高丹 林靜雯 王英剛

摘 要：總結(jié)了模擬仿真在實驗教學(xué)中的優(yōu)勢，介紹了“實操結(jié)合模擬仿真”模式在環(huán)境工程專業(yè)實驗教學(xué)中應(yīng)用及取得成效。

關(guān)鍵詞：模擬仿真；實操；環(huán)境工程；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）02-0113-03

Abstract： This paper summarizes the advantages of simulation in experimental teaching，discusses application of the mode of practical operation with simulation in experimental teaching of environmental engineering.

Keywords： simulation； practical operation； environmental engineering； experimental teaching

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，特別是計算機、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)思想、教學(xué)方法、教學(xué)手段都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，仿真實驗已成為一種新的發(fā)展趨勢，在高等學(xué)校的實驗教學(xué)中嶄露頭角[1，2]。虛擬實驗室已經(jīng)能夠在特定數(shù)值模型的基礎(chǔ)之上，對現(xiàn)實中的物理化學(xué)過程、生命過程、實驗過程、操作流程等實現(xiàn)軟件模擬，接受虛擬場景中的輸入并經(jīng)過模型計算，對操作結(jié)果和實驗現(xiàn)象進行呈現(xiàn)或再現(xiàn)，從而達到對真實實驗系統(tǒng)的模擬[3]。應(yīng)對目前社會對應(yīng)用技能型人才需求，高校深化供給側(cè)改革，環(huán)境工程專業(yè)實驗課學(xué)時增加，涉及面更廣，隨著實驗項目的增多，需要的儀器設(shè)備更繁雜、占用實驗場地更多，實驗材料消耗更大，從而總體實驗費用升高，所有這些弊端都迫切需要改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，模擬仿真實驗手段則恰好彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式的不足。

一、傳統(tǒng)“實操”模式在實驗教學(xué)中局限性

在環(huán)境工程實驗教學(xué)中，傳統(tǒng)“實操”模式下，學(xué)生在實驗現(xiàn)場，直接接觸各類實驗儀器設(shè)備、藥品、實驗材料，身臨其境，實際操作，提高動手能力，很好地完成教學(xué)大綱對實驗基本操作能力訓(xùn)練的要求。雖然傳統(tǒng)“實操”模式在實驗教學(xué)中有著不可替代的作用，但也存在一定的局限性：

（一）實驗總體費用高

滿足當前應(yīng)用型人才培養(yǎng)對學(xué)生動手能力的要求，學(xué)生數(shù)量增大，實驗項目增多，采用傳統(tǒng)“實操”模式，需要的儀器設(shè)備多，種類繁雜，維護工作量極大，實驗材料消耗也不小，實驗場地緊張，實驗總體費用高。

（二）實驗環(huán)境不環(huán)保

環(huán)境工程專業(yè)的實驗中，經(jīng)常使用有毒有害、易燃易爆危險化學(xué)藥品及影響實驗人員健康的菌種，實驗過程中，不可避免產(chǎn)生毒害氣體、污染環(huán)境廢水、廢渣，實驗環(huán)境不環(huán)保，長期累積對大環(huán)境也存在污染。

（三）部分實驗大綱要求難滿足

實驗中涉及先進大型貴重儀器設(shè)備，很難讓學(xué)生人手一臺，親自操作，學(xué)生往往走馬觀花，了解皮毛；校內(nèi)不具備固體廢棄物焚燒裝置、SBR水處理裝置等，更難滿足學(xué)生需求；即便購買一些實驗裝置，學(xué)生也很難觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在有限的學(xué)時內(nèi)，反復(fù)操作，尋找最佳實驗參數(shù)。

（四）實驗考核操作不方便、結(jié)果不理想

在實驗考核過程中，實驗指導(dǎo)教師在短時間內(nèi)考核學(xué)生實驗操作、批改實驗報告、給出實驗成績，不但工作量大，也很難做到公平公正。

二、模擬仿真在實驗教學(xué)中優(yōu)勢

模擬仿真實驗軟件在顯示整個實驗的過程中，將儀器設(shè)備、裝置及所呈現(xiàn)的現(xiàn)象形象真實展示出來，模擬的實驗過程科學(xué)、得出的數(shù)據(jù)可靠性高、實驗結(jié)果真實。模擬仿真能夠多次重復(fù)展示實驗現(xiàn)象，對現(xiàn)象的規(guī)律、規(guī)則、理論進行詳細深入的探索和研究方面較為有利。實際實驗中難以或根本觀察不到的實驗發(fā)生過程和微觀內(nèi)部機制，學(xué)生通過智能化的模擬仿真形象的表現(xiàn)，便于揭示其中內(nèi)涵、規(guī)律；在理解抽象的概念、掌握或探索有關(guān)的規(guī)則、定理或定律方面，學(xué)生通過模擬仿真改變實驗條件、參數(shù)或儀器進行對照類比，方便瞬間觀察感興趣的現(xiàn)象或量值，揭示現(xiàn)象背后的實質(zhì)問題。與傳統(tǒng)的實操實驗相比，模擬仿真實驗教學(xué)有以下優(yōu)點：

（一）仿真實驗投資少，使用及維護方便

仿真實驗只需將軟件安裝在計算機上即可運行，利用學(xué)校已有的計算機資源，使用較少的投資，即可開展實驗，且方便學(xué)生使用，滿足大批量學(xué)生實驗的教學(xué)需求，化解了學(xué)生多而實驗裝置少的矛盾。同時，縮短了教師實驗前的準備工作時間，日常維護負擔也較維護多種實驗設(shè)備輕。

（二）仿真實驗生動形象，操作簡便

仿真實驗工藝流程形象逼真，實驗的操作只需使用鼠標和鍵盤就可完成，操作極其簡便，且無材料消耗，儀器損耗。在實驗過程中，整個工藝流程出現(xiàn)在屏幕上，一目了然，還具有局部放大功能；學(xué)生可縱觀全局，更好地把握實驗過程，樹立工程觀念，有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習積極性。

在有限的課程學(xué)時內(nèi)，學(xué)生利用仿真軟件短時間內(nèi)可反復(fù)實驗， 可進行更多的開放式、綜合性實驗，提高了學(xué)習效率。

（三）仿真實驗結(jié)果考核公正、便利

仿真實驗過程中，教師利用模擬仿真軟件的“操作評價功能”，對學(xué)生的實驗操作動作、實驗結(jié)果給出科學(xué)公正的評判。教師用機可以隨時檢查學(xué)生完成實驗情況，解決學(xué)生實驗中出現(xiàn)的問題，進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計，網(wǎng)上批改學(xué)生實驗報告，考核學(xué)生實驗效果，給出實驗成績。

（四）仿真實驗綠色安全

采用常規(guī)的、傳統(tǒng)的實驗方式，環(huán)境工程專業(yè)的實驗教學(xué)不可避免使用一些昂貴、容易引起爆炸或有毒有害試劑＼藥品。模擬仿真實驗不但化學(xué)試劑和儀器裝置“零投入”而且“廢棄物零排放” ，在涉及高?；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況時，可提供可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目，既節(jié)約資金又安全可靠，還可防止環(huán)境污染，創(chuàng)造綠色學(xué)習環(huán)境。

教師利用模擬仿真軟件進行模擬違規(guī)操作，將產(chǎn)生的后果展示給學(xué)生，讓學(xué)生看到誤操作的嚴重后果，時刻警醒學(xué)生科學(xué)、嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度在未來工作中的重要性，提高了學(xué)生科研素養(yǎng)。

三、“實操結(jié)合模擬仿真”模式在環(huán)境工程專業(yè)實驗教學(xué)中應(yīng)用原則

（一）注重能力培養(yǎng)，能“實”勿“虛”

盡管模擬仿真實驗教學(xué)存在諸多優(yōu)勢，但“實操”模式在實驗教學(xué)中的地位不可替代。否則學(xué)生紙上談兵，輕點鼠標，動手能力得不到培養(yǎng)，無法適應(yīng)未來實際工作需要。因此，在實驗教學(xué)中，應(yīng)注重能力培養(yǎng)，能“實”勿“虛”， “實操”模式必須保持主要地位。

（二）有機結(jié)合，互為補充

“實操”與“模擬仿真”兩種模式在實驗教學(xué)中有機結(jié)合，各出所長，相互取長補短，而不是以此代彼，只有如此，才能獲得更好的效果。

二者的這種結(jié)合體現(xiàn)在具體實踐中，可以是某個獨立的實驗項目，如儀器分析實驗中的氣象色譜儀、液相色譜的使用，學(xué)生參觀了解儀器實物，觀察教師實驗操作演示后，再進行仿真操作。也可以是某課程的幾個實驗項目，例如固體廢棄物處理與處置這門課設(shè)置了固體廢物的水分與灰分測定實驗、粉煤灰分子篩的制備與性能研究、垃圾焚燒過程模擬、有機垃圾生物處理四個實驗項目，前兩項，采用實操模式，學(xué)生了解固廢水分的存在形式與灰分的組成，掌握不同固體廢物中水分與灰分的測定方法、堿熔法或固相法合成粉煤灰分子篩的基本原理及實驗方法、紫外-可見分光光度計的構(gòu)造原理以及操作方法、吸附試驗操作原理與方法；后兩項，受實驗室條件限制，實操無法完成，采用仿真模擬模式，學(xué)生通過仿真實驗進行生活垃圾的收集與熱值測定，在回轉(zhuǎn)窯焚燒約5公斤生活垃圾，注意觀察爐體溫度變化，記錄相關(guān)焚燒參數(shù)，從而掌握熱值測定方法，回轉(zhuǎn)窯或焚燒爐工作原理及結(jié)構(gòu)組成，垃圾焚燒操作技術(shù)；有機垃圾生物處理過程模擬實驗中，學(xué)生通過仿真實驗，以學(xué)校食堂收集廚余垃圾為模型，進行好氧堆肥/厭氧發(fā)酵處理，調(diào)節(jié)含水率及C/N比，控制通氣流量和時間，記錄溫度變化，測定含水率、總固體、揮發(fā)性固體、碳氮比等，觀察到了有機固體廢物在生物處理過程中的變化，加深對堆肥和厭氧消化概念的理解；掌握好氧堆肥和厭氧消化工藝過程和控制方法；及好氧堆肥和厭氧消化工藝影響因素與控制措施，彌補了實操的缺憾，較好達到了實驗?zāi)康摹?/p>

（三）適應(yīng)需求，發(fā)展完善

適應(yīng)社會對創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求，“實操”與“模擬仿真”兩種模式在實驗教學(xué)中應(yīng)與時俱進，不斷完善，在實踐中找到最佳結(jié)合方式，更好完成教學(xué)任務(wù)。

四、虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)實踐

學(xué)校虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作以全面提高高校學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力為宗旨，以“科學(xué)規(guī)劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續(xù)發(fā)展”為指導(dǎo)，以共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源為核心，以建設(shè)信息化實驗教學(xué)資源為重點，本著充分體現(xiàn)虛實結(jié)合、相互補充、能實不虛的原則，持續(xù)推進，逐步完善，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中開展實驗，達到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。

（一）虛擬仿真實驗教學(xué)資源建設(shè)方面

以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，發(fā)揮學(xué)校學(xué)科專業(yè)優(yōu)勢，利用企業(yè)提供資源，豐富教學(xué)內(nèi)容，拓展實驗領(lǐng)域，提高教學(xué)能力，降低成本和風險，開展綠色實驗教學(xué)。

（二）虛擬仿真實驗教學(xué)的管理和共享平臺建設(shè)方面

建設(shè)具有擴展性、兼容性管理和共享平臺，高效管理實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)校內(nèi)相關(guān)學(xué)科實驗教學(xué)資源共享。

（三）虛擬仿真實驗教學(xué)和管理隊伍建設(shè)方面：

學(xué)校虛擬仿真實驗教學(xué)和管理隊伍主要由教育理念先進，學(xué)術(shù)水平高，教學(xué)科研能力強，實踐經(jīng)驗豐富，勇于創(chuàng)新的教師、科研、實驗技術(shù)人員組成。

（四）虛擬仿真實驗教學(xué)中心的管理體系建設(shè)方面

學(xué)校系統(tǒng)制定并有效實施了《虛擬仿真實驗教學(xué)的教師工作績效考核辦法》、《虛擬仿真實驗教學(xué)經(jīng)費使用管理制度》、《實驗教學(xué)中心維護管理規(guī)定》，《提高學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)效果考核辦法》等虛擬仿真實驗教學(xué)中心的管理制度。

五、模擬仿真與實操相結(jié)合的實驗教學(xué)模式實踐

模擬仿真實驗教學(xué)雖然具有很大優(yōu)勢，但也具備局限性，畢竟學(xué)生在未來的工作崗位上，不能只是輕點鼠標就能完成工作任務(wù)，只有與實操實驗教學(xué)有機結(jié)合起來，優(yōu)勢互補，才能收到良好效果，全面提高教學(xué)質(zhì)量，滿足社會對人才需求條件。

在環(huán)境工程專業(yè)實驗課中，我們引進了與環(huán)境工程專業(yè)實驗相對應(yīng)的由北京東方仿真公司開發(fā)的仿真軟件，主要有化工原理實驗、流體力學(xué)實驗、環(huán)境工程水處理實驗、大氣污染控制設(shè)備單元、垃圾焚燒廢氣處理、AAO工藝、SBR工藝、WASB工藝等全流程的仿真培訓(xùn)軟件用于實驗教學(xué)，學(xué)生在校內(nèi)就可以充分得到大型貴重儀器使用、垃圾和污水處理流程的訓(xùn)練，真正將環(huán)境監(jiān)測實驗室、污水處理廠、垃圾填埋場搬進教室，在操作技能掌握上更加系統(tǒng)和全面。具體實踐中：

1. 對涉及基本實驗操作技能的實驗項目，如環(huán)境分析監(jiān)測的實驗中的藥品配制、滴定操作、水樣的采集等，學(xué)生必須實際操作，反復(fù)演練，直至達到熟練操作；實際操作前，學(xué)生利用仿真實驗，反復(fù)觀看實驗操作技巧，促進實操水平提升。

2. 對實驗中涉及先進大型貴重儀器設(shè)備的，如儀器分析實驗，首先理論課講解實驗儀器原理，接著讓學(xué)生到學(xué)校的教育部環(huán)境生態(tài)工程重點實驗室對氣象色譜、液相色譜等貴重儀器實物觀察，對使用儀器有感官的了解，在此過程中，教師實際操作演示儀器使用，講解儀器操作方法、注意事項，學(xué)生觀看學(xué)習，此后，學(xué)生再利用大型儀器分析模擬軟件學(xué)習設(shè)備構(gòu)造、原理，進行反復(fù)模擬操作，直至運用模擬軟件考核合格。

3. 對實驗中試劑藥品昂貴或涉及有毒有害試劑的實驗，實驗中容易引起爆炸產(chǎn)生環(huán)境污染的實驗項目，如環(huán)境化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測實驗部分項目，利用模擬仿真教學(xué)，讓學(xué)生在計算機上做實驗，不但能達到實驗?zāi)康?，而且綠色安全、無環(huán)境污染。又如環(huán)境工程微生物實驗中微生物觀察與計數(shù)，學(xué)生每人一臺顯微鏡利用無毒害的酵母菌，反復(fù)實際操作，直至掌握顯微鏡操作技巧、微生物計數(shù)方法，而對有危害的金黃葡萄球菌、大腸桿菌等形態(tài)觀察，則利用虛擬軟件在機房操作，從而完成實驗教學(xué)。

4. 針對校內(nèi)不具備的如固體廢棄物焚燒裝置、SBR水處理裝置等，采用模擬仿真實驗，通過模擬仿真，實驗原理、裝置、流程、過程展現(xiàn)在學(xué)生面前，一目了然，學(xué)生通過設(shè)置、更改相關(guān)流程參數(shù)，取得最佳結(jié)果，完成實驗。緩解了傳統(tǒng)實驗方式場地占用大、實驗裝置昂貴、實驗周期長，耗材耗時，實驗效果不理想，不能很好達到實驗教學(xué)目的的矛盾。

水污染控制工程是高等學(xué)校環(huán)境工程專業(yè)必修的一門理論性和實踐性都很強的學(xué)科，其中的理論、原理，工程設(shè)計等都離不開實驗。而其實驗項目氣浮實驗，傳統(tǒng)“實操”模式，或受實驗場地、時間、設(shè)備裝置的限制，無法很好完成，而采用仿真實驗?zāi)Ｊ?，學(xué)生通過仿真模擬壓力溶氣氣浮工藝，虛擬儀器面板設(shè)計氣浮工藝構(gòu)筑物參數(shù)，如接觸池的長、寬、深，分離池的長、寬、深，溶氣罐的直徑、填料層高等，在實驗過程中，調(diào)整介質(zhì)間張力系數(shù)、進水流量、回流溶氣水量、水溫等主要參數(shù)，觀察其對氣浮效果的影響，加深理解氣浮法的工作原理和工藝組成；掌握氣浮處理系統(tǒng)的設(shè)計運行參數(shù)；掌握氣浮工藝處理廢水時，不同運行參數(shù)對運行效果的影響。城市污水綜合處理方案設(shè)計實驗，學(xué)生利用所學(xué)理論知識，針對城市污水，進行方案設(shè)計，并通過仿真模擬對設(shè)計的工藝流程進行運行，對處理單元作用、參數(shù)、工藝特點、效率等進行評價和分析。了解城市污水的特點；設(shè)計了城市污水處理方案；掌握污水處理工藝單元的作用和工作參數(shù)；計算出各個處理單元的分級效率；評價、總結(jié)該處理方案的特點及效率。激發(fā)了學(xué)生學(xué)習興趣，達到了教學(xué)大綱的要求。

5. 對實驗室具有簡易裝置又有模擬仿真軟件的實驗項目，如化工原理、流體力學(xué)在學(xué)生接授過理論教學(xué)后，到實驗室參觀了解實驗裝置，再利用模擬仿真教學(xué)，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象，找準參數(shù)，再到實驗室實際操作。

“實操結(jié)合模擬仿真”模式在環(huán)境工程專業(yè)實驗教學(xué)中近2年的試用，不但緩解當前實驗經(jīng)費與場地的不足，而且調(diào)動學(xué)生的主動性，更好地達到實驗教學(xué)的目的。

六、結(jié)束語

與傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式相比，虛擬仿真實驗教學(xué)能實現(xiàn)真實實驗不具備或難以完成的教學(xué)功能，具有生動形象、操作簡便，投資少，使用及維護方便，實驗結(jié)果考核公正、便利，實驗環(huán)境綠色安全的優(yōu)勢。發(fā)揮仿真實驗優(yōu)勢，再結(jié)合實操實驗，緩解當前環(huán)境工程實驗教學(xué)的困境，增強教師和學(xué)生的參與感，能很好地達到實驗教學(xué)的目的。

只有堅持以學(xué)生為主體的教學(xué)理念，將模擬仿真實驗教學(xué)與傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法緊密地結(jié)合起來，實行優(yōu)勢互補，在教學(xué)實踐中不斷地探索，在探索中不斷地改進，才能充分發(fā)揮模擬仿真加實操實驗教學(xué)的優(yōu)勢，提高課堂效率，提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)人才。

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