仿真軟件在環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用

1、仿真軟件在環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用楊 靜 趙旭德劉慶斌（黃石理工學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系 湖北黃石 435003）摘要：作者通過在環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)教學(xué)中嘗試應(yīng)用仿真軟件，將其作為實(shí)物實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)的預(yù)習(xí)與補(bǔ)充，取得了較好的教學(xué)效果，提出了一種實(shí)踐教學(xué)的新模式。關(guān)鍵詞：仿真 環(huán)境工程 實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)教學(xué)Application of Simulation Softs on Experiments and Training of Environmental EngineeringYang Jing, Zhao Xude, Liu Qingbin(Huangshi Institute of Tec

2、hnology, Huangshi HuBei 435003)Abstract: The authors apply simulation softs as preview and of onsite experiments and trainings on Environmental Engineering, which have got pretty good teaching effects. Key word: Simulation, Environmental Engineering, Experiments and Training1前言我系于2003年5月購買了北京東方仿真控制技

3、術(shù)有限公司開發(fā)的環(huán)境工程專業(yè)的水、大氣處理實(shí)驗(yàn)仿真軟件和污水處理實(shí)習(xí)仿真軟件的單機(jī)版，教師個(gè)人使用后感覺對于教學(xué)非常有幫助。2004年5月又購買了網(wǎng)絡(luò)版，使大量學(xué)生進(jìn)行模擬實(shí)踐成為可能。我們對2002級環(huán)境工程專業(yè)和給排水工程專業(yè)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)教學(xué)中開展了這兩套仿真軟件的應(yīng)用，主要是將它們作為實(shí)物實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)之前的預(yù)習(xí)和之后的補(bǔ)充，取得了明顯良好的教學(xué)效果，現(xiàn)將應(yīng)用總結(jié)如下。2用作實(shí)物實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采用的是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書加老師講解的教學(xué)手段，容易造成主要兩個(gè)方面的不足：一是學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮筒襟E理解得不夠透徹，總是按照指導(dǎo)書一步一步地做，至于為什么要這樣做不甚清楚，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中

4、處于一種被動的地位，往往是實(shí)驗(yàn)報(bào)告做完，實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮筒襟E也全忘光，沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的；二是學(xué)生對一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏感性認(rèn)識，即使把實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中對設(shè)備的基本構(gòu)造、使用方法和注意事項(xiàng)看了多遍，仍不得要領(lǐng)，到了實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)常不能很快地投入到做實(shí)驗(yàn)中，甚至不能正確地操作設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障，影響了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程和效果。而在常規(guī)實(shí)驗(yàn)前首先進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)，則在很大程度上彌補(bǔ)了這兩點(diǎn)不足。這套軟件中的每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都分為實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、教學(xué)課件四個(gè)部分。（1）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)以簡潔的語言和形象的動畫講解了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、設(shè)備認(rèn)識等，比老師單純的“口頭筆頭”更容易讓學(xué)生理解。（2）實(shí)驗(yàn)操作是軟件通過建立的動態(tài)數(shù)學(xué)模型

5、模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程和現(xiàn)象，通過3D互動操作界面模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生可以一人一臺計(jì)算機(jī)，通過做仿真實(shí)驗(yàn)，從而了解真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，達(dá)到每個(gè)學(xué)生都能夠親自動手做實(shí)驗(yàn)的效果。軟件提供了實(shí)時(shí)幫助功能，對于不清楚的操作，可以及時(shí)獲得幫助。（3）數(shù)據(jù)處理是軟件對學(xué)生所做實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)自動進(jìn)行表格填入、公式計(jì)算、圖形繪制，并生成可以打印的報(bào)表。雖然此步驟沒有讓學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的練習(xí)，但它對學(xué)生前面的操作卻要求非常嚴(yán)格，一旦有一點(diǎn)失誤，生成的數(shù)據(jù)就不正確，填表、計(jì)算、繪圖等也就不能正確地進(jìn)行。（4）教學(xué)課件則把課本中相關(guān)的理論知識以生動的CAI課件形式講述了一遍。這樣老師不用再講一次理論，學(xué)生也能理解地更清

6、楚。2.1水處理仿真實(shí)驗(yàn)水處理實(shí)驗(yàn)仿真軟件可以做的實(shí)驗(yàn)有自由沉淀實(shí)驗(yàn)、過濾實(shí)驗(yàn)、混凝實(shí)驗(yàn)、氣浮實(shí)驗(yàn)、曝氣充氧實(shí)驗(yàn)、活性污泥實(shí)驗(yàn)等六個(gè)1。其中，第1、2個(gè)屬于物理實(shí)驗(yàn)，第3個(gè)屬于化學(xué)實(shí)驗(yàn)，第4個(gè)屬于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，第5、6個(gè)為生物處理法。它們涵蓋了水處理的幾種基本方法，同時(shí)也是教學(xué)大綱2中規(guī)定的必修實(shí)驗(yàn)。開設(shè)這六個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以為我系環(huán)境工程專業(yè)的專科水污染治理工程和本科的給水工程和排水工程、?？平o排水工程專業(yè)的給水工程和排水工程、環(huán)境監(jiān)理專業(yè)的環(huán)境工程學(xué)（水部分）等多門相關(guān)課程服務(wù)。以下是一位學(xué)生操作混凝實(shí)驗(yàn)中測試混凝劑最佳投量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。原水800ml/份水樣編號123456混凝劑加注量(ml

7、)20.030.040.050.060.070.0剩余濁度（NTU）20.215.210.28.29.914.9從數(shù)據(jù)可以判斷最佳混凝劑投量為50.0ml左右，此時(shí)水中剩余濁度最低。這和課本上的數(shù)據(jù)是一致的。接著是軟件根據(jù)此表自動繪出的曲線圖?？梢钥吹角€連接光滑，最低點(diǎn)處在50左右，曲線繪制是成功的。2.2大氣處理仿真實(shí)驗(yàn)大氣處理實(shí)驗(yàn)仿真軟件可以做的實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)：旋風(fēng)除塵器性能實(shí)驗(yàn)、堿液吸收SO2實(shí)驗(yàn)3。也正好涵蓋了大氣處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱4中規(guī)定的必開實(shí)驗(yàn)。其中，旋風(fēng)除塵器性能實(shí)驗(yàn)可以測定的性能包括處理風(fēng)量、阻力、效率。這兩個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，可以為我系環(huán)境工程專業(yè)的專科和本科大氣污染控制工程、專科環(huán)境

8、監(jiān)理專業(yè)的環(huán)境工程學(xué)（大氣部分）等相關(guān)課程服務(wù)。2.3效果學(xué)生在做了仿真實(shí)驗(yàn)以后，對于實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒉襟E已經(jīng)基本上心中有數(shù)，再到實(shí)物實(shí)驗(yàn)室做真實(shí)實(shí)驗(yàn)，設(shè)備可能會和軟件上的有些不同，但是大同小異，操作能很快上手，而且做真實(shí)實(shí)驗(yàn)不再是一個(gè)學(xué)生做，是幾個(gè)一起做，結(jié)合了幾個(gè)人的智慧之后，大部分都能按照正確地步驟，順利地完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，也能夠根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)所提供的參考進(jìn)行正確地?cái)?shù)據(jù)處理和分析。3用作實(shí)物實(shí)習(xí)前的預(yù)習(xí)傳統(tǒng)的課程實(shí)習(xí)教學(xué)，是老師把學(xué)生帶到某個(gè)與專業(yè)相關(guān)的單位比如污水處理廠，由廠里的技術(shù)人員給學(xué)生介紹工程的基本情況，然后把學(xué)生帶到每一個(gè)單元參觀、介紹，如果學(xué)生比較多或者現(xiàn)場比較

9、嘈雜，學(xué)生往往看或聽不清楚技術(shù)人員的講解，有些人也就放松了要求，不再認(rèn)真實(shí)習(xí)；這種實(shí)習(xí)還有一個(gè)更大的不足也是缺憾，就是學(xué)生為了遵守工廠的規(guī)章制度，不得隨便動任何設(shè)備、儀器，除非進(jìn)行在崗的跟班實(shí)習(xí)，否則對于如何控制管理水處理工藝的運(yùn)行、出現(xiàn)問題如何解決，不能得到實(shí)踐鍛煉，也就沒有培養(yǎng)出實(shí)踐能力。而在傳統(tǒng)課程實(shí)習(xí)前首先進(jìn)行的污水處理廠仿真實(shí)習(xí)，極大地彌補(bǔ)了上述不足。這個(gè)軟件是以北京市高碑店污水處理廠為原型，建立在污水處理工藝中各種構(gòu)筑物運(yùn)行過程的嚴(yán)格動態(tài)數(shù)學(xué)模擬基礎(chǔ)上開發(fā)完成的。仿真實(shí)習(xí)時(shí)，每個(gè)學(xué)生面對一臺計(jì)算機(jī)，可以從總流程、各個(gè)單元多角度地觀察工藝；可以動所有的設(shè)備、儀器、閥門等；可以訓(xùn)練對各

10、種事故的處理；并可以客觀地得出實(shí)習(xí)成績。該系統(tǒng)分為水工段、泥工段兩大塊5。其中，水工段可以培訓(xùn)的項(xiàng)目有：污水提升泵軸溫超標(biāo)、污水提升泵電流超標(biāo)、來水PH值過低、處理負(fù)荷增大、來水SS增高、來水BOD增高、來水NH3N升高、來水腐敗、環(huán)境溫度降低、曝氣池污泥膨脹等10個(gè)；泥工段培訓(xùn)的項(xiàng)目有：濃縮池進(jìn)泥中水含量增大、濃縮池刮泥機(jī)發(fā)生故障、濃縮池螺桿泵發(fā)生故障、一級消化池?cái)嚢铏C(jī)發(fā)生故障、一級消化池?fù)Q熱器發(fā)生故障、消化池進(jìn)泥溫度降低、壓濾機(jī)配藥濃度降低、壓濾機(jī)皮帶打滑等8個(gè)。另外還提供了初沉池、活性污泥、消化池三個(gè)重點(diǎn)單元的具體操作培訓(xùn)。老師提出一個(gè)培訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)生就得思考如何解決這個(gè)問題，首先要判斷這

11、個(gè)問題可能是什么原因造成的，然后去尋找大致的解決途徑，在這個(gè)思路下再去對設(shè)備、儀器、閥門等做出一些調(diào)整，如果調(diào)整正確，就可以得到步驟分，如果調(diào)整的程度到位，就可以得到質(zhì)量分。以下是一位學(xué)生在培訓(xùn)如何處理水工段中來水處理負(fù)荷增大的問題時(shí)所做出的響應(yīng)：解決問題的途徑具體操作改變的參數(shù)加開格柵處進(jìn)水方閘打開進(jìn)水方閥五過柵流速打開進(jìn)水方閥六加開泵房備用泵啟動提升泵三集水池液位和配水井液位啟動提升泵四增大曝氣沉砂池曝氣量增大曝氣沉砂池處2#鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量曝氣沉砂池除砂率加開備用初沉池開啟11號初沉池第一組初沉池出口SS值BOD含量開啟12號初沉池開啟23號初沉池第二組初沉池出口SS值BOD含量開啟24號初沉

12、池增加曝氣池回流比增大第一組曝氣池回流比第一組曝氣池中的MLSS濃度、出口BOD含量、NH3-N含量、有機(jī)負(fù)荷增大第二組曝氣池回流比第二組曝氣池中的MLSS濃度、出口BOD含量、NH3-N含量、有機(jī)負(fù)荷增加曝氣池曝氣量增大曝氣池處6號鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量第一組曝氣池中的溶解氧濃度開啟曝氣池處7號鼓風(fēng)機(jī)第二組曝氣池中的溶解氧濃度系統(tǒng)打分如下：測評歷時(shí)：600秒實(shí)際得分：104.00百分制得分：69.34其中：步驟操作得分：60.00質(zhì)量操作得分：44.00操作失誤導(dǎo)致扣分：0.00可見，通過對該仿真污水處理廠的親自“動手”操作，學(xué)生可以在以下幾個(gè)方面得到提高：1）加深對污水處理工藝原理的理解；2）熟悉正常

13、的運(yùn)行指標(biāo)；3）各種異常發(fā)生或設(shè)備故障的修正操作訓(xùn)練。學(xué)生心中對污水處理廠有了基本印象以后，再到真實(shí)污水廠進(jìn)行參觀、學(xué)習(xí)，配合感性認(rèn)識，能更快地理解現(xiàn)場，能提出更多有意義的問題，實(shí)習(xí)會更有收獲，當(dāng)然也使得課程實(shí)習(xí)及畢業(yè)實(shí)習(xí)這一重要的教學(xué)環(huán)節(jié)更加圓滿和成功。4用作實(shí)物實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)后的補(bǔ)充我系購置的環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)設(shè)備，無論在數(shù)量和種類上，都是全國同類院校中比較靠前的，但是在開設(shè)實(shí)驗(yàn)課上仍然感覺不夠。仿真實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)習(xí)軟件在很大程度上彌補(bǔ)了這一不足。此外，學(xué)生在做完實(shí)物實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)以后，如果對某個(gè)問題還不夠清楚，可以通過再次或多次操作仿真軟件得以解決。這是它的第二個(gè)補(bǔ)充作用。5結(jié)束語環(huán)境工程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際運(yùn)用能力是非常重要的。而仿真軟件的應(yīng)用很有助于提高這一能力，但目前其應(yīng)用還不是非常廣泛，我系環(huán)境工程專業(yè)在全國同類院校中是比較早購置和應(yīng)用的，所以在這里總結(jié)了一些心得。當(dāng)然仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)是不能取