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仿真软件在环境工程专业实验、实习教学中的应用
静 旭德 庆斌
（理工学院环境与化学工程系 435003）
摘 要：作者通过在环境工程专业实验、实习教学中尝试应用仿真软件，将其作为实物实验和实习的预习与补充，取得了较好的教学效果，提出了一种实践教学的新模式。
关键词：仿真 环境工程 实验、实习教学
Application of Simulation Softs on Experiments and Training of Environmental Engineering
Yang Jing, Zhao Xude, Liu Qingbin
(Huangshi Institute of Technology, 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 Training
1 前言
我系于2003年5月购买了仿真控制技术开发的环境工程专业的水、大气处理实验仿真软件和污水处理实习仿真软件的单机版，教师个人使用后感觉对于教学非常有帮助。2004年5月又购买了网络版，使大量学生进行模拟实践成为可能。我们对2002级环境工程专业和给排水工程专业的学生在实验、实习教学中开展了这两套仿真软件的应用，主要是将它们作为实物实验、实习之前的预习和之后的补充，取得了明显良好的教学效果，现将应用总结如下。
2 用作实物实验前的预习
常规的实验教学，采用的是实验指导书加老师讲解的教学手段，容易造成主要两个方面的不足：一是学生对于实验目的和步骤理解得不够透彻，总是按照指导书一步一步地做，至于为什么要这样做不甚清楚，在整个实验过程中处于一种被动的地位，往往是实验报告做完，实验目的和步骤也全忘光，没有达到实验教学的目的；二是学生对一些实验设备缺乏感性认识，即使把实验指导书中对设备的基本构造、使用方法和注意事项看了多遍，仍不得要领，到了实验室，经常不能很快地投入到做实验中，甚至不能正确地操作设备，导致设备出现故障，影响了实验的进程和效果。
而在常规实验前首先进行的仿真实验，则在很大程度上弥补了这两点不足。这套软件中的每一个实验都分为实验指导、实验操作、数据处理、教学课件四个部分。
（1）实验指导以简洁的语言和形象的动画讲解了实验目的、设备认识等，比老师单纯的“口头＋笔头”更容易让学生理解。
（2）实验操作是软件通过建立的动态数学模型模拟真实的实验过程和现象，通过3D互动操作界面模拟真实的实验装置，学生可以一人一台计算机，通过做仿真实验，从而了解真实的实验操作，达到每个学生都能够亲自动手做实验的效果。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。
（3）数据处理是软件对学生所做实验产生的数据自动进行表格填入、公式计算、图形绘制，并生成可以打印的报表。虽然此步骤没有让学生进行数据分析的练习，但它对学生前面的操作却要求非常严格，一旦有一点失误，生成的数据就不正确，填表、计算、绘图等也就不能正确地进行。
（4）教学课件则把课本中相关的理论知识以生动的CAI课件形式讲述了一遍。这样老师不用再讲一次理论，学生也能理解地更清楚。
2.1水处理仿真实验
水处理实验仿真软件可以做的实验有自由沉淀实验、过滤实验、混凝实验、气浮实验、曝气充
氧实验、活性污泥实验等六个[1]。其中，第1、2个属于物理实验，第3个属于化学实验，第4个属于物理化学实验，第5、6个为生物处理法。它们涵盖了水处理的几种基本方法，同时也是教学大纲[2]中规定的必修实验。开设这六个实验，可以为我系环境工程专业的专科《水污染治理工程》和本科的《给水工程》和《排水工程》、专科给排水工程专业的《给水工程》和《排水工程》、环境监理专业的《环境工程学》（水部分）等多门相关课程服务。
以下是一位学生操作混凝实验中测试混凝剂最佳投量得到的实验数据。
原水800ml/份
水样编号
1
2
3
4
5
6
混凝剂加注量(ml)
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
剩余浊度（NTU）
20.2
15.2
10.2
8.2
9.9
14.9
从数据可以判断最佳混凝剂投量为50.0ml左右，此时水中剩余浊度最低。这和课本上的数据是一致的。
接着是软件根据此表自动绘出的曲线图。
可以看到曲线连接光滑，最低点处在50左右，曲线绘制是成功的。
2.2大气处理仿真实验
大气处理实验仿真软件可以做的实验有两个：旋风除尘器性能实验、碱液吸收SO2实验[3]。也正好涵盖了大气处理实验教学大纲[4]中规定的必开实验。其中，旋风除尘器性能实验可以测定的性能包括处理风量、阻力、效率。这两个仿真实验，可以为我系环境工程专业的专科和本科《大气污染控制工程》、专科环境监理专业的《环境工程学》（大气部分）等相关课程服务。
2.3效果
学生在做了仿真实验以后，对于实验目的、步骤已经基本上心中有数，再到实物实验室做真实实验，设备可能会和软件上的有些不同，但是小异，操作能很快上手，而且做真实实验不再是一个学生做，是几个一起做，结合了几个人的智慧之后，大部分都能按照正确地步骤，顺利地完成实验。学生做完实验后写实验报告时，也能够根据仿真实验所提供的参考进行正确地数据处理和分析。
3 用作实物实习前的预习
传统的课程实习教学，是老师把学生带到某个与专业相关的单位比如污水处理厂，由厂里的技术人员给学生介绍工程的基本情况，然后把学生带到每一个单元参观、介绍，如果学生比较多或者现场比较嘈杂，学生往往看或听不清楚技术人员的讲解，有些人也就放松了要求，不再认真实习；这种实习还有一个更大的不足也是缺憾，就是学生为了遵守工厂的规章制度，不得随便动任何设备、仪器，除非进行在岗的跟班实习，否则对于如何控制管理水处理工艺的运行、出现问题如何解决，不能得到实践锻炼，也就没有培养出实践能力。
而在传统课程实习前首先进行的污水处理厂仿真实习，极弥补了上述不足。这个软件是以市高碑店污水处理厂为原型，建立在污水处理工艺中各种构筑物运行过程的严格动态数学模拟基础上开发完成的。仿真实习时，每个学生面对一台计算机，可以从总流程、各个单元多角度地观察工艺；可以动所有的设备、仪器、阀门等；可以训练对各种事故的处理；并可以客观地得出实习成绩。
该系统分为水工段、泥工段两大块[5]。其中，水工段可以培训的项目有：污水提升泵轴温超标、污水提升泵电流超标、来水PH值过低、处理负荷增大、来水SS增高、来水BOD增高、来水NH3－N升高、来水腐败、环境温度降低、曝气池污泥膨胀等10个；泥工段培训的项目有：浓缩池进泥中水含量增大、浓缩池刮泥机发生故障、浓缩池螺杆泵发生故障、一级消化池搅拌机发生故障、一级消化池换热器发生故障、消化池进泥温度降低、压滤机配药浓度降低、压滤机皮带打滑等8个。
另外还提供了初沉池、活性污泥、消化池三个重点单元的具体操作培训。
老师提出一个培训项目，学生就得思考如何解决这个问题，首先要判断这个问题可能是什么原因造成的，然后去寻找大致的解决途径，在这个思路下再去对设备、仪器、阀门等做出一些调整，如果调整正确，就可以得到步骤分，如果调整的程度到位，就可以得到质量分。
以下是一位学生在培训如何处理水工段中来水处理负荷增大的问题时所做出的响应：
解决问题的途径
具体操作
改变的参数
加开格栅处进水方闸
打开进水方阀五
过栅流速
打开进水方阀六
加开泵房备用泵
启动提升泵三
集水池液位和配水井液位
启动提升泵四
增大曝气沉砂池曝气量
增大曝气沉砂池处2#鼓风机风量
曝气沉砂池除砂率
加开备用初沉池
开启11号初沉池
第一组初沉池出口SS值BOD含量
开启12号初沉池
开启23号初沉池
第二组初沉池出口SS值BOD含量
开启24号初沉池
增加曝气池回流比
增大第一组曝气池回流比
第一组曝气池中的MLSS浓度、出口BOD含量、NH3--N含量、有机负荷
增大第二组曝气池回流比
第二组曝气池中的MLSS浓度、出口BOD含量、NH3--N含量、有机负荷
增加曝气池曝气量
增大曝气池处6号鼓风机风量
第一组曝气池中的溶解氧浓度
开启曝气池处7号鼓风机
第二组曝气池中的溶解氧浓度
系统打分如下：
测评历时：600秒
实际得分：104.00
百分制得分：69.34
其中：
步骤操作得分：60.00
质量操作得分：44.00
操作失误导致扣分：0.00
可见，通过对该仿真污水处理厂的亲自“动手”操作，学生可以在以下几个方面得到提高：1）加深对污水处理工艺原理的理解；2）熟悉正常的运行指标；3）各种异常发生或设备故障的修正操作训练。
学生心中对污水处理厂有了基本印象以后，再到真实污水厂进行参观、学习，配合感性认识，能更快地理解现场，能提出更多有意义的问题，实习会更有收获，当然也使得课程实习及毕业实习这一重要的教学环节更加圆满和成功。
4 用作实物实验、实习后的补充
我系购置的环境工程实验设备，无论在数量和种类上，都是全国同类院校中比较靠前的，但是在开设实验课上仍然感觉不够。仿真实验、仿真实习软件在很大程度上弥补了这一不足。
此外，学生在做完实物实验、实习以后，如果对某个问题还不够清楚，可以通过再次或多次操作仿真软件得以解决。这是它的第二个补充作用。
5 结束语
环境工程是一门实践性很强的专业，教学中加强学生的实际运用能力是非常重要的。而仿真软件的应用很有助于提高这一能力，但目前其应用还不是非常广泛，我系环境工程专业在全国同类院校中是比较早购置和应用的，所以在这里总结了一些心得。当然仿真实验、实习是不能取代实物实验、实习的，这一点应该明确。
参考文献
[1] 理工学院环境与化学工程系环境教研室，水污染治理工程实验教学大纲
[2] 仿真控制技术，水处理实验仿真教学软件使用说明
[3] 理工学院环境与化学工程系环境教研室，大气污染控制工程实验教学大纲
[4] 仿真控制技术，大气处理实验仿真教学软件使用说明
[5] 仿真控制技术，污水处理厂仿真系统使用说明