段鳳魁， 賀克斌， 楊宏偉， 左劍惡， 黃 霞， 王月伶， 孫 艷

(清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100084)

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環(huán)境專業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)探討

段鳳魁， 賀克斌， 楊宏偉， 左劍惡， 黃 霞， 王月伶， 孫 艷

(清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，北京 100084)

由于當(dāng)前污染形勢(shì)嚴(yán)峻，我國高校環(huán)境專業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足、實(shí)驗(yàn)課時(shí)與容量有限，一些很好的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容尤其是反映最新進(jìn)展的科研成果，難以在實(shí)驗(yàn)課堂上介紹并傳授給學(xué)生。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息技術(shù)在教育領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，是教育信息化的重要組成部分。目前仿真實(shí)驗(yàn)在環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用比較少，及時(shí)開展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)互補(bǔ)，對(duì)于培養(yǎng)環(huán)境專業(yè)創(chuàng)新人才，具有非常重要的意義。要從實(shí)驗(yàn)體系、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、軟件開發(fā)、管理體系等方面，對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行大力建設(shè)，完善國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的建設(shè)內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 仿真實(shí)驗(yàn)； 信息化； 國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心

0 引 言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，是聯(lián)接理論知識(shí)與實(shí)踐的紐帶。過去20多年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國科研整體實(shí)力不斷提高，科研成果不斷涌現(xiàn)。與此同時(shí)，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)也獲得了一定發(fā)展，課程體系不斷完善、硬件實(shí)力明顯提高。然而，由于不同高校、不同學(xué)科的發(fā)展水平、經(jīng)費(fèi)投入仍然存在不小差異，導(dǎo)致很多能體現(xiàn)科研水平的項(xiàng)目難以轉(zhuǎn)化為教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展面臨瓶頸[1]。尤其是工程性很強(qiáng)的專業(yè)，面臨著巨大挑戰(zhàn)，亟需探索一種新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段作為輔助。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是除理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)之外的第三種教學(xué)方式，能夠模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中，通過參數(shù)條件的設(shè)置及改變，實(shí)現(xiàn)預(yù)期實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，在涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆過程，以及高成本、高消耗、高污染工程性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯優(yōu)勢(shì)[2-4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新的具體體現(xiàn)，是國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的重要組成部分[5-6]。

1 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與建設(shè)思路

由于當(dāng)前污染形勢(shì)嚴(yán)峻，我國高校環(huán)境專業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。清華大學(xué)通過多年不斷探索和實(shí)踐, 已經(jīng)構(gòu)建了符合環(huán)境學(xué)科特點(diǎn)的、覆蓋面廣的新型實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教育體系, 包括專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐體系和綠色實(shí)踐體系。其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)形成了專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、污染控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境信息與技術(shù)控制實(shí)驗(yàn)組成的課程體系[7-8]。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系加強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng), 為提高科研效率和水平奠定了良好的基礎(chǔ)。清華大學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)中心(以下簡稱中心)于2009年被評(píng)為國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)單位，迄今在教學(xué)中心管理、實(shí)驗(yàn)課程體系建設(shè)、實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)設(shè)備研發(fā)等各個(gè)方面開展了大量工作，取得了一定成績。然而，由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足、實(shí)驗(yàn)課時(shí)與容量有限，一些很好的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容尤其是反映清華大學(xué)在環(huán)境領(lǐng)域最新進(jìn)展的科研成果，難以在實(shí)驗(yàn)課堂上介紹并傳授給學(xué)生。因此，及時(shí)開展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，與真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)互補(bǔ)，對(duì)于培養(yǎng)環(huán)境專業(yè)創(chuàng)新人才，具有非常重要的意義[7-8]。

目前仿真實(shí)驗(yàn)在環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用比較少，只有為數(shù)不多的幾篇報(bào)道[9-12]，一般多集中在水處理實(shí)驗(yàn)方面。如城市污水處理計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)可采用缺氧好氧活性污泥法，通過延長曝氣時(shí)間，使出水完全硝化，曝氣池設(shè)計(jì)則采用除氮工藝使出水水質(zhì)提高[13-14]；仿真實(shí)驗(yàn)可解決水處理真實(shí)實(shí)驗(yàn)所面臨的器材、經(jīng)費(fèi)、時(shí)間及空間問題，等等。

仿真實(shí)驗(yàn)在大氣污染控制方面的報(bào)道，則多側(cè)重于電廠[15-19]的實(shí)際應(yīng)用，在教學(xué)中的報(bào)道較少見。如濕式石灰石/石膏煙氣脫硫系統(tǒng)的工藝控制、電廠濕法煙氣脫硫仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、煙氣脫硫噴淋塔實(shí)時(shí)仿真模型研究以及濕法煙氣脫硫吸收塔仿真模型開發(fā)及應(yīng)用，等等。這些研究為我們實(shí)現(xiàn)脫硫過程的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)提供了很好的思路與經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)上述仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀、環(huán)境學(xué)科的特點(diǎn)以及本中心的軟硬件基礎(chǔ)，我們提出充分利用學(xué)院雄厚的科研實(shí)力，建設(shè)具有環(huán)境專業(yè)特色的、開放的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，在水、氣、固等重點(diǎn)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化，進(jìn)一步完善國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)內(nèi)容。

2 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)內(nèi)容

仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)，需要針對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)體系、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、模型軟件開發(fā)、管理體系等幾個(gè)方面進(jìn)行。

目前中心已開設(shè)10門實(shí)驗(yàn)課，基本涵蓋了環(huán)境領(lǐng)域的主要研究方向，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)、校園環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)、水處理實(shí)驗(yàn)、大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)、固體廢物與垃圾處理實(shí)驗(yàn)、環(huán)境工程原理、環(huán)境土壤學(xué)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境數(shù)據(jù)處理與數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)等。這些課程基本可以分為兩大類：環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)課，內(nèi)容多以驗(yàn)證性為主；其他則屬于綜合性或研究型實(shí)驗(yàn)課程，內(nèi)容以探究型為主。仿真實(shí)驗(yàn)在這兩大類實(shí)驗(yàn)課中均可以發(fā)揮作用。因此，我們的仿真實(shí)驗(yàn)體系可以涵蓋兩大類：基礎(chǔ)性仿真實(shí)驗(yàn)、綜合性仿真實(shí)驗(yàn)。

目前本中心已開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目近80個(gè)。不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有不同特點(diǎn)，如水處理及大氣污染控制工程的有關(guān)實(shí)驗(yàn)，具有工藝復(fù)雜型、占地大耗時(shí)長型、高污染型等特點(diǎn)，是制約我中心實(shí)驗(yàn)建設(shè)的難點(diǎn)所在，因此可以考慮優(yōu)先開展這些實(shí)驗(yàn)的仿真建設(shè)與應(yīng)用。同時(shí)，在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目各自特點(diǎn)進(jìn)行分類、整合，而不必與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。根據(jù)上述分析，仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以分為以下幾類：

(1) 工藝復(fù)雜型。如水處理課中的自由沉淀實(shí)驗(yàn)、過濾實(shí)驗(yàn)、混凝實(shí)驗(yàn)、氣浮實(shí)驗(yàn)，是污水處理過程不同階段所需的技術(shù)，各個(gè)技術(shù)本身并不復(fù)雜，單套設(shè)備占地面積也不大，但考慮到污水處理過程是一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)整體，因此考慮把這些實(shí)驗(yàn)合并一起，設(shè)計(jì)成一套完成的污水處理仿真體系。這樣一方面可以實(shí)現(xiàn)上述不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求，另一方面能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)整個(gè)水處理工藝的了解與掌握，對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。

(2) 占地大耗時(shí)長型。如除塵實(shí)驗(yàn)中的旋風(fēng)除塵、布袋除塵和電除塵。近年我們緊跟除塵技術(shù)的最新發(fā)展，把電袋除塵實(shí)驗(yàn)建立起來，并研發(fā)了相應(yīng)的除塵設(shè)備。由于除塵設(shè)備一般占地面積大、價(jià)格昂貴，故多用于工廠、企業(yè)，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中并不多見。同時(shí)，除塵實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置和改變多個(gè)參數(shù)，從而獲得不同工況下的除塵效率，故實(shí)驗(yàn)周期比較長。

(3) 高風(fēng)險(xiǎn)或污染型。濕法脫硫?qū)嶒?yàn)一般采用SO2鋼瓶作為氣體源，通過流量控制器控制流量大小，然后通過改變吸收液濃度大小，測(cè)定不同工況下的脫硫效率。由于SO2具有很強(qiáng)的毒性與腐蝕性，導(dǎo)致脫硫設(shè)備老化很快，常出現(xiàn)氣體泄漏的狀況，危害實(shí)驗(yàn)人員健康與安全。堆肥實(shí)驗(yàn)則因堆肥過程中產(chǎn)生大量氣體(如CO2、甲烷等)并散發(fā)出腐爛氣味，嚴(yán)重污染實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

當(dāng)然，上述只是簡單分類。實(shí)際上，不少實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目同時(shí)具備了上述三個(gè)特征，如電袋除塵實(shí)驗(yàn)由于要用到高壓電源故具有一定危險(xiǎn)性，堆肥實(shí)驗(yàn)的周期長達(dá)3 d等等，這從另一個(gè)方面說明開展仿真實(shí)驗(yàn)的必要性。另外，仿真實(shí)驗(yàn)也可以在基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)課中發(fā)揮重要作用。如環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中有不少與化學(xué)有關(guān)的基本操作，如玻璃儀器的正確使用、滴定操作、小型分析儀器的使用等；環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)中關(guān)于顯微鏡的使用、微生物的培養(yǎng)等。這些內(nèi)容可以加以整合，形成基礎(chǔ)型的仿真實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生課前預(yù)習(xí)使用。

此外，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型軟件的開發(fā)，需要在充分考慮實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置的基礎(chǔ)上，發(fā)揮學(xué)科優(yōu)勢(shì)、中心優(yōu)勢(shì)以及教師隊(duì)伍優(yōu)勢(shì)，大力促進(jìn)科研成果向教學(xué)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)行自主或聯(lián)合研發(fā)設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理體系建設(shè)，則應(yīng)著重從運(yùn)行管理模式、教師隊(duì)伍建設(shè)、安全管理等方面開展，本著開發(fā)、自主、科學(xué)的原則，把學(xué)生積極主動(dòng)性與仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的先進(jìn)性有效結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。教師隊(duì)伍的好壞是決定教學(xué)目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。在加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)師資建設(shè)基礎(chǔ)上，要不斷培養(yǎng)與引進(jìn)信息技術(shù)人才，形成一支能夠把握科研發(fā)展前沿、兼?zhèn)淇蒲信c教學(xué)雙重能力的教師隊(duì)伍。

3 仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)典型案例

如上所述，我們開設(shè)的近80個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，有些實(shí)驗(yàn)由于占地面積大、耗時(shí)長，因此在高校中開設(shè)較少。以電袋除塵仿真實(shí)驗(yàn)為例，我們主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行建設(shè)：

(1) 建立電袋除塵仿真模型。電袋除塵器是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其除塵效率受多種因素影響。其中電除塵器除塵效率受煙氣(性質(zhì)、濃度、煙氣量)、供電(供電方式、電壓、電流)、氣流分布、陰陽極振打清灰方式等因素影響；而袋式除塵器除塵效率受過濾風(fēng)速、噴吹壓力/周期/時(shí)間、設(shè)備阻力、清灰方式等影響。因此，仿真模型的建立必須在充分考慮電袋除塵器運(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過對(duì)總除塵效率與各因素的關(guān)系進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，才能建立起科學(xué)的仿真模型。清華大學(xué)于上世紀(jì)80年代開始，開展了大量電除塵器方面的相關(guān)研究與設(shè)計(jì)[20-22]，針對(duì)電場(chǎng)分布特性、電極間距、電極形狀等影響因素進(jìn)行數(shù)值模擬，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。袋除塵器的仿真模型則可借鑒胡滿銀、張瑞英等[23-24]的研究報(bào)道。

(2) 設(shè)計(jì)仿真設(shè)備。仿真設(shè)備是進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的載體。電袋除塵仿真設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)體的設(shè)計(jì)類似，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，充分利用電、袋除塵器各自特點(diǎn)，使總除塵效率最大化。在前期成功設(shè)計(jì)專用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的電袋除塵實(shí)體裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)仿真設(shè)備時(shí)將充分考慮兩種除塵器的主要部件結(jié)構(gòu)形式與運(yùn)行參數(shù)[25]。電除塵器的主要部件結(jié)構(gòu)包括：電暈極、集塵極、振打裝置、氣流分布板、灰斗、外殼；運(yùn)行參數(shù)包括：電場(chǎng)的長寬高、電場(chǎng)個(gè)數(shù)、電極間距與電極形式、氣流分布板孔隙大小、供電設(shè)備等。袋除塵器的主要部件結(jié)構(gòu)包括：濾料、脈沖設(shè)備、脈沖氣體、灰斗等；運(yùn)行參數(shù)包括：濾袋直徑、長度及數(shù)量、脈沖清灰的頻率等。

(3) 開發(fā)仿真軟件。根據(jù)所建立的電袋除塵器仿真數(shù)學(xué)模型，編寫仿真軟件, 模擬系統(tǒng)的操作與運(yùn)行。軟件的主要功能包括[23-24]：動(dòng)態(tài)模擬電袋除塵器的整個(gè)運(yùn)行過程，求出總除塵效率；模擬各參數(shù)運(yùn)行狀況，對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整, 以滿足不同工況的需要；對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷分析，等等。

4 結(jié) 語

仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)教育信息化的重要手段，是國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的重要建設(shè)內(nèi)容和有力延伸。對(duì)于工程性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，仿真實(shí)驗(yàn)較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而在高校環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在很大的發(fā)展空間。通過仿真實(shí)驗(yàn)，不但可以使學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)，更可使學(xué)生通過條件與參數(shù)的改變，實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)過程，獲得重要技術(shù)工藝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證理論知識(shí)，培養(yǎng)科研熱情，鍛煉創(chuàng)新思維。因此，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在環(huán)境專業(yè)人才培養(yǎng)中具有非常重要的意義與地位。

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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年國家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目(教高函 [2009]28號(hào))

段鳳魁(1973-)，女，山東濰坊人，博士，高級(jí)工程師。主要從事大氣污染控制、環(huán)境分析化學(xué)科研及教學(xué)工作。

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

X 505; G 642.10

A

1006-7167(2016)04-0101-03