滕 青，張冬梅，江彩玲，梁曉萍，張健敏

(廣東石油化工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 茂名 525000)

實驗教學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生利用自己所學(xué)的理論知識去分析、解決實際問題。不僅能提高學(xué)生的實際動手能力，還能培養(yǎng)學(xué)生獨立思考與及創(chuàng)新的能力[1-2]。但是在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，通常由于資金缺乏、實驗設(shè)備數(shù)量及場地不足，使得學(xué)生很難在有限的時間中充分操作、熟悉和調(diào)試設(shè)備[3-4]。石化污水處理工程實驗中涉及多個處理單元，各單元相對獨立且設(shè)備構(gòu)造差異性較大[5]，造成教學(xué)效果難以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)要求。在以傳統(tǒng)實驗教學(xué)為基礎(chǔ)的情況下，計算機虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展作為理工科類實驗教學(xué)的拓展和延伸，能避免傳統(tǒng)實驗教學(xué)的各種限制和弊端，顯著提高實驗教學(xué)效果與教學(xué)質(zhì)量。虛擬仿真技術(shù)可以重新構(gòu)建實驗課程教學(xué)體系，提升學(xué)生實踐操作與自主創(chuàng)新的能力，充分發(fā)揮學(xué)生在實驗過程中的積極性和主動性，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的目的。

1 石化污水處理工程實驗教學(xué)中的現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 實驗室污染問題

石化污水中的污染物主要為烴類、烴類化合物及可溶性有機和無機組分[6]。石化企業(yè)生產(chǎn)的過程中排放的廢水存在水量和水質(zhì)波動性大、廢水成分復(fù)雜、污染物濃度高且很難被分離降解、對環(huán)境危害性大等問題[7-8]。石油化工廢水普遍還存在較高的毒性，特別是存在大量重金屬離子和一些持久性有機污染物等，嚴(yán)重影響和威脅周圍群眾。若處理不達(dá)標(biāo)排放會對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，石化污水的處理工藝大多數(shù)為“隔油-氣浮-生化”[9-10]。實驗過程中，水中的一些可揮發(fā)的污染物可能對室內(nèi)空氣造成污染，進(jìn)一步危害學(xué)生身體健康；污水處理過程中涉及大量的化學(xué)藥劑，接觸不當(dāng)會危害學(xué)生身體健康；石化污水處理工程實驗中的水處理可能存在不達(dá)標(biāo)的情況，處理后的廢水一般直接排放到環(huán)境中，污染周圍環(huán)境。另外，實驗過程中還可能存在管道漏水的情況，造成實驗室污染，存在一定的安全隱患。

1.2 教學(xué)資源有限

石化污水處理工藝隨著科技的進(jìn)步不斷發(fā)展，工程實驗中所用的設(shè)備、藥劑等都會不斷發(fā)生變化。然而，由于經(jīng)費不足、場地有限、學(xué)時短缺、及實驗安全性等客觀問題，儀器設(shè)備往往更新較慢，更不上主流工藝的變動；且工程設(shè)備臺套數(shù)量有限，學(xué)生在實驗課程中，很難親自動手操作，主要是教師在課堂上進(jìn)行講解與操作演示，學(xué)生大多在旁邊觀摩，從而降低了學(xué)生的積極主動性，導(dǎo)致師生之間的互動性差，從而影響了學(xué)生對專業(yè)理論知識及實驗教學(xué)的理解。

1.3 操作時間有限，教學(xué)效率低

在傳統(tǒng)實物實驗教學(xué)中，學(xué)生在實驗室進(jìn)行設(shè)備熟悉，原理了解和實驗操作，由于操作時間有限，一些耗時較長的綜合性實驗只能停留在原理講解與操作演示階段，學(xué)生不能深入了解完整的實驗過程，只是單純地按照實驗指導(dǎo)書上的步驟進(jìn)行操作，并努力將實驗結(jié)果向理論上靠攏，不能真實的反映出實驗結(jié)果，很少對實驗過程中出現(xiàn)問題進(jìn)行分析、查找原因，實驗教學(xué)無法提升學(xué)生自主創(chuàng)新與實踐操作的能力。

2 虛擬仿真實驗在石化污水處理中的應(yīng)用

2.1 優(yōu)化實驗環(huán)境

在傳統(tǒng)石化污水處理實驗操作中的很多化學(xué)試劑存在毒性、易燃易爆等危險，學(xué)生在實驗操作中會產(chǎn)生一些安全隱患，如通過攝入、呼吸、接觸的方式使同學(xué)產(chǎn)生中毒現(xiàn)象。有些危險的實驗只能由老師操作和講解，學(xué)生只能在一旁聽講，使學(xué)生對實驗操作的主動性下降。一些實驗中的反應(yīng)時間可能會很長，也有可能是學(xué)生對操作流程的不熟悉，導(dǎo)致學(xué)生無法按時完成實驗，實驗結(jié)束后的廢液沒有按要求放在指定位置，對環(huán)境會造成污染；另外有些學(xué)生操作不規(guī)范而損害儀器設(shè)備，危害學(xué)生自身安全。因此，傳統(tǒng)石化污水處理工程實驗教學(xué)中存在不少安全隱患，若采用虛擬仿真實驗，使學(xué)生在安全、無污染的綠色環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)。不必?fù)?dān)心因操作不當(dāng)而損壞儀器設(shè)備。

2.2 提高實驗可見度，便于直觀教學(xué)

傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在以老師為中心的問題，學(xué)生往往被動接受知識，虛擬仿真實驗教學(xué)打破常規(guī)，學(xué)生能夠充分認(rèn)識、了解實驗，提高了實驗的可見度[11]。依靠信息化技術(shù)，如多媒體網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊和人機交互等其他重要的信息化技術(shù)，可以避免在傳統(tǒng)實驗中因各種因素不能及時進(jìn)行實驗的不足之處。與其他污水處理工藝相比，石油污水處理工藝更加復(fù)雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)和操作的過程中存在較大困難。學(xué)生往往由于不熟悉操作流程和工藝，即使老師在課堂上講解了基本的工作原理，但是學(xué)生對于每一個流程處理工藝的了解還是很片面的。而在虛擬實驗室內(nèi)學(xué)生可以清晰明確的知道每一過程的步驟，除了了解每個過程的基本流程之外，軟件提供了實時幫助功能，對于不清楚的操作，可以及時獲得幫助，便于學(xué)生知道這些流程中的優(yōu)缺點。虛擬仿真實驗為同學(xué)提供便捷、高效的學(xué)習(xí)平臺，節(jié)約操作時間，節(jié)省損壞儀器的成本，同時可以根據(jù)教學(xué)的需要來設(shè)計教學(xué)的實驗安排，更好的展現(xiàn)出實驗的效果。不僅能開拓學(xué)生視野，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性，而且拓展了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，從而達(dá)到理論和實踐相結(jié)合的目的。

2.3 模擬整個生產(chǎn)工藝

傳統(tǒng)的石化廢水處理實物實驗考慮到場地、經(jīng)費問題，往往只能做某個工藝的一個反應(yīng)流程。而應(yīng)用了虛擬仿真技術(shù)后，不僅能仿真工藝的每一部分情況，還能了解整個工藝工作情況。而通過仿真實驗技術(shù)，虛擬仿真軟件廠家一般會將一些較難操作和理解的設(shè)備構(gòu)造，實驗原理做成動圖、視頻和3D操作的形式隨軟件一起安裝，生動形象地向?qū)W生展現(xiàn)各單元的工藝流程和機器結(jié)構(gòu)等；學(xué)生可以通過手機能較好的進(jìn)行預(yù)習(xí)，了解實驗的操作步驟、實驗過程中容易出現(xiàn)的問題、應(yīng)注意事項以及應(yīng)對這些問題所采用的對策。3D虛擬仿真技術(shù)不僅可以讓學(xué)生感受真實的工廠環(huán)境，還調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，鍛煉學(xué)生的獨立構(gòu)思及設(shè)計能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新與實踐能力的學(xué)生[12]。且進(jìn)一步優(yōu)化了實驗與實際操作中的教學(xué)過程，有助于提高學(xué)生們的實際操作技能及驗證所學(xué)到的理論知識。

2.4 增強實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新人才

傳統(tǒng)意義上的實驗大多以驗證性為主，即驗證已有的結(jié)論或前人做過的實驗已有成果，實驗內(nèi)容單一，學(xué)生大多根據(jù)實驗步驟進(jìn)行操作完成實驗，實驗過程中對遇到的問題缺乏思考和分析，無法鍛煉到學(xué)生的創(chuàng)新能力。而通過仿真實驗，不僅能了解真實的實驗操作，從而達(dá)到每個學(xué)生都能親自動手做實驗的效果，而且通過建立仿真實驗平臺，可以靈活地增加設(shè)計性實驗內(nèi)容，讓學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康淖灾髟O(shè)計實驗方案進(jìn)行分析。

3 結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真技術(shù)會更多的運用于實驗教學(xué)中，虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建是學(xué)科專業(yè)知識體系與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，能進(jìn)一步加強學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，顯著提升當(dāng)前實驗教學(xué)效果。