虚拟仿真实验在《固体废弃物处理与处置》实验中的应用探索

高春梅　冀世锋　邢云青　储鸣

摘要：在工程教育专业认证的背景下，提高学生对于专业知识的认知和实际应用能力势在必行。将虚拟仿真实验引入到固体废弃物处理与处置实验中，不仅可以加深学生对于专业知识的理解和掌握，还可以提高学生的实际操作能力和动手能力，并提出将理论教学、传统实验教学和虚拟仿真实验结合的方法来评价整个课程的教学效果。

关键词：虚拟仿真；固体废弃物处理与处置；应用；教学效果

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）26-0274-02

近年来，为了提高我国高等院校工科专业学生的质量和综合能力，国家相关部门开展了关于工科专业的教育体系认证。此工程教育专业认证是指由相应专业认证机构针对高等院校等教育机构开设的工程类专业教育实施的专门性认证，由教育部相关专门职业或行业协会（联合会）、专业学会同该领域的专家学者和相关行业企业专家一起进行，旨在为相关工程技术人才进入工业界从业提供预备教育质量保证。工程教育专业认证是紧跟国际步伐，确保国内工程教育质量的保障制度，也是实现我国国内工程教育及工程师资格与国际互认的重要基础。

一、现有《固体废弃物处理与处置》课程实验存在的问题

近年来，随着固体废弃物污染日益严重，对于固体废物处理、处置和资源化技术也不断提高，而课程实验教学严重滞后，同时《固体废弃物处理与处置》也是一门社会性和工程实践性很强的课程，很多高校对《固体废物处理与处置》课程实验设置和实施环节相对薄弱，主要表现在以下几点：

1.实验教学不够全面、完整，没有系统性。上海海洋大学环境工程专业虽然建有环境工程实验室（临时性），但相关配置还比较欠缺，只是有一些满足水污染、固体废物处理与处置等小型实验的相关装备，同时受场地和时间限制，开设的实验项目（包括大学生创新项目）也只能在小型实验装置或设备上操作。有的实验没有标准规格的实验设备，技术人员就自行研发实验设备进行相关实验。

2.学生实际动手机会极少。对相关设备进行实际操作对于学生了解和掌握固体废弃物处理与处置过程中的问题具有很好的促进效果，学生可以亲自观察设备内部构造，了解工作原理。如果在实习过程中碰巧遇到设备故障进行维修，学生就可以利用已有知识进行分析解决，对于学生综合能力的提高具有十分重要的作用。而在实际的实习过程中，实习单位为了保障学生人身安全和生产安全，同时不打扰他们的工作进度和效率，基本委派给学生的都是实验室基础常规操作（如取样、配液及一些文本工作），很难让学生学到上述知识。因此，实习的结果多停留实验室监测，以及对理论知识的掌握和熟悉，难以全面达到预期实习的目的。

3.一些实验难以在实验室操作。固体废弃物产量大，其处理技术要求也越来越高，目前其生化处理、热处理、土地处理等方法在实验室范围内难以动手操作，使得学生只能理论理解其处理原理及过程，不能亲自参与到其处理过程中，对于环境工程专业的学生来说是个遗憾。

二、虚拟仿真实验在《固体废弃物处理与处置》实验中的应用探究

虚拟仿真实验教学是近年来新兴的一种教学模式，既是对传统教学模式的补充，更是一种教学模式的变革[5]。虚拟仿真实验教学是利用现有计算机技术构建虚拟的实验操作环境及实验的对象，使学生可以在虚拟环境中进行相关实验操作，并得到操作结果。虚拟仿真实验将网络通讯技术、多媒体教学、数据库结合起来，实现人机交互，能够实现传统实验教学模式不能达到或难以实现的教学效果。

1.固体废弃物处理与处置实验设计的虚拟仿真。在实验室难以开展的相关固体废弃物处理与处置的实验主要有固体废弃物的生化处理（堆肥，硝化）、热处理（焚烧）、土地处理（填埋）等，而且在实习过程中基本也不能到现场观看，所以学生对于知识的理解和掌握有很大的欠缺。根据课程内容介绍，可以分为不同实验进行虚拟仿真，每一个实验针对原料性质、工艺条件、设备性能、三废处理等几个方面进行模块化设计，将不同性质和成分的固体废弃物输入到模块中，了解其物理、生化等性质，分析其最优处理方式，并通过改变模块中条件的变化了解处理技术产生的差异，同时也可以通过电脑屏幕直观地看到设备内部的运行及原料在设备内部的处理过程，不仅可以加强学生对于理论知识的理解，同时也可以加深对专业知识的掌握。

2.固体处理与处置实验操作的虚拟仿真。固体废弃物处理与处置实验以固体废弃物为处理对象，实验内容包括固体废弃物形态及成分观察、验证性实验及综合性实验。虚拟仿真实验在这些试验中的应用可以分为三个模块进行：第一模块从实验准备开始，依次将里面的一些实验操作做成虚拟演示实验。这部分实验重点在于让学生了解实验注意事项、操作事宜等，确保安全。第二模塊将验证性实验与固体废弃物形态及成分的观察结合起来制成虚拟仿真实验。将实验的各个操作关键点等也设计成不同的模块，学生在虚拟操作中通过选择不同模块来完成实验的虚拟操作。形态及成分的观察作为实验结果可以用图像的方式呈现，作为学生选择相应实验的结论。第三模块设置学生课前自学模块，让学生对将要进行的实验操作有充分的了解，这样可以提高学生实际操作的成功率；对最终结果跟预期设计结果有出入的，可引导学生进行讨论，分析在实验过程中的相关影响因素，在讨论过程中不仅可以加深学生对理论知识的理解和掌握，同时也可以对虚拟设计模块进行优化。

3.教学效果评估。教学效果的评估指标主要看理论教学效果和实验（包括虚拟仿真实验和传统实验）教学效果。教学效果的评定可分为课堂理论学习及相关实验进行，一方面注重学生对于理论知识的掌握，一方面了解学生对于传统实验和虚拟仿真实验的操作和分析，设计相应指标进行对比分析。整个教学效果的评估根据理论学习、虚拟仿真实验和实际操作实验的相关性和完成度来进行综合评判。

三、结语与展望

虚拟仿真实验作为一种新型的教学手段和方法已经运用于很多专业的教学之中[7，8]。在《固体废弃物处理与处置》实验教学中逐步开发虚拟仿真实验，建立相应的虚拟仿真实验实验室，是积极响应国家关于提高工程技术人员实际应用能力的要求[1，9]，也是固体废弃物处理与处置课程本身发展的要求。同时，未来如果能够在实验教学中加入VR技术，将会让学生能够更加近距离地亲身体验处理过程中的动态模拟。

参考文献：

[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，徐苏，李元高，等.基于Flash的仿真实验在环境工程实验中的应用[J].中国科技信息，2013，（18）：62.

[4]杨秀政.《固体废物处理与处置》课程实验教学内容体系设计[J].教育教学论坛，2015，（52）：248-249.

[5]王卫国.虚拟仿真实验教学中心建设思考与建议[J].实验室研究与探索，2013，32（12）：5-8.