面向工程設(shè)計能力培養(yǎng)的虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)

陳婷 殷峻

[摘 要] 作為工程教育認證標準中12條畢業(yè)要求之一，工程設(shè)計能力是目前工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重點和薄弱環(huán)節(jié)。為打破重復模仿的設(shè)計能力傳統(tǒng)培養(yǎng)方式，本文利用Unity3D、Visual Studio、拓撲網(wǎng)絡(luò)分析等仿真系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，基于我國餐廚垃圾資源化利用的實踐成果，融合“開放—互動—智慧”理念，開發(fā)了集平面布置、工藝設(shè)計、設(shè)備調(diào)試為一體的浸入式餐廚垃圾厭氧發(fā)酵虛擬仿真實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以提高實驗的安全系數(shù)，自主式和交互式的實訓體驗還可以激發(fā)學生的學習興趣，提升教學效果，從而為工程應(yīng)用型設(shè)計人才培養(yǎng)平臺的搭建提供重要參考。

[關(guān)鍵詞] 餐廚垃圾厭氧發(fā)酵;虛擬仿真;工程設(shè)計;實驗教學

[基金項目] 2019年度浙江省高等教育“十三五”第二批教學改革研究項目“‘開放—互動—智慧型產(chǎn)教融合模式在一流新工科人才培養(yǎng)體系中的應(yīng)用研究”（jg20190180）;2018年度浙江工商大學教學改革項目“虛擬仿真技術(shù)在‘固廢處理處置實驗教學中的應(yīng)用”

[作者簡介] 陳 婷（1985—），女，江西高安人，博士，浙江工商大學環(huán)境科學與工程學院副教授（通信作者），主要從事固廢資源化利用與處理處置研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）22-0037-04? ?[收稿日期] 2020-12-15

近年來，隨著工程教育認證、“卓越工程師培養(yǎng)計劃”等的興起，對本科教學實踐的創(chuàng)新性和落地性要求不斷提升[1，2]。根據(jù)工程教育認證的通用標準，針對復雜工程問題，能夠“設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程，并能夠在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素”已經(jīng)成為工程專業(yè)人才培養(yǎng)必須覆蓋的畢業(yè)要求[3]。為此，工程設(shè)計能力成為衡量我國高等院校人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要準繩之一。如何提高學生的工程設(shè)計能力是當前教學改革的重點方向。

與傳統(tǒng)理論教學不同，旨在培養(yǎng)工程設(shè)計能力的教學應(yīng)側(cè)重在以項目和任務(wù)目標為中心的工程實訓上[4]。純理論講述會讓學生失去代入感，而直接開展工程實訓，學生又因缺少具體的工程實踐認識，易產(chǎn)生疏離感。因此，虛擬仿真成為一個很好的工程設(shè)計教學實訓工具[5-7]，能夠在理論授講和工程實踐間找到平衡點，同時又能克服現(xiàn)場實踐走馬觀花、難窺全貌等弊端。

為此，集合了學科群內(nèi)多位具有豐富工程實踐、管理培訓、實驗實習指導經(jīng)驗的教師與企業(yè)導師，以餐廚垃圾厭氧發(fā)酵工程為基礎(chǔ)，結(jié)合工程設(shè)計的教學目標，對現(xiàn)有的發(fā)酵工藝單元設(shè)計和運營環(huán)節(jié)進行仿真提煉，同時利用Unity3D、Visual Studio、拓撲網(wǎng)絡(luò)分析等開發(fā)技術(shù)[8，9]將設(shè)計實訓重點和難點融入實際工程場景，以任務(wù)驅(qū)動模式設(shè)置了工程設(shè)計和仿真實操兩大模塊，形成從綜合設(shè)計到運營管理的高仿真、高交互式和全程參與式的虛擬操作平臺。這一教改實踐不僅大大提升了實踐場所的安全系數(shù)[ 10 ]，培養(yǎng)了學生的操作規(guī)范性和系統(tǒng)的全局觀;而且使其對厭氧發(fā)酵工程有了更直觀的認識，取得了良好的教學效果。為此，我們總結(jié)了該虛擬仿真實驗開發(fā)和應(yīng)用過程中的一些經(jīng)驗，以供同行參考。

一、以工程設(shè)計能力培養(yǎng)為導向的餐廚垃圾厭氧發(fā)酵實驗要求

厭氧發(fā)酵是在厭氧條件下，采用現(xiàn)代工程技術(shù)手段，利用微生物的某些特定功能將垃圾中的有機物轉(zhuǎn)化成清潔能源沼氣的一種技術(shù)[ 11 ]，是固廢資源化處理的主流技術(shù)之一。鑒于餐廚垃圾組分的復雜性和不確定性，垃圾的厭氧發(fā)酵工程需要配套完整的分選、調(diào)質(zhì)等預處理技術(shù)以及后續(xù)沼液沼渣的二次污染控制工程[ 12 ]。因此，餐廚垃圾的厭氧發(fā)酵工程涵蓋了固體廢物常規(guī)的預處理、主處理及污染處置的全過程，是融合固體廢物各種處理處置技術(shù)的良好媒介。

另一方面，近年來因泔水豬、地溝油等食品安全事故層出不窮，餐廚垃圾的回收備受關(guān)注，其與食品安全、人畜健康和環(huán)境污染密切相關(guān)[ 13 ]。而以清潔能源甲烷形式回收垃圾中的生物質(zhì)符合我國節(jié)能環(huán)保和新能源兩大新型戰(zhàn)略性要求[ 11 ]。加之“光盤計劃”“低碳生活”等理念的推進，餐廚垃圾已成為一個耳熟能詳?shù)脑掝}。因此，餐廚垃圾厭氧發(fā)酵主題對學生而言話題性、關(guān)注度及熟稔度均較好，具備優(yōu)良教學資源開發(fā)潛力。

進一步，鑒于餐廚垃圾厭氧發(fā)酵綜合性和實踐性特點，對其開展工程設(shè)計實訓，按照能力培養(yǎng)深淺，可細化出以下三點具體要求：（1）了解和掌握餐廚垃圾厭氧發(fā)酵的基本流程和操作規(guī)范;（2）深入理解傳質(zhì)、分離及發(fā)酵的單元功能與影響機制，掌握平面布置、設(shè)備選型、工藝設(shè)計等系統(tǒng)工程設(shè)計方法;（3）系統(tǒng)學習厭氧工程的主要設(shè)備/構(gòu)筑物的內(nèi)部構(gòu)造及其運行原理，培養(yǎng)全鏈條工藝流程的運營調(diào)試能力。進而從理性認識到綜合應(yīng)用層面全面提升解決復雜工程問題的綜合設(shè)計和創(chuàng)新能力。

二、餐廚垃圾厭氧發(fā)酵虛擬仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵會產(chǎn)生氫氣、硫化氫等易燃易爆危險氣體，線下實驗具有投入多、流程長、污染大、風險高等特點，使得傳統(tǒng)的實踐教學難以真實還原或密切追蹤發(fā)酵全過程，易陷入走馬觀花或紙上談兵的窘境。為此，可引進最新的虛擬仿真技術(shù)，按照“能實不虛、虛實結(jié)合”原則，結(jié)合新工科人才工程設(shè)計能力培養(yǎng)的要求，融入“開放、互動、智慧”理念，開發(fā)“餐廚垃圾厭氧發(fā)酵虛擬仿真實驗”項目，將餐廚垃圾厭氧發(fā)酵項目轉(zhuǎn)化成具體的教學實訓工具。

（一）工程基礎(chǔ)：國家級餐廚垃圾厭氧發(fā)酵試點

以嘉興市餐廚垃圾厭氧發(fā)酵工程為樣板，提煉仿真系統(tǒng)的場景、工藝和設(shè)備等基本素材。該項目日處理700噸餐廚垃圾（含地溝油300噸），是 國家級試點項目，并已通過驗收。即在建設(shè)運營層面是我國首批33個餐廚廢棄物資源化利用和無害化處理試點項目之一;在標準化管理層面是我國循環(huán)經(jīng)濟標準化國家試點項目。該項目多年穩(wěn)定運行的豐富經(jīng)驗，為本虛擬仿真系統(tǒng)的開發(fā)提供了夯實的實踐基礎(chǔ)。