虚拟仿真技术在石化污水处理工程实验教学中的应用探讨

2019-02-17张冬梅江彩玲梁晓萍张健敏

山东化工 2019年9期

滕青，张冬梅，江彩玲，梁晓萍，张健敏

(广东石油化工学院环境科学与工程学院，广东茂名 525000)

实验教学能培养学生利用自己所学的理论知识去分析、解决实际问题。不仅能提高学生的实际动手能力，还能培养学生独立思考与及创新的能力[1-2]。但是在传统的实验教学中，通常由于资金缺乏、实验设备数量及场地不足，使得学生很难在有限的时间中充分操作、熟悉和调试设备[3-4]。石化污水处理工程实验中涉及多个处理单元，各单元相对独立且设备构造差异性较大[5]，造成教学效果难以达到教学目标要求。在以传统实验教学为基础的情况下，计算机虚拟仿真技术的发展作为理工科类实验教学的拓展和延伸，能避免传统实验教学的各种限制和弊端，显著提高实验教学效果与教学质量。虚拟仿真技术可以重新构建实验课程教学体系，提升学生实践操作与自主创新的能力，充分发挥学生在实验过程中的积极性和主动性，从而达到培养学生综合素质的目的。

1 石化污水处理工程实验教学中的现状及存在的问题

1.1 实验室污染问题

石化污水中的污染物主要为烃类、烃类化合物及可溶性有机和无机组分[6]。石化企业生产的过程中排放的废水存在水量和水质波动性大、废水成分复杂、污染物浓度高且很难被分离降解、对环境危害性大等问题[7-8]。石油化工废水普遍还存在较高的毒性，特别是存在大量重金属离子和一些持久性有机污染物等，严重影响和威胁周围群众。若处理不达标排放会对周边环境造成严重影响。

在传统实验教学中，石化污水的处理工艺大多数为“隔油-气浮-生化”[9-10]。实验过程中，水中的一些可挥发的污染物可能对室内空气造成污染，进一步危害学生身体健康；污水处理过程中涉及大量的化学药剂，接触不当会危害学生身体健康；石化污水处理工程实验中的水处理可能存在不达标的情况，处理后的废水一般直接排放到环境中，污染周围环境。另外，实验过程中还可能存在管道漏水的情况，造成实验室污染，存在一定的安全隐患。

1.2 教学资源有限

石化污水处理工艺随着科技的进步不断发展，工程实验中所用的设备、药剂等都会不断发生变化。然而，由于经费不足、场地有限、学时短缺、及实验安全性等客观问题，仪器设备往往更新较慢，更不上主流工艺的变动；且工程设备台套数量有限，学生在实验课程中，很难亲自动手操作，主要是教师在课堂上进行讲解与操作演示，学生大多在旁边观摩，从而降低了学生的积极主动性，导致师生之间的互动性差，从而影响了学生对专业理论知识及实验教学的理解。

1.3 操作时间有限，教学效率低

在传统实物实验教学中，学生在实验室进行设备熟悉，原理了解和实验操作，由于操作时间有限，一些耗时较长的综合性实验只能停留在原理讲解与操作演示阶段，学生不能深入了解完整的实验过程，只是单纯地按照实验指导书上的步骤进行操作，并努力将实验结果向理论上靠拢，不能真实的反映出实验结果，很少对实验过程中出现问题进行分析、查找原因，实验教学无法提升学生自主创新与实践操作的能力。

2 虚拟仿真实验在石化污水处理中的应用

2.1 优化实验环境

在传统石化污水处理实验操作中的很多化学试剂存在毒性、易燃易爆等危险，学生在实验操作中会产生一些安全隐患，如通过摄入、呼吸、接触的方式使同学产生中毒现象。有些危险的实验只能由老师操作和讲解，学生只能在一旁听讲，使学生对实验操作的主动性下降。一些实验中的反应时间可能会很长，也有可能是学生对操作流程的不熟悉，导致学生无法按时完成实验，实验结束后的废液没有按要求放在指定位置，对环境会造成污染；另外有些学生操作不规范而损害仪器设备，危害学生自身安全。因此，传统石化污水处理工程实验教学中存在不少安全隐患，若采用虚拟仿真实验，使学生在安全、无污染的绿色环境中进行学习。不必担心因操作不当而损坏仪器设备。

2.2 提高实验可见度，便于直观教学

传统实验教学存在以老师为中心的问题，学生往往被动接受知识，虚拟仿真实验教学打破常规，学生能够充分认识、了解实验，提高了实验的可见度[11]。依靠信息化技术，如多媒体网络、虚拟现实、数据库、网络通讯和人机交互等其他重要的信息化技术，可以避免在传统实验中因各种因素不能及时进行实验的不足之处。与其他污水处理工艺相比，石油污水处理工艺更加复杂，学生在学习和操作的过程中存在较大困难。学生往往由于不熟悉操作流程和工艺，即使老师在课堂上讲解了基本的工作原理，但是学生对于每一个流程处理工艺的了解还是很片面的。而在虚拟实验室内学生可以清晰明确的知道每一过程的步骤，除了了解每个过程的基本流程之外，软件提供了实时帮助功能，对于不清楚的操作，可以及时获得帮助，便于学生知道这些流程中的优缺点。虚拟仿真实验为同学提供便捷、高效的学习平台，节约操作时间，节省损坏仪器的成本，同时可以根据教学的需要来设计教学的实验安排，更好的展现出实验的效果。不仅能开拓学生视野，提高学习兴趣和学习主动性，而且拓展了学生的创新思维能力，从而达到理论和实践相结合的目的。

2.3 模拟整个生产工艺

传统的石化废水处理实物实验考虑到场地、经费问题，往往只能做某个工艺的一个反应流程。而应用了虚拟仿真技术后，不仅能仿真工艺的每一部分情况，还能了解整个工艺工作情况。而通过仿真实验技术，虚拟仿真软件厂家一般会将一些较难操作和理解的设备构造，实验原理做成动图、视频和3D操作的形式随软件一起安装，生动形象地向学生展现各单元的工艺流程和机器结构等；学生可以通过手机能较好的进行预习，了解实验的操作步骤、实验过程中容易出现的问题、应注意事项以及应对这些问题所采用的对策。3D虚拟仿真技术不仅可以让学生感受真实的工厂环境，还调动了学生的学习积极性和主动性，锻炼学生的独立构思及设计能力，激发学生的学习兴趣，有利于培养具有创新与实践能力的学生[12]。且进一步优化了实验与实际操作中的教学过程，有助于提高学生们的实际操作技能及验证所学到的理论知识。

2.4 增强实践能力，培养创新人才

传统意义上的实验大多以验证性为主，即验证已有的结论或前人做过的实验已有成果，实验内容单一，学生大多根据实验步骤进行操作完成实验，实验过程中对遇到的问题缺乏思考和分析，无法锻炼到学生的创新能力。而通过仿真实验，不仅能了解真实的实验操作，从而达到每个学生都能亲自动手做实验的效果，而且通过建立仿真实验平台，可以灵活地增加设计性实验内容，让学生根据实验目的自主设计实验方案进行分析。