仿真案例教學法在“廢水處理工程”中的應用

王淑勤, 尹大琪, 蘇金波

(華北電力大學 環境科學與工程學院, 河北 保定 071003)

仿真案例教學法在“廢水處理工程”中的應用

王淑勤, 尹大琪, 蘇金波

(華北電力大學 環境科學與工程學院, 河北 保定 071003)

針對“廢水處理工程”課程教學實踐性強、流程復雜、設備抽象的特點,采用案例式、啟發式教學法,并充分發揮計算機仿真在教學中的作用,使設備結構和運行流程真實展現,讓教學內容更具有吸引力,同時引導和啟發學生對不同水質的廢水處理工藝有全面、系統的認識,樹立工程意識,提高分析問題能力。幾年來的教學實踐表明,這種教學模式不僅適用于提高不同專業背景研究生學習的效率,還有助于加強專業學位研究生綜合素質的鍛煉。

廢水處理工程； 工程案例； 仿真模擬

全日制工程碩士課程教學既要學生掌握工程領域堅實的理論基礎和寬廣的專業知識,更要學生掌握解決工程實際問題先進的技術方法、現代化的技術手段及靈活的工程管理方法。因此專業課設置兼顧學科和行業需求,注重理論聯系實際,充分反映工程前沿,突出實踐能力和職業素質的培養。課程教學以實際工程應用為導向,以未來工程人才需具備的綜合素養為目標,以激發學生創新能力為核心[1-2]。

在我校研究生培養方案中,“廢水處理工程”作為環境工程專業的重要學位課程已經開設了15年,但是近幾年來環境工程專業碩士招收專業范圍涉及多個相近學科,例如環境科學、資源與環境、應用化學、材料化學、建筑給排水、能源化工、生物工程、林業工程等,學生之間本科專業差別大、基礎知識參差不齊,有些學生本科階段從來沒有接觸過水污染控制、廢水處理工程方面的知識,直接學習研究生教材中的理論性知識難度較大,教學效果不佳。為此在專業碩士課程“廢水處理工程”中進行大膽改革,積極嘗試多元化教學[3],采用案例式、啟發式教學模式,將廢水處理的理論知識與工業應用實例相結合,使理論知識形象化,進而提高專業碩士的工程意識和綜合素養。

1 設備案例在工程意識培養中的應用

研究生教學內容更側重于知識的深度和專業化,在教學方式上更側重于討論性和研究性,在教學理念上更注重于研究意識、研究能力及創新意識及創新能力的逐步提升[4]。

案例教學法是教學研究與改革的重點,是一種具有啟發性和實踐性的教學方法[5]。通過課堂教學案例全面貫通知識點,實現從重視知識的傳授、智力的培養向重視能力的培養轉變,從以學習知識為主的知識目標向以學習方法為主的能力目標轉變[6]。

“廢水處理工程”是一門與工業生產緊密聯系的、涉及多學科的技術科學課程,這門課程的講授中要盡量突出工程性,注重對學生工程實踐能力的培養。

例如：通過圖1讓學生觀察設備的特點,結合粗格柵的作用是將進水中較大的懸浮物和漂浮物清除,分析應用條件下處理效率及系統阻力的變化；通過圖2、表1生物反應池的作用和運行狀況與設計參數的關系,可以直觀地引導學生觀察設備的特點、分析曝氣池的池形與曝氣方式的關系；通過圖3、表2二沉池的作用和運行狀況與設計參數的關系,引發學生重視實際設備運行過程中參數變化對處理效率的影響,從而提高學生的分析判斷能力,增強工程意識[7]。

圖1 回轉式粗格柵實例圖

圖2 生物反應池實例圖

主要參數主要設備主要作用污泥負荷FW=0.25kgBOD5/(kgMLSS·d)混合液懸浮固體濃度/mg.L-1MLSS=2500污泥齡/dθ=5水力停留時間/hT=6.6低速水下攪拌器(16臺)膜式曝氣頭(11088個)它是污水處理廠的心臟,通過活性污泥的新陳代謝,去除以溶解態或膠體態存在的污染物

圖3 二次沉淀池實例圖

主要參數主要設備主要作用沉淀池直徑/mD=45有效水深/mH=4.6表面負荷/(m3m-2h-1)q=1.36停留時間/hT=2.9半橋中心傳動單管吸泥機(4臺)在相對靜止的狀態下,使從生物反應池進來的混合液發生泥水分離,污泥大部分回流到生物反應池,上清液排入下一個處理單元。

注：進出水形式為周邊進水、周邊出水。

2 廢水處理工藝案例與工程意識培養

工程類研究生的培養往往缺乏與科技前沿的對接及現場解決實際問題專門化的訓練[8]。研究生是創新人才培養的主體,學術基礎、研究興趣、思維特征等均是其能否自由創造、自主發展的重要因素。只有真正堅持以解決實際問題為導向,研究生創新能力的培養才有肥沃的土壤和可持續發展的潛力。教學從問題情境出發,激發學生的興趣和熱情,引導學生體會知識的形成與發展過程,加大對問題提出、問題背景、問題進展的講解力度,培養學生的創新思維和創新能力[9]。

為此增加實際廢水處理工藝案例,列舉出常用廢水處理工藝以及污水處理廠的常規流程,如圖4、圖5、圖6所示,使學生對工業廢水和城市污水處理有個總體印象。在單元處理工藝的基礎上,將各單元工藝進行組合,構成工業廢水和城市污水完整的處理工藝流程,使學生既了解基本原理,又體會到工程實踐應用。案例教學[10]使學生將理論與實際結合到一起。

圖4 藍帶啤酒廠污水處理工藝流程圖

圖5 FGD廢水處理工藝流程圖

圖6 有機廢水預處理工藝流程圖

在教學過程中,注重將結構、功能、性質等相似的事物或流程進行比較,使學生發現其中的特點和差異,找出相同點和不同點,以此來提升學生分析問題、表達問題的能力[11]。例如要求學生結合參考文獻進行分析,歸納出不同廢水的水質特點和主要處理工藝的優缺點,幫助學生消化教學內容、培養學生靈活運用所學知識解決實際問題的能力。

3 仿真模擬案例在工程意識培養中的應用

結合主講教師的科研項目和實驗結果分析工程案例,剖析技術關鍵和設計難點,做到以科研促教學,激發學生學習的積極性、參與性、主動性,提高學生應用知識、運用理論的能力。將長期連續的分析檢測結果利用仿真技術全面模擬,體現了理論聯系實際,有助于學生在較短的時間內樹立直觀、清晰的工程意識[12]。

計算機輔助教學可以根據教學的實際需要和效果,對教學內容進行動態的組織和修改,使其具有針對性和互動性,這樣能充分發揮學生主動思考的積極性,使教與學更好地結合。

計算機仿真作為對實際生產過程的等效描述,以其獨有的技術和效果為學生提供了一個良好的多渠道學習機會及訓練創造性思維的氛圍[13-14],使他們在模擬的生產過程環境中,通過對各個開關、閥門、設備的操作,通過對工藝參數進行全面的控制和調節、通過由于操作不當而引發的各種事故現象,體驗到工業廢水和城市污水處理系統的多變性和復雜性,從而形成深刻的感性認識,加深對知識的理性認識。計算機仿真既能補充在實際操作中難以完成的實驗教學內容,又能降低廢水處理工程實驗的運行、維護成本,同時也能讓環境工程專業的研究生更好地了解廢水處理工程實驗內部的反應機理和工藝過程[15]。

為此用Visual Basic 6.0為開發平臺配合FLASH 模擬了海水淡化工藝流程、電廠鍋爐補給水處理工藝流程(見圖7),連續床吸附工藝流程見圖8。通過這些模擬圖,可以動態顯示變化過程,讓學生形象、直觀地看到設備運行過程和最終效果,對處理工藝流程形成清晰的思路,加深對知識點的認識,增加學習趣味性,提高學習效果。

圖7 電廠補給水處理工藝流程圖

圖8 吸附工藝流程圖

還利用VB開發工具制作新技術,例如膜生物反應器處理生活污水的仿真實驗軟件。該工藝可有效降解生活廢水中的氨氮和有機物,在缺氧段和活性污泥回流系統氨氮硝化效果得到提高；可通過控制溶解氧,使氨氮在好氧段發生亞硝化反應；可通過污泥回流,使亞硝酸鹽在缺氧段發生反硝化反應,產生氮氣并消耗部分有機污染物,實現脫氮功能。膜的高效截留作用使污泥濃度達到較高水平,增加去除氨氮和有機物的效果,提高產水水質。由于采用了膜組件來實現泥水分離,膜生物反應器中的水力停留時間和污泥停留時間不再相互影響,生物反應器中的污泥濃度遠高于傳統活性污泥處理工藝,因此可以得到更高的去除率。

但是學生對該技術認識模糊,較難區分膜池與傳統的A/O池,即便是到現場參觀也只能看到設備的表面運行,對內部結構和設備相互關系認識不到。因此課題組以Visual Basic 6.0為主要設計工具開發了二校區中水站的仿真界面,見圖9。圖中的紅色箭頭表示污水的流向：經提升泵房(沉砂池)、調節池、厭氧池、膜池進入中水池。經過處理后的污水經中水供水管線送至用戶。

圖9 二校區中水站流程圖(俯視圖)

學生在仿真系統上可以沿著物料流動的方向了解污水處理的基本過程,與現實中各單元操作有機地結合起來,強化學生對水處理過程整體性的認識。學生還可以通過熟悉各工序的動態流程,加深對所學過的有關處理原理在實際中應用的認識和理解,并對影響處理效果的各種因素及優化措施有進一步的認識,通過對比操作在認識上實現質的飛躍[16]。

4 結語

計算機仿真系統充分利用了計算機技術,具有圖、文、聲、形并茂,集視、聽、動手于一體的獨特優點,通過模擬真實的廢水處理過程,使學生直觀感覺課程的生動有趣,激發起學習興趣,處于良好、積極主動的學習狀態[17]。通過案例教學有利于學生對課程理論、工程技術和設計知識的理解和掌握,強化工程意識和工程能力的培養,提高解決實際工程問題的能力。

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Application of simulation case teaching method in Wastewater Treatment Engineering course

Wang Shuqin, Yin Daqi, Su Jinbo

(School of Environmental Science and Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Aiming at the characteristics of the strong teaching practice,the complicated process and equipment abstraction in Wastewater Treatment Engineering course,the case teaching method and heuristic teaching method are adopted,and the role of computer simulation in teaching is brought into full play. The methods can show the real equipment structure and operational process,and make the teaching content more attractive. At the same time,the students are guided and inspired to acquire a comprehensive and systematic understanding of the wastewater treatment process of different water qualities,set up the engineering consciousness and improve their ability of analyzing problems. The teaching practice over the past few years shows that this teaching mode is applicable not only to improve the efficiency of graduate study under different professional backgrounds,but also to strengthen the training of comprehensive quality of professional degree graduates.

wastewater treatment engineering； engineering case； analogue simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.044

2017-01-05

2017-03-09

工程教指委課題(2016-zx-088)；河北省教改項目(2016GJJG367)

王淑勤(1965—),女,河北定州,博士,教授,主要從事大氣和水污染治理技術方面的研究.

E-mail：wsqhg@163.com

G642.0

B

1002-4956(2017)07-0169-05