水体COD 检测虚拟仿真实验的实现与应用

宋 宇 杨清海 曲贵伟

（辽东学院，辽宁 丹东 118003）

1 水体COD 检测实验项目的建设背景

当前，土木工程课程设置中设置了“环境保护概论”、“环境健康”等课程，对学生进行环境知识教育。因此在实训课中依然保留水体COD 检测这一经典实验，但鉴于土木工程专业的学生化学基础薄弱，实验技能较差，操作该实验增加诸多危险，因此利用现代高科技手段，对其进行虚拟仿真设计是非常必要的。既能让学生掌握实验的基本内容和技能又避免了危险。

2 水体COD 检测实验项目的特点

2.1 节水、环保及安全的特点

所谓化学需氧量（COD），是在一定的条件下，采用一定的强氧化剂处理水样时所消耗的氧化剂量。传统的实验方法是需要电加热及冷凝水装置，加热及流动水时长2 个小时，同时这个实验用的都是浓硫酸，若锥形瓶爆裂则会伤人，因此有一定危险性。水体COD 检测虚拟仿真项目的实现可达到节水节电且安全的目的。

2.2 可自主化的实验参数设计并无限次重复实验

水体COD 检测虚拟仿真实验基于“以学生为中心”的教学理念开发设计，可体现较好的互动性。在线实验操作过程中，学生可根据系统的提示和对实验步骤的理解及掌握情况自行设计实验的关键参数并完成实验，通过自主设计的实验结果与标准实验进行对比，分析原因并找到改进措施，可提高学生在实验中的积极性，有助于发挥潜能。同时，学生可通过系统中的交互窗口，随时与教师就实验中存在的问题进行交流。此外，水体COD 检测虚拟仿真实验项目可基于电脑端和手机移动端设计，学生不受时间和地点限制进行实验操作，并可以无限次重复实验，有效节约了实验成本。

3 虚拟仿真实验系统模块与功能

虚拟仿真实验通过动画技术、3D 仿真等技术，应用Photoshop、3Dmax、Flash 及 Adobe After Effects 等开发工具，再现水体COD 检测实验的全过程。虚拟仿真实验项目平台的功能模块框架如图1 所示。实验项目平台的基本框架结构设计可根据功能和角色分成三个功能区即管理功能区、教师功能区和学生功能区。在管理功能区，管理员可以对平台用户的权限、数据和安全等提供基本管理服务以保证平台有序安全运行。在教师功能区，教师可以通过学生在网络上实验全程的记录，对学生水体COD 检测实验的掌握情况进行客观评价，进而对学生的实验成绩进行综合评定。在学生功能区，学生可以实现预习、操作练习完成实验报告和课后测试等不同环节以全面掌握虚拟仿真实验的相关知识。

图1 实验项目平台功能模块框架

4 实验原理、方法与步骤

水体传统COD 检测方法是重铬酸盐法，该方法氧化率高，再现性好，准确可靠，成为国际社会普遍公认的经典标准方法。其测定原理为：在硫酸酸性介质中，以重铬酸钾为氧化剂，硫酸银为催化剂，硫酸汞为氯离子的掩蔽剂，加热使消解反应液沸腾，以水冷却回流加热反应2h，消解液自然冷却后，加水稀释至约140ml，以试亚铁灵为指示剂，以硫酸亚铁铵溶液滴定剩余的重铬酸钾，根据硫酸亚铁铵溶液的消耗量计算水样的COD 值。

在虚拟仿真实验中，学习的主体—学生能否利用好虚拟仿真实验平台是完成整个虚拟仿真实验的关键。学生可以按照图2 所示，通过电脑和手机登录实验项目平台，在熟悉实验背景、目的和原理的基础上完成课前测试并开展水体COD 检测虚拟仿真实验。

图2 水体COD 检测仿真实验流程

5 虚拟仿真实验项目建设的成效

5.1 虚实结合，解决水体COD 检测中费水、费电及安全性过低的弊端

现在实验室采用的系统是由恒温电热炉、锥形瓶、球形冷凝管、软管及铁架台组成。软管分进水管和出水管，整个实验需长流水2 个小时，每组耗水约336 升，一个班4组，共4 个班，这个实验共耗水5376 升。但若停水则对实验造成一定影响。这个实验用的都是浓硫酸，若锥形瓶爆裂则会伤人，电热炉只有恒温功能没有定时功能，因此整个实验耗时长，全程需要人看护且有一定危险性。通过虚拟仿真实验平台，学生能够在线完成整个实验操作，既掌握了实验原理又安全有效地完成整个实验。

5.2 利用虚拟仿真实验平台，有助于提升学生的积极性和挖掘创新能力

在虚拟仿真实验平台上，学生可配制药品，完成滴定过程，计算相关数据，可无限次重复进行实验，学生可发现实验设计中存在的问题，并通过重新设计用量和反复操作，改进实验进程，提升学生参与实验的积极性。

5.3 利用虚拟仿真实验平台，有助于师生交流互动

通过虚拟仿真实验平台，老师可以通过平台答疑解惑，增加师生的互动交流，既提升了学生学习的针对性和实效性，又可让老师了解学生的疑难点，为课堂教学提供一定的参考。

6 结语

水体COD 检测虚拟仿真平台的建立，不仅消除了传统检测方法的弊端，又可以激励学生有效参与实践教学，取得了良好的实践效果。