虛擬仿真實驗在《固體廢棄物處理與處置》實驗中的應用探索

高春梅　冀世鋒　邢云青　儲鳴

摘要：在工程教育專業認證的背景下，提高學生對于專業知識的認知和實際應用能力勢在必行。將虛擬仿真實驗引入到固體廢棄物處理與處置實驗中，不僅可以加深學生對于專業知識的理解和掌握，還可以提高學生的實際操作能力和動手能力，并提出將理論教學、傳統實驗教學和虛擬仿真實驗結合的方法來評價整個課程的教學效果。

關鍵詞：虛擬仿真；固體廢棄物處理與處置；應用；教學效果

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）26-0274-02

近年來，為了提高我國高等院校工科專業學生的質量和綜合能力，國家相關部門開展了關于工科專業的教育體系認證。此工程教育專業認證是指由相應專業認證機構針對高等院校等教育機構開設的工程類專業教育實施的專門性認證，由教育部相關專門職業或行業協會（聯合會）、專業學會同該領域的專家學者和相關行業企業專家一起進行，旨在為相關工程技術人才進入工業界從業提供預備教育質量保證。工程教育專業認證是緊跟國際步伐，確保國內工程教育質量的保障制度，也是實現我國國內工程教育及工程師資格與國際互認的重要基礎。

一、現有《固體廢棄物處理與處置》課程實驗存在的問題

近年來，隨著固體廢棄物污染日益嚴重，對于固體廢物處理、處置和資源化技術也不斷提高，而課程實驗教學嚴重滯后，同時《固體廢棄物處理與處置》也是一門社會性和工程實踐性很強的課程，很多高校對《固體廢物處理與處置》課程實驗設置和實施環節相對薄弱，主要表現在以下幾點：

1.實驗教學不夠全面、完整，沒有系統性。上海海洋大學環境工程專業雖然建有環境工程實驗室（臨時性），但相關配置還比較欠缺，只是有一些滿足水污染、固體廢物處理與處置等小型實驗的相關裝備，同時受場地和時間限制，開設的實驗項目（包括大學生創新項目）也只能在小型實驗裝置或設備上操作。有的實驗沒有標準規格的實驗設備，技術人員就自行研發實驗設備進行相關實驗。

2.學生實際動手機會極少。對相關設備進行實際操作對于學生了解和掌握固體廢棄物處理與處置過程中的問題具有很好的促進效果，學生可以親自觀察設備內部構造，了解工作原理。如果在實習過程中碰巧遇到設備故障進行維修，學生就可以利用已有知識進行分析解決，對于學生綜合能力的提高具有十分重要的作用。而在實際的實習過程中，實習單位為了保障學生人身安全和生產安全，同時不打擾他們的工作進度和效率，基本委派給學生的都是實驗室基礎常規操作（如取樣、配液及一些文本工作），很難讓學生學到上述知識。因此，實習的結果多停留實驗室監測，以及對理論知識的掌握和熟悉，難以全面達到預期實習的目的。

3.一些實驗難以在實驗室操作。固體廢棄物產量大，其處理技術要求也越來越高，目前其生化處理、熱處理、土地處理等方法在實驗室范圍內難以動手操作，使得學生只能理論理解其處理原理及過程，不能親自參與到其處理過程中，對于環境工程專業的學生來說是個遺憾。

二、虛擬仿真實驗在《固體廢棄物處理與處置》實驗中的應用探究

虛擬仿真實驗教學是近年來新興的一種教學模式，既是對傳統教學模式的補充，更是一種教學模式的變革[5]。虛擬仿真實驗教學是利用現有計算機技術構建虛擬的實驗操作環境及實驗的對象，使學生可以在虛擬環境中進行相關實驗操作，并得到操作結果。虛擬仿真實驗將網絡通訊技術、多媒體教學、數據庫結合起來，實現人機交互，能夠實現傳統實驗教學模式不能達到或難以實現的教學效果。

1.固體廢棄物處理與處置實驗設計的虛擬仿真。在實驗室難以開展的相關固體廢棄物處理與處置的實驗主要有固體廢棄物的生化處理（堆肥，硝化）、熱處理（焚燒）、土地處理（填埋）等，而且在實習過程中基本也不能到現場觀看，所以學生對于知識的理解和掌握有很大的欠缺。根據課程內容介紹，可以分為不同實驗進行虛擬仿真，每一個實驗針對原料性質、工藝條件、設備性能、三廢處理等幾個方面進行模塊化設計，將不同性質和成分的固體廢棄物輸入到模塊中，了解其物理、生化等性質，分析其最優處理方式，并通過改變模塊中條件的變化了解處理技術產生的差異，同時也可以通過電腦屏幕直觀地看到設備內部的運行及原料在設備內部的處理過程，不僅可以加強學生對于理論知識的理解，同時也可以加深對專業知識的掌握。

2.固體處理與處置實驗操作的虛擬仿真。固體廢棄物處理與處置實驗以固體廢棄物為處理對象，實驗內容包括固體廢棄物形態及成分觀察、驗證性實驗及綜合性實驗。虛擬仿真實驗在這些試驗中的應用可以分為三個模塊進行：第一模塊從實驗準備開始，依次將里面的一些實驗操作做成虛擬演示實驗。這部分實驗重點在于讓學生了解實驗注意事項、操作事宜等，確保安全。第二模塊將驗證性實驗與固體廢棄物形態及成分的觀察結合起來制成虛擬仿真實驗。將實驗的各個操作關鍵點等也設計成不同的模塊，學生在虛擬操作中通過選擇不同模塊來完成實驗的虛擬操作。形態及成分的觀察作為實驗結果可以用圖像的方式呈現，作為學生選擇相應實驗的結論。第三模塊設置學生課前自學模塊，讓學生對將要進行的實驗操作有充分的了解，這樣可以提高學生實際操作的成功率；對最終結果跟預期設計結果有出入的，可引導學生進行討論，分析在實驗過程中的相關影響因素，在討論過程中不僅可以加深學生對理論知識的理解和掌握，同時也可以對虛擬設計模塊進行優化。

3.教學效果評估。教學效果的評估指標主要看理論教學效果和實驗（包括虛擬仿真實驗和傳統實驗）教學效果。教學效果的評定可分為課堂理論學習及相關實驗進行，一方面注重學生對于理論知識的掌握，一方面了解學生對于傳統實驗和虛擬仿真實驗的操作和分析，設計相應指標進行對比分析。整個教學效果的評估根據理論學習、虛擬仿真實驗和實際操作實驗的相關性和完成度來進行綜合評判。

三、結語與展望

虛擬仿真實驗作為一種新型的教學手段和方法已經運用于很多專業的教學之中[7，8]。在《固體廢棄物處理與處置》實驗教學中逐步開發虛擬仿真實驗，建立相應的虛擬仿真實驗實驗室，是積極響應國家關于提高工程技術人員實際應用能力的要求[1，9]，也是固體廢棄物處理與處置課程本身發展的要求。同時，未來如果能夠在實驗教學中加入VR技術，將會讓學生能夠更加近距離地親身體驗處理過程中的動態模擬。

參考文獻：

[1]https：//baike.baidu.com/item/%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E6%95%99%E8%82%B2%E4%B8%93%E4%B8%9A%E8%AE%A4%E8%AF%81/16065566？fr=aladdin

[2]http：//old.moe.gov.cn//publicfiles/business/htmlfiles/moe/s5987/201411/178168.html

[3]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.

[4]楊秀政.《固體廢物處理與處置》課程實驗教學內容體系設計[J].教育教學論壇，2015，（52）：248-249.

[5]王衛國.虛擬仿真實驗教學中心建設思考與建議[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：5-8.