an important application in the field of education, and is an important part of education informationization. However, the application of simulation experiment in the current experimental environment of teaching is limited. It is significant to carry out the construction of simulation experiment teaching in time, which can be a complement of real experiment teaching. The development of simulation experiment teaching should focus on the aspects of experimental system, experimental content, software development and management system, so as to improve the construction of the national experimental teaching demonstration center.

experimental teaching; simulation experiment; informationization; national experimental teaching demonstration center

2015-04-27

2009年国家实验教学示范中心建设项目(教高函 [2009]28号)

段凤魁(1973-)，女，山东潍坊人，博士，高级工程师。主要从事大气污染控制、环境分析化学科研及教学工作。

Tel.：010-62771679；E-mail: duanfk@tsinghua.edu.cn

X 505; G 642.10

A

1006-7167(2016)04-0101-03