融入仿真系統的環境工程實踐教學改革

謝慧芳, 胡朝霞, 陳守文, 王正萍, 江　芳

(南京理工大學 環境與生物工程學院, 江蘇 南京　210094)

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融入仿真系統的環境工程實踐教學改革

謝慧芳, 胡朝霞, 陳守文, 王正萍, 江芳

(南京理工大學 環境與生物工程學院, 江蘇 南京210094)

分析了專業工程教育認證的背景下傳統環境工程專業實驗和實習環節的地位及存在的問題,結合專業教學資源建設的成果,提出了創新實踐策略,將虛擬仿真系統與傳統實驗實習教學有機結合和深度融合,全面提升實踐環節能力培養的成效。通過對學生的調查結果分析,對環境工程專業今后仿真系統的發展及合理應用進行了展望。

環境工程實驗； 工程教育； 仿真系統； 教學改革

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度,也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。我國自2006年開始構建具有國際實質等效、與工程師制度相銜接的工程教育專業認證體系,2013年6月加入工程教育學位互認協議——華盛頓協議,標志著我國的工程教育質量保障體系獲得了國際認可。工程教育專業認證的核心是確認工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準,是一種以培養目標為導向的合格性評價。

南京理工大學環境工程專業于2015年3月通過了中國工程教育專業認證,標志著該專業已經形成了系統和規范的教學體系。在認證過程的調研中,一些用人單位認為畢業生的實踐動手能力、工程設計綜合意識和能力等方面有所欠缺,這也是工科教育中較普遍的問題。為此,需要在人才培養模式上做出調整和變革,在提升學生實踐動手能力和就業能力方面探索新的途徑和方法。

環境工程是典型的工科專業,在目前的教育方案中,實驗和實習等實踐環節已經貫穿整個教學過程,目的是使學生通過驗證性、綜合性和創新性實驗以及實習等實踐環節,獲得培養目標要求的綜合技能,并初步具備實際工作的能力[1]。因此,各實踐環節承擔著培養學生工程意識、科學求實精神與創新精神,以及提高學生工程實踐能力和綜合素質的作用。提高實踐環節的教學效果是高校教學工作的重點和難點之一。

1　環境工程專業實踐環節的主要問題分析

盡管南京理工大學環境工程專業已經形成了系統和規范的教學體系,實踐教學環節也已經滿足工程教育認證的要求,但在實施成效方面,尚與用人單位的期望及世界先進工程教育水平存在一定的差距。受專業特點、實驗實習的資源和條件等限制,傳統的實驗實習教學存在著如下一些問題,這些問題也是需要在教學實踐中著力解決的問題。

(1) 受時空的限制,實驗教學不夠全面、完整。環境工程專業雖然建設有本科實驗中心,配備有滿足水污染、大氣污染、固體廢物處理與處置等實驗裝備,但受場地和時間限制,開設的實驗項目(包括允許學生自主開展的創新性實驗)只能在小型實驗裝置或設備上操作。即使在這種小型設備上,由于受時間限制,學生也只能完成特定工藝參數下的運行或有限的調整,而完整的生化法處理廢水工藝實驗包括污泥馴化、參數調整、工況穩定及有效數據的測定,時間跨度需要幾個月,是常規實驗教學無法完整實現的。

(2) 受實驗條件和資源的限制,不能滿足學生自主學習的需求。某些實驗項目涉及有毒或較昂貴的化學藥品,而用于本科實驗的經費有限；有些實驗項目需要大型儀器設備,而大型儀器臺套數較少。這些限制使傳統實驗教學不能滿足學生自主實驗和學習的要求,限制了學生應用知識的能力和創新性思維的提升。

(3) 受實踐基地企業安全生產管理的限制,學生實際動手機會極少。在企業實習過程中,企業為保障學生人身安全和生產安全,難以讓學生了解各設備的內部構造原理。即使是跟班實習,學生遇到企業進行工藝調整、開停車、事故處理或檢修的機會也很少。因此,實習的結果多停留在對流程的掌握和熟悉上,難以全面達到現場實習的目的。

(4) 受專業建設經費限制,實驗項目的設置具有一定滯后性。目前環保的新技術、新工藝、新材料不斷涌現,系統工藝日趨復雜,而目前的實驗教學中未能體現本行業的發展和變化,存在一定的滯后。與此同時,本專業教師在科研工作中取得的很多科研成果,如果能轉化為實驗項目,對于學生把握本專業前沿技術、拓展知識面、擁有國際化視野是大有裨益的。

2　仿真技術的研究與思考

虛擬仿真技術為工程實踐教學提供了新的途徑和方法[2]。虛擬仿真技術在水質管理、固體廢物管理、市政環境、化工原理、醫學、信息與安全等實驗實習教學中被越來越多地采用,取得了較好的效果[3-7]。

虛擬仿真技術應用于環境工程,可以從真實的實驗室中抽象出場景、化學藥品、分析儀器等模型[8]，建立虛擬的操作環境,采用與實際生產極為相似的控制原理、手段、界面和操作場景[5]。學生可以在虛擬環境中操作儀器設備,觀察實驗現象和生產運行結果,在較短時間內系統學習實驗設計方法、探索實驗規律,并掌握科學的數據處理方法。利用虛擬仿真技術,也可以模擬開車、運行、停車、設備故障等實際生產崗位的操作場景和操作過程,建立對實際生產過程的直觀感受,提升在理論課學習中對設備、工藝的理解,提高解決實際問題的能力,彌補實習環節中不能親手操作帶來的遺憾,從而初步具備實際工作能力。

但很多研究者也指出：仿真實驗會造成學生對真實實驗感受和體驗的缺失,要防止完美的實驗結果削弱學生對問題的思考、影響學生對于實踐中可能出現的誤差的分析[9-11]。

3　仿真系統在本專業教學實踐中的應用策略

在專業建設的基礎上,南京理工大學本著“虛為實用,以實為本,虛實結合,優勢互補”原則,以教學資源建設為重點,在現有實踐環節的基礎上,利用仿真系統開展了實踐課程教學方法及人才培養模式的改革和創新，在教學實踐中探索仿真系統在實踐教學中的應用策略,初步形成了理論教學、傳統實驗實習及仿真系統相結合的教學模式。

3.1用于對專業理論的解釋,加深對知識的理解

以污水的生化處理為例,在理論教學中涉及到較多的數學模型和經驗公式。數學模型可以很好地反映污水生化處理過程中各參數間的關系,如水中有機底物的降解速度與底物濃度、活性污泥濃度間的關系,活性污泥的比增長速率與泥齡間的關系,出水有機物濃度與污泥泥齡和動力學參數間的關系等。但是,學生對于數學模型的理解和應用難度較大。若安排相關驗證性實驗或模型中相關系數的測定實驗,則工作量較大,且實驗精度難以符合擬合要求,反而可能誤導學生對理念模型的理解。

借助仿真實驗系統可較好地解決這一問題。仿真實驗系統借助模型的方法進行實驗,既可為學生提供探究的空間、支持多元化學習探究,又可以滿足實驗精度的要求及模型擬合的需要。

在實踐中,要求學生首先對理論模型進行分析并線性化,然后擬定實驗方案,確定實驗中擬變化的參數及需要記錄的數據。在上機實驗中,要求學生根據實驗方案,通過改變進水水質、水量,調節污泥濃度MLSS、泥齡θc(SRT)、水力停留時間等參數,同時配合其他參數調整,在工況穩定情況下記錄相應的數據,并利用記錄的數據計算出模型中相關參數或繪出相關的曲線并加以擬合分析(見圖1)。

圖1　活性污泥數學模型驗證及擬合實驗界面

在污水生化處理實驗過程中,學生可以體會到某一參數變化對出水水質及整個工藝運行的影響,從而對處理過程有直觀的理解,加深了對影響處理過程的主要因素的理解。學生通過該仿真實驗,深入理解了相關數學模型及擬合方法,使實踐經驗與理論知識進一步系統化,抽象思維和邏輯思維能力得到鍛煉,對提高分析和解決較復雜問題的能力十分有利。

3.2用于驗證性實驗的“前實驗”和實驗對比分析

驗證性實驗是學生理解基本原理、學習必要的操作技能和鍛煉動手能力的重要實驗教學環節,是開展綜合性、創新性實驗的基礎。傳統的實驗教學雖然安排學生在實驗前預習實驗目的、實驗原理及實驗過程,但學生往往把精力放在抄寫實驗講義上,不能達到理想的效果。實驗中,學生多是亦步亦趨地按講義進行操作,往往忽視了自身實驗技能的提升和對實驗現象的仔細觀察記錄。而通過“前實驗”,使學生完成與實驗相關的一切知識和技能方面的準備[12]，可有效提高后續實驗操作中的規范性,避免人為誤差、提高實驗精度,更好地理解理論知識。

仿真系統不受時空限制,非常適合應用于“前實驗”等自主學習。學生在真正實驗操作前,利用仿真系統對實驗過程、操作細節、注意事項等進行預習,對實驗進行全面細致的了解,掌握與實驗相關的理論知識,抓住實驗的核心內容,從而使實際操作順利進行。例如環境工程中典型的混凝燒杯實驗,學生就可以在實驗前對最佳混凝劑用量、最佳pH值、攪拌強度等進行全過程的仿真預習,直觀展示實驗過程,并根據給定原水水質,擬定實驗方案。

仿真實驗一般突出核心問題,而可能簡化或不考慮某些實際操作中出現的問題,一般可以認為仿真實驗的結果是某一設定情境下的理想值。因此,在驗證性實驗之后,要求學生對比分析實際測定結果與仿真結果間的差異及其原因,分析實驗可能的誤差來源及影響因素。這種模式可以進一步提升實驗的學習效果,推動學生主動思考、全面分析實驗過程和結果,形成探究和辯證分析問題的思維習慣。

3.3用于較復雜實驗的補充

受實驗儀器設備臺套數、實驗課時的限制,某些綜合性實驗不可能讓學生改變很多的工藝參數,使學生缺乏對污水處理過程影響因素的全面了解和認識。例如因為污水的生化處理時間較長,通常每組學生僅能在設定工況下進行實驗,而不太可能在實驗中較多改變污泥濃度、曝氣量等相關參數,這會減弱學生對工程綜合性和復雜性的認識。

借助于仿真系統,則可以讓學生在實際實驗操作的同時,模擬不同于實驗操作的工況,跟蹤不同工況下生化系統中各參數的變化,從而更深地理解實驗中所揭示的客觀規律。學生綜合分析真實操作實驗得到的結果與仿真實驗得到的結果,通過對于復雜度較高問題的分析討論,可有效提升工程設計綜合意識及全面分析、解決問題的能力。

3.4現場實習前的“預演”及現場實習之后的延伸

在實習過程中,學生有時會感到茫然,面對現場各種水池、管道、監控屏幕等,不知道要重點看什么、了解什么。因此,需要增加實習前的“預演”環節。

仿真實驗可以形象地展示環境工程的工藝過程、設備或構筑物的內部結構,允許改變和操作工藝中各操作點和參數的控制點,這有助于學生掌握復雜的工藝過程和調整策略,提高對工藝過程動態分析和決策的能力,建立動態穩定運行工藝的工程理念,達到傳統實習及參觀教學難以企及的效果。

在現場實習之前,利用仿真平臺展示所實習企業的工藝過程、工藝原理及構筑物內部結構,深入剖析工藝過程,儲備實際生產過程的背景知識,通過對工藝過程中參數的調控,使學生透徹了解各參數的控制方案和范圍、各參數變化對工藝及處理效果的影響。

一方面,學生可以利用仿真系統和理論知識,自行設計工藝參數,模擬某實際工藝過程和調控策略,通過多種結構、工藝和運行參數下的演示,對生產全過程加以了解和掌握；另一方面,利用仿真系統的容錯性,允許學生開展非常規的探索。學生可以在仿真平臺上設置非常規的參數，甚至故意模擬某類故障,而不必擔心發生意外。學生可以看到錯誤操作或錯誤的參數設置產生的后果,從而在糾正過程中掌握正確的操作及正確的參數設置。這不但對于開闊學生的視野、增強分析問題和解決問題的能力很有幫助,而且在學生體會錯誤后果的同時,增強工作責任感。

現場實習之后,學生可針對現場實習時掌握的相關運行參數再次進行仿真實驗,并將仿真結果與工廠實際情況進行對比,分析其中存在的差異、評估工廠生產運行的優劣,并提出自己的見解。

仿真系統演繹出的結果是基于模型的方法[13],學生推演的結果是理論上的結果。當仿真與實際生產結果存在差異時,就會激發學生探究的熱情,并在此過程中建立起全面的工程觀,理解實際工廠管理和運營中面臨的不確定性及針對具體問題具體分析的必要性。

4　教學實踐效果

在環境工程的實踐教學中,“虛為實用,以實為本,虛實結合,優勢互補”的教學模式被應用于南京理工大學2012級環境工程專業的實驗和實習中,使學生的學習積極性有了明顯提高,為進一步的實驗和實習打下了良好的基礎。學生在實驗中能夠有的放矢地進行設計和操作,提高了實驗裝置的使用效率；在實習中能夠有針對性地向廠方技術人員了解生產運行相關問題,提高了實習的針對性和實習效果。

對78名環境工程、輻射防護與環境工程專業的學生進行了問卷調查。有46%的被調查學生認為仿真系統對于課堂知識的理解具有非常大的意義,認為比較大的占40%,認為作用一般的占14%；有39%的被調查學生認為仿真系統對實驗實習環節有非常大的幫助,認為比較大的占43%,認為作用一般的占17%。

在被調查學生中,有37%的學生認為需要在工藝實習中進一步加強仿真系統的使用,27%的學生認為理論教學的單元操作部分需要加強，9%的學生認為實驗教學需要進一步加強,有27%的學生認為3方面都要加強。對于仿真系統的使用,35%的學生希望插入課堂教學中,47%的學生認為要加入到實驗教學過程中,9%的學生希望單獨設課,8%的學生希望以公選課的形式設課。

5　總結與展望

總之,將仿真系統引入實踐環節,作為理論教學和傳統實踐教學的一種延續和補充,虛實結合、合理使用,在促進學生將理論知識轉化為實踐能力,使學生初步建立“工程”概念、提高創新能力和綜合素質方面起到了積極作用。結合教學實踐,南京理工大學環境工程專業正繼續加強學科專業與信息技術融合、理論和傳統實踐教學與仿真技術融合方面的建設和發展。

針對環境工程專業特點,在未來的專業建設和教學改革中，會繼續加強資源建設,在引進國內外已有仿真軟件的同時,致力于開發具有自主知識產權的仿真平臺,將先進的計算機技術與本專業的科研成果、企業實際運行數據相結合,開發出更具有針對性和專業特色的仿真實驗教學平臺。

在重視資源建設的同時,在未來的專業建設和教學改革中，還要組織教師對專業培養方案及專業教學內容、教學模式進行深入改革,優化教學方案,將仿真系統更多、更深入地契合到傳統教學體系中,促進仿真實驗教學工作的開展,更好達成專業培養目標。

References)

[1] 廖文超,徐蘇,李元高,等.基于Flash的仿真實驗在環境工程實驗中的應用[J].中國科技信息,2013(18):62.

[2] Barjis J,Gupta A,Sharda R,et al. Innovative Teaching Using Simulation and Virtual Environments[J].Interdisciplinary Journal of Information Knowledge & Management,2012(7):237-255.

[3] Kao J J,Chen Y J. An educational water quality management game[J].Water Science & Technology,1996,34(12):205-211.

[4] 郭亮,梁宏,劉京,等.基于虛擬仿真技術的市政環境類實驗教學[J].實驗室研究與探索,2015,34(7):107-110,121.

[5] 周愛東,楊紅曉,趙蕾,等.大工程觀背景下開放型化工仿真實驗的教學實踐[J].實驗室研究與探索,2010,29(1):101-103.

[6] 黃坪,李紅松,潘克儉,等.基于MOOC的醫學虛擬仿真實驗室建設探討[J].實驗技術與管理,2014,31(12):104-106,109.

[7] 周世杰,吉家成,王華.虛擬仿真實驗教學中心建設與實踐[J].計算機教育,2015(9):5-11.

[8] 李吉南.中學科學實驗整合點及支撐軟件研究[D].長春:東北師范大學,2009.

[9] 張文英,袁帥.物理化學虛擬實驗教學法的應用[J].當代教育理論與實踐,2012(6):108-109.

[10] 段齊文,劉芳,劉博科.基于化學仿真實驗平臺的化學實驗教學模式的創新設計[J].中國電化教育,2012(8):125-128.

[11] 王涌,李國麗,應艷杰,等.建設網絡虛擬實驗室,深化實驗教學改革[J].實驗技術與管理,2010,27(9):85-87.

[12] 吳先強.演示前實驗對高中生理論化學學習的影響研究[J].化學教學,2013(2):16-19.

[13] 靳瑩.思想實驗及其對化學仿真實驗教學的啟示[J].化學教育,2015,36(17):4-8.

Environmental engineering practical teaching reform with simulation system under background of engineering education professional certification

Xie Huifang, Hu Zhaoxia, Chen Shouwen, Wang Zhengping, Jiang Fang

(School of Environmental and Biological Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

Under the background of the engineering education professional certification, the situation and existing problems of Environmental Engineering major are discussed during the teaching of the major experiment and practicing. In order to promote the effect of the practical teaching, the innovative practice strategies of Environmental Engineering major are provided based on the achievements of the construction of environmental engineering teaching resource. The organic combination and integration of the simulation system and traditional experimental and practical education are carried out. The future prospect of the development of simulation system and its application in the major education is also provided.

environmental engineering experiments; engineering education; simulation system; teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.029

2016-01-30

江蘇省高等教育教改研究立項課題(2015JSJG182)；南京理工大學2015年高等教育教學改革研究項目(II-5)資助；南京理工大學品牌專業建設項目資助

謝慧芳(1972—),女,河南鄭州,博士,副教授,研究方向為環境生物技術及水處理理論與技術.

E-mail：huifangxie@hotmail.com

TP391.9；X5-4

B

1002-4956(2016)9-0115-04