虚拟仿真技术在环境工程学理论及实验教学中的应用

章琴琴

【摘 要】环境工程学是环境科学专业的主干课程，具有实践性、综合性、多学科性等特征。针对环境工程学理论及实验教学的特点和存在的问题，本文在深入分析虚拟仿真教学特点的基础上，探讨在环境工程学理论及实验教学中引入虚拟仿真技术教学的可行性和必要性。

【关键词】仿真技术；环境工程学；实验实训；教学

环境工程学是面向环境科学专业高年级本科生开设的专业课，是一门以数学、物理、化学、生化、微生物、化工原理等各种专业知识综合应用为主要特色的课程，是理论与实践相结合的一门重要的专业课程。该课程对于培养学生掌握各类污染物的处理工艺流程，基本的原理，主要设备的结构、性能以及主要设备的设计计算，起到了积极的不可替代的重要作用。课程内容诸如：废水好氧活性污泥的基本工艺；废水生物脱氮除磷工艺；选择性还原法净化NOx工艺流程；平流式沉砂池工作机理；冲击式惯性除尘器工作机理；静电除尘器去除颗粒污染物等难以用宏观实体模型进行科学而又生动的描述，学生在学习该部分内容时，会觉得枯燥乏味、难于理解，从而影响教学效果。为了解决这个问题，将虚拟仿真技术应用于环境工程学理论及实验教学是极其必要的。

1 环境工程学的特点及传统教学中存在的问题

随着环境控制技术迅速发展，污染控制工程理论和实践的知识量也越来越多，知识点的更新速度也越来越快。我国各理工科院校的环境科学专业基本都开设有环境工程学课程，但纵观课程的教学现状，存在诸多不尽如人意的地方。

1.1 教学内容多且广泛

环境工程学包含废水污染控制、大气污染控制、固体废物处理以及噪声控制等，内容多而杂，容易造成学生对知识的掌握广而不深，学而不精。对应的专业教材知识更新慢；理论课程课时过多，实践课程课时少，专业技能训练难以保证[1]。

1.2 实习实训教学效果差

环境工程课程实习实训都是集中将学生带到某个与专业相关的单位比如污水处理厂，学生只能参观某些处理单元，不得随便操作任何设备、仪器，对于如何控制管理水处理工艺的运行、如何解决运行问题等，仍然得不到学习和锻炼。实习实训教学现场通常比较嘈杂，学生对参观的内容往往是“走马观花”，不能达到实习实训的目的。

1.3 实验项目偏少且单一

环境工程实验作为环境工程学理论课程的后续实验课程，该课程不仅能加深、巩固学生对环境工程基本理论的理解，同时还可增强分析问题和进行科学实验的独立工作能力；有利于掌握有关环境工程实验研究方法和实验技巧，培养整理、分析数据能力，提高环境工艺、工程方面的科研思维能力和创新意识。但是目前环境工程实验教学仅限于几个固定实验，比如：活性污泥实验、大气除尘演示实验、氧传递系数测定实验等，实验项目偏少。教学方式大多是在教师讲解之后，学生“依样画葫芦”进行实验，学生对实验目的和步骤理解得不够透彻，在整个实验过程中处于一种被动的地位。另外，学生对实验设备缺乏感性认识，即使把实验指导书中对设备的基本构造、使用方法和注意事项看了多遍，仍不得要领，甚至不能正确地操作设备。另外，某些实验项目受到设备数量、品种、成本等方面的限制而无法开展。

2 虚拟仿真技术在环境工程学理论及实验教学中的应用

虚拟仿真教学是指利用实物和计算机软件共同模拟出真实的情境，让学生在模拟的情境下进行探究和学习。随着科学技术的迅猛发展，虚拟仿真技术越来越广泛地被应用于各领域的专业教学，如自动化[2]、水电机组监测与故障诊断等[3]。虚拟仿真教学可以根据教学的实际需要和效果，对教学内容进行动态的组织和修改，具有很强的针对性和互动性，能够充分发挥学生的主动思维[4]。

2.1 虚拟仿真技术水污染控制的运用

虚拟仿真技术教学可以提升学生对城市生活废水、工业废水处理系统的认识，提高教学效果。在仿真系统中，学生按照时间操作规程的要求对各个工艺参数进行调整，最终确定处理后的废水与污泥能否与实际设计的标准要求相符[5]。学生可根据提示熟悉虚拟水厂构筑物分布和水厂概况，查看主要动力设备的知识点，了解水厂主要动设备能耗和药剂成本，了解污水处理厂的相关工作规定和安全章程等。比如：虚拟仿真水厂包含巡检项目和事故预案工况等，分别是正常工况巡检、出水总氮超标、出水总磷超标、出水COD超标、反应池曝气量调节、初沉池排泥撇渣、内回流的调节、SVI调节，从而掌握污水处理厂常见事故的应急处理预案和解决措施。

2.2 虚拟仿真技术在大气污染控制的运用

环境工程学的大气污染物控制教学部分，通过动态数学模型实时模拟真實实验现象和过程，让学生在计算机上模拟真实现场操作[6]。如在大气扩散教学中，使用仿真演示大气扩散从零维到三维，从瞬时到连续等多种点、线、面模式，使抽象的知识具体化。又如在碱液吸收二氧化硫的仿真实训中，根据系统的运行状况，选择不同的填料、进气速度、吸收液流量等条件进行操作，系统自动记录实验数据，并计算实验结果。该过程可以进行重复实验，可达到完全掌握实验内容的目的[6]。

总之，环境工程学理论及实验实训教学中涉及的工艺流程复杂、设备抽象、公式和难点多等难题，可利用虚拟仿真技术使抽象而又复杂的教学内容变得形象简单，从而增强学生的学习积极性，提高该课程的教学效果。

【参考文献】

[1]马培，鲍锦磊，李钢.浅谈环境工程专业教学中存在问题及对策[J].广州化工，2016，44（16）：198-199.

[2]李姿.MATLAB仿真在自动化专业教学实践环节中的应用[J].中国电力教育，2010（9）：134-135.

[3]周振，张萍，王罗春，等.计算机仿真在环境工程实践教学中的应用[J].中国电力教育，2014（5）：186-187.

[4]王淑勤，李超，赵学娟.计算机技术在水污染控制工程教学中的应用[J].实验技术与管理，2014（3）：105-108.

[5]喻敏霞，张红，赵甘林，等.仿真技术在环境工程水处理实验教学中的应用研究[J].资源节约与环保，2016（7）：61.

[6]陈玉玲.软件仿真技术在《大气污染控制技术》课程教学中的应用[J].华章，2011（26）.endprint