水处理实验的“实操结合模拟仿真”的教学模式的应用探讨

马双龙，李 凯，李 仪，张亚丽

（河南农业大学资源与环境学院，河南 郑州 450002）

工科学习，实验为本。与众多工科专业课一样，实验是水污染处理理论与实际应用紧密结合的纽带[1]。作为环境工程专业的一个综合性的专业实验，水污染控制工程实验具有运行成本高、占地面积广的特点[2]。在常规的实验教学中，水污染处理实验教学常因实验设备的数量不足和场地面积受限而不能满足学生亲自操作的需求。学生缺乏了亲自动手操作、调试和熟悉设备的体验，教师的讲授和演示显得尤为枯燥。枯燥的观摩学习极为抽象，抽象的实验教学模式会极大地降低学生学习的主动性和师生间的互动性，使得学生对专业理论与实际应用的联系与理解大打折扣，以致教学效果很难达到理想水平[3]。

近年来，随着计算机信息技术的快速发展，虚拟仿真技术在实验教学手段方面的应用被认为甚有前途[4]。虚拟仿真教学手段具有多项演示、模拟生动等诸多特点。相对于传统的实验教学模式，虚拟仿真实验教学独辟蹊径地提高了可视度，打破了传统实验教学中存在的以教师为中心的被动的“填鸭式”教学的同时，又因为其为软件模拟，容易普及，进一步节约了实验成本（试剂的消耗、仪器的损坏、时间的投入和环境的污染），提高了学生们的参与性。虚拟仿真实验教学一定程度上弥补了传统实验教学模式的诸多不足，但它并不能取代传统实验教学模式[5]。一方面，虚拟仿真实验教学主要表现为上机操作软件，具体细节操作有鼠标的选定与点击，学生亲自操作对实验原理和现象的了解甚有帮助，但对实验过程的操作技巧和细节要领认识的帮助就显得有所欠缺；另一方面，虚拟仿真教学实验模块使用模型常为理想化模型，与现实情况有一定出入，一定程度上阻碍了学生对知识现实应用的深入理解和实际操作的应用能力。

诚如前述，提高水处理相关课程的教学效果，水污染处理实验教学的形式亟须改革。在计算机信息技术不断发展的社会大背景下，将虚拟仿真实验与传统常规实验有机结合，使二者能够优势互补，无疑给当代水污染处理实验教学的改革提供了一个十分可取的出路[6]。笔者作为一个充满活力的高校青年教师，总结了入职两年的工作经验，并结合自身的教学实践活动，谈谈建设虚拟仿真和实操结合的水污染处理实验室的必要性以及对于虚实结合的常规实验室建设的一些可行性的建议。同时探讨了虚拟仿真技术在活性污泥法处理水中有机污染的实验教学中的“实操结合模拟仿真”的应用及其提升实验教学的效果现实意义。

一、建设虚拟仿真和实操结合的水污染处理实验室的必要性

基于环境生态工程专业的实践性较强，学院重点投资了水污染物处理实验室，拥有颗粒自由沉淀实验装置、絮凝沉淀实验装置过滤与反冲洗实验装置、机械反应斜板斜管沉淀池实验装置、平流式气浮实验装置、臭氧脱色实验装置、离子交换软化和除盐实验装置、A2/O工艺污水处理模拟实验装置、三沟式卡鲁塞尔氧化沟实验装置、曝气充氧能力测定装置、曝气生物滤池实验装置、辐流式沉淀池实验装置、电动生物转盘实验装置、生物接触氧化实验装置、三相生物流化床实验装置等，基本可以满足环境生态工程专业水污染处理实验的要求，但在笔者自身的教学过程中发现，这种传统的实验教学过程中存在诸多问题。包括实验室的污染问题，以及因部分实验周期长，导致教学效率低的问题，等等。因此，笔者从现实出发，谈谈建设“实操结合模拟仿真”教学模式的必要性。

1.优化实验环境，解决实验室污染问题。在水处理实验教学过程中，特别是对于垃圾渗滤液的处理，在污染设备，增大设备清洗维护的成本的同时，亦会因其化学成分复杂、污染物浓度高的特点，在不合理排放的过程中污染环境或者因学生的不规范操作而使学生直接接触污染废水后进一步对学生的身体健康造成一定的伤害。因其诸多隐患因素，学生对于此实验只能旁听教师的讲解，使得学生对实验过程的理解比较抽象，难以达到预期的实验教学效果。所以，此过程就需要虚拟仿真系统的引入，优化实验环境，在解决实验室污染问题的同时，提高学生的参与度。

2.优化教学资源配置，提高教学效率。在高校扩招的大背景下，学生数量多和教学资源少的矛盾使得学生亲自操作实验器材装置的愿望受到极大限制，学生的实验课大多表现为看教师实验的实验课。被动地接受知识很难激发学生对实验课的兴趣，此时就需要虚拟仿真系统的引入，可打破传统教学资源少的束缚。

3.拓宽实验内容，提高实验内容的全面性。因教学实验受限于时间和场地，教学实验的内容只能涵盖局部代表性部位，且实验参数单一，变化少，很难呈现水处理工艺效能的全貌和完整性。众所周知，现实生活中的水污染处理工艺影响因素，组成成分众多，各工艺环节相互作用复杂。因此，实验室的教学实验得出的实验结果会与实际情况有出入，所以虚拟仿真技术与传统实验的有机结合、互相补充就显得十分重要了。

二、虚拟仿真和实操结合的实验教学模式的建设的建议

1.能“实”勿“虚”，“虚拟”为辅。过度依赖虚拟仿真实验教学，会导致学生的动手能力得不到培养，只能纸上谈兵。因此尽管虚拟仿真实验软件模拟的实验过程科学，数据可靠，但实际操作的主导地位不可被虚拟仿真取代。

2.与时俱进，不断完善。随着科技的进步与发展，水污染的处理技术也日益革新，如光催化、电催化、基于过硫酸盐的常温催化技术的发展，亦给水污染的处理方法提供了更多的选择和更多的有效途径。相对于传统的水污染技术，新兴的高级氧化技术在一定层面上显得更有前途。如对于生物难降解有机污染物的去除方面，高级氧化技术显得更为优秀。因此，虚拟仿真和实操结合的实验教学模式也要不断地适应需求，发展完善。

三、虚拟仿真和实操结合的实验教学模式的实践

1.基于活性污泥实验的虚拟仿真和实操结合的实验教学模式。活性污泥法是目前生物污水处理工艺的经典方法，被广泛地应用于现实生活中，在水污染处理教学课程体系中十分重要。但其因处理工艺过程历时长、稳定性要求高等原因，使得整个处理过程很难在常规实验教学中进行。因此常规实验只能将“曝气设备充氧性能”“污水可生化性”等能够在教学时间内完成的项目进行实操普及。对于直接用于阐释工艺过程和表征污泥性能的动力学实验就可以建设“活性污泥法处理污水的动力学系数的测定”仿真实验的设立进行补充。前者满足了“学以致用”的动手能力的要求，后者实现了真实实验设备难以完成的教学功能，使学生对于污泥处理污水的实验过程掌握得更为系统全面。

2.基于垃圾渗滤液的污水处理实验的虚拟仿真和实操结合的实验教学模式。垃圾渗滤液成分复杂，是垃圾填埋场必须进行无害化处理的废水，其现有的处理模式为厌氧发酵，好氧发酵后再经超膜、纳膜、反渗透系统进一步净化，因其具有占地面积大和处理成本高的特点，以至于其在实验教学中难以实现，其教学模式主要为课堂讲解加实地调研。实验室层面大多属院校，只能侧重各环节水样的分析检测能力的培养，学生对渗滤液处理过程的认识局限于抽象的观察层面，很难直观地感受处理的工艺细节，因此需要构建虚拟仿真系统，让学生更直观地了解垃圾渗滤液的处理过程。以虚拟实验的方式让学生参与其中，达到理想的专业知识与实际应用的衔接效果。

四、结语

信息技术高速发展带来的虚拟仿真技术弥补了传统水处理实验教学的诸多不足。基于工科专业学以致用的目的，在重视基础实验的建设的前提下，辅以虚拟仿真实验，使二者有机结合，相辅相成，无疑是当代水污染处理实验教学改革中一个十分可取的出路。