基于仿真软件提升环境工程专业学生工程实践能力的教学方法探索

2023-12-18李冰

教育教学论坛 2023年46期

李冰

（北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083）

近年来，随着我国经济、科技的发展，社会对人才的需求呈现专业化、多样化的趋势。因此，注重增强工程专业学生的实践能力和创新能力是如今高等学校面临的突出任务。教育部“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）的实施，不仅能够有效促进我国由工程教育大国向工程教育强国迈进，也是贯彻落实《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》的重要举措。2017年2月，综合性高校工程教育发展战略研讨会在复旦大学召开。会议提出我国高校要加快建设和发展以新经济、新产业为背景的新工科。新工科强调工程人才培养应具备能够适应甚至引领未来工程需求的新素养；具备创新意识和服务社会的使命感；具备在多学科交叉空间内思考的大工程系统观；具备持续学习以及建构知识树的能力；具备引领技术发展的想象力。因此，学生工程实践能力的培养是目前高等学校教学的重要环节。

环境工程专业属于新兴的学科方向，学科涉及面广，技术更新速度快，是一门注重实践和应用的综合型交叉学科。随着我国环境污染问题日益突出，社会急需大量具有工程实践和创新能力的应用型专业人才。因此，学校亟须在新工科理念的指导下，培养具有工程实践创新能力的专业人才［1］，以满足目前我国日益发展的环保事业的需求。

一、学生工程实践能力常用培养方法及不足之处

目前，环境工程专业培养学生工程实践能力的方法及存在的问题主要如下。

（一）专业课程教学与设计

专业课程的教学一般以理论为主，难以培养学生的工程实践能力［2］。虽然在环境工程专业核心课程（如“水污染控制工程”）教学过程中，有高校会配套相应的课程设计，但一般较为简单，学生通过对实际工程进行初步设计和计算，可对工程设计有一定认知，却难以掌握工程设计方法。

（二）认识实习及生产实习

由于认识实习及生产实习时间较短，一般为3周左右，并且包括污水处理、大气污染治理、固体废弃物处置等方面的内容，学生只能通过现场参观的方式对实际工程运行进行初步了解，难以深入认识并掌握工程运行的要点、常见问题及解决方式，达不到预期工程实践教学效果［3］。

（三）毕业论文设计

毕业论文设计较课程设计更加全面系统，一般要求学生对实际工程进行工艺比选、设计计算、成本核算、图纸绘制等，可以较好地提升学生的工程设计能力。然而，由于目前大部分高校毕业生课题设置中论文研究课题占比较大，接受设计训练的学生比例相对较小，且很多学生要读研深造，更加忽略了工程设计能力的训练。

（四）科技竞赛及创新创业训练

科技竞赛和创新创业训练是集理论与实践于一体的综合性活动，可有效提升学生的工程实践创新能力，对学生综合素质的提升有重要作用［4］。然而，在实际开展过程中存在不少问题，学生的科技竞赛参与度较低，参与度较高的主要是成绩较好、学有余力的学生。创新创业训练项目往往以教师的科研项目为依托，对本科生来说难度可能较大［5］。部分学生在项目执行过程中积极性不高，主要目的是丰富自己的科研履历，为读研做准备。

由此可以看出，目前环境工程专业学生工程实践能力培养方法均可以发挥一定的作用，但存在理论与实际结合不足、有些方式对学生的覆盖面不广等问题。仿真软件可以模拟真实的工程实际情况，在课堂上方便与理论知识结合讲授，系统性强，可以弥补以上方法的不足，是一种较好的培养学生工程实践创新能力的教学辅助手段［6］。

二、“废水处理新技术”课程与BioWIN仿真软件相结合

“废水处理新技术”是北京科技大学环境工程专业学生培养方案中的一门专业选修课程。该课程在专业必修课程“水污染控制工程”的基础上，结合实际的工程案例，使学生了解废水处理的前沿技术，掌握工艺的优化运行及节能降耗等方法，培养学生运用新知识和新技术解决实际问题的能力，为学生毕业后从事污水处理工艺设计、优化评价与研发方面的工作提供一定的理论基础。

由于该课程涉及污水处理工艺的优化运行及节能降耗等内容，污水处理仿真软件可模拟实际工艺运行条件，提出工艺优化策略，进而实现污水处理厂的节能降耗与稳定达标。BioWIN是一款功能强大的污水处理工艺模拟软件，整合了生物学、化学和物理过程模型，可以模拟目前污水处理厂的常用工艺，如厌氧—缺氧—好氧工艺、氧化沟工艺、序批式反应器等以及厌氧氨氧化工艺等（BioWIN软件污水处理工艺仿真模拟界面见图1），还可以自己设计工艺开展模拟与研究。该软件已在国内外的科研机构及水务公司广泛应用，能够提供污水处理工艺的模拟平台，在实际污水处理厂运行与管理具有很大优势［7］。在“废水处理新技术”课程讲授过程中，教师可结合污水处理仿真软件BioWIN，改进与实践课程教学内容、教学方法，以提高学生的工程实践创新能力，适应社会的发展需求。

图1 BioWIN软件污水处理工艺模拟仿真界面

（一）改进课程教学大纲，理论教学与仿真实践有机结合

以提高学生的工程实践能力为导向，对现有的课程教学大纲进行改进，合理设计，增加上机实践、实际工程案例分析以及创新工艺设计评价等环节，使课程教学内容与工程实践创新能力紧密关联。通过上机模拟，教师可启发引导学生的工程创新思维，提高学生解决实际工程问题的能力。课程教学大纲中设计了8学时的BioWIN仿真软件教学内容，包括污水处理厂工艺的BioWIN模拟软件教学及实际污水处理厂案例模拟练习，各4学时。

模拟软件教学内容包括软件的基本介绍、实际工艺的仿真模拟方法以及工艺模拟在实际中的应用方向，进一步以实际污水处理厂案例（包括新建污水处理厂的设计、已有污水处理厂的升级改造设计以及已有污水处理厂的优化运行）讲解软件的具体使用方法及其可解决的实际工程问题。由于不同污水处理厂案例的研究方案和侧重点有所不同，在讲解时应针对不同案例的特点展开：（1）新建污水处理厂并未建成，缺乏进水和活性污泥数据，主要是针对未来可能遇到的问题进行诊断验证，重点模拟进水水质组分及动力学参数变化的影响；（2）运行中的污水处理厂已建成并具有大量的水质及活性污泥数据，主要是针对工艺参数优化，重点模拟优化水质或节能降耗的可能性；（3）待升级改造的污水处理厂有运行的相关参数，可利用这部分参数对改造工艺进行研究，结合以上新建和运行中的污水厂的工作进行模拟。

进行实际污水处理厂案例模拟练习，以目前污水处理厂常见的厌氧—缺氧—好氧工艺为例进行静态及动态模拟，包括概化模型的建立、相关模型和参数的设置、进水水质及组分校准、模拟结果展示等方面，使学生通过练习基本案例掌握软件使用方法及功能。

（二）课堂教学以问题引领学生，加深学生对实际工程的理解

在课堂教学过程中，采取培养学生工程实践能力的教学方法，如教学与仿真实践有机结合的案例式或启发式、互动式和讨论式相结合的教学方法，以及引导式思维教学方法等，在课上增强与学生间的互动交流。一方面，基于实际案例创设多种不同的工艺情境（如进水污染物浓度增加、进水量突增等），让学生通过工艺模拟回答“如果这样，结果如何”，并引导学生结合已学的基础理论分析模拟结果变化的原因；另一方面，基于实际污水处理厂运行过程中可能遇到的问题，比如夏季由于雨量大，进水负荷降低；冬季低温条件时，出水水质不稳定和不达标等，让学生通过上机模拟提出应对方案，进一步增强学生对实际工程运行的理解，为学生未来从事污水处理相关行业提供一定的基础。

（三）结合热点问题设计课程作业，提升学生自主解决问题的能力

为使学生熟练使用仿真软件，除课堂教学外，还会布置上机模拟练习作业。以问题导向引领学生对实际工程进行设计模拟，鼓励学生自主解决问题，让学生能够深入了解并掌握实际工程的运行方法，对目前工作人员常面临的污水处理问题，以及出现问题时可采取的解决办法有所了解，从而进一步提高学生的工程实践能力。下面以课程涉及的三个作业案例为例，详细说明如何通过作业设计，提升学生利用仿真软件解决实际问题的能力。

1.污水处理厂的升级改造案例模拟。目前，由于越来越多的污水处理厂出水会作为河湖补水或者杂用水被再次利用，全国各地对污水处理厂的排放标准也日趋严格。污水处理厂为了满足新的排放标准，需要在原有工艺的基础上进行升级改造，而采取何种升级改造措施可以实现出水稳定、达标并且成本最低是污水处理厂设计人员常面临的问题。以国内某污水处理厂为研究对象，给出工艺现状及其需要达到的水质排放标准，让学生提出最优的升级改造方案。

2.未来污水处理工艺设计与模拟。在碳中和背景下，资源导向型污水处理厂正在成为全球污水处理行业的主流，城市污水处理不应只关注污染物的去除，还应充分考虑污水中资源和能源的回收与利用，对此，以资源和能源的可持续利用为核心的水源再生、碳源与营养物回收利用以及污染物深度减排将会是未来污水处理技术的发展方向。由于这些新兴的污水处理工艺还未应用于实践，其在实际污水处理中的可行性只能通过模拟的方法判别，因此，设计可实现资源回收与能源利用的污水处理新工艺，并通过BioWIN模拟新工艺的运行，分析其可行性及环境效益。

3.污水处理厂碳减排路径模拟。2022年6月，生态环境部等7部门联合印发的《减污降碳协同增效实施方案》明确指出，推进水环境治理协同控制，增强污染防治与碳排放治理的协调性，实现环境效益、气候效益、经济效益多赢。在碳达峰、碳中和这场硬仗中，水环境治理再次成为减污降碳的关键领域之一，加快推进“减污降碳协同增效”对水环境治理提出了新的更高层次的要求。污水处理过程是水环境治理的重要环节，也是碳排放的主要来源，因此，如何对污水处理厂进行优化设计，实现节能减排，是目前实际工程中常面临的问题。运用BioWIN软件对工艺进行优化模拟，基于模拟数据得到不同工艺段的碳排放情况，教师能够引导学生提出用于指导污水处理厂碳减排的工艺优化路径。