計(jì)算機(jī)技術(shù)在水污染控制工程教學(xué)中的應(yīng)用

王淑勤，李 超，趙學(xué)娟

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 保定 071003)

水污染控制工程為環(huán)境工程專業(yè)三大主干課程之一，是我校2008版人才培養(yǎng)方案的核心課程之一。水污染控制工程課程的特點(diǎn)是教學(xué)內(nèi)容豐富、傳統(tǒng)技術(shù)多、新處理技術(shù)不斷涌現(xiàn)、實(shí)踐性強(qiáng)、流程復(fù)雜、公式和難點(diǎn)較多、設(shè)備抽象，學(xué)生僅靠想象很難把握。有的書中雖然給出示意圖，但畢竟是靜態(tài)的，對剛剛接觸這門課的學(xué)生而言，很難形成連貫的、動(dòng)態(tài)的思維。

我們課題組借助于教學(xué)改革項(xiàng)目和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)在教學(xué)中的作用，同時(shí)配合案例式、啟發(fā)式、自學(xué)輔導(dǎo)式教學(xué)法，采用Flash技術(shù)將文字、圖像、聲音和動(dòng)畫等集成在一起，產(chǎn)生了很好的、逼真的效果，使教學(xué)內(nèi)容更具有吸引力，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。通過VB仿真模擬工程案例有助于學(xué)生樹立工程意識；利用網(wǎng)絡(luò)答疑、課堂提問、學(xué)生討論等多種交流方式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1 利用多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)視頻等形式輔助教學(xué)

1.1 用Flash制作動(dòng)畫課件輔助課堂教學(xué)

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)設(shè)計(jì)可以根據(jù)教學(xué)的實(shí)際需要和效果，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行動(dòng)態(tài)的組織和修改，具有針對性，且具有很強(qiáng)的互動(dòng)性，這樣能充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)思維[1-2]。多媒體教學(xué)不僅靈活、直觀，也給教師提供了巨大的發(fā)揮和引導(dǎo)空間，特別是對于水污染控制工程這樣一門正在蓬勃發(fā)展中的科學(xué)技術(shù)課程，其內(nèi)容和技術(shù)水平不斷在發(fā)展和變化，只有用國內(nèi)外最新的科技成果不斷豐富和更新教學(xué)內(nèi)容, 才能從內(nèi)容深度和廣度上保證教學(xué)質(zhì)量。

從2005年開始，水污染控制工程課程組自主開發(fā)了多媒體教學(xué)課件，將多媒體教學(xué)手段與傳統(tǒng)的板書教學(xué)相融合，注意發(fā)揮多媒體手段信息量大、形象、直觀等優(yōu)勢，同時(shí)保留板書教學(xué)邏輯嚴(yán)密、交互性強(qiáng)等優(yōu)勢，在本課程的教學(xué)中得到了廣大學(xué)生的好評；在傳統(tǒng)課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合多媒體教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、習(xí)題課與課堂討論，以多種教學(xué)方式從不同側(cè)面對水污染控制的物理機(jī)理及本質(zhì)進(jìn)行展示，加深了學(xué)生的理解和認(rèn)識。

用Flash[3-4]動(dòng)畫演示可以解決課程教學(xué)中的難點(diǎn)，課件中的一些動(dòng)畫制作使水處理設(shè)備復(fù)雜的運(yùn)行狀態(tài)變得生動(dòng)、易懂，直觀地表現(xiàn)了設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、填料與水與空氣的接觸狀況，化解了課程的難點(diǎn)，例如圖1的曝氣生物濾池的運(yùn)行和反沖洗過程。視頻中將難解的裝置結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在屏幕上，活潑的形式，鮮艷的色彩，動(dòng)態(tài)的畫面都將刺激學(xué)生的思維，加上配合畫面的講解，加深了學(xué)生的理解與記憶，從而收到良好的教學(xué)效果，例如圖2回轉(zhuǎn)式格柵的運(yùn)行。

圖1 曝氣生物濾池的運(yùn)行

圖2 回轉(zhuǎn)式格柵的運(yùn)行

1.2 利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

任課教師已全面使用了學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺,學(xué)生通過該平臺上的教學(xué)講義可下載教師課件，在答疑討論、課程作業(yè)和課程問卷等欄目上可進(jìn)行師生間的交流，隨時(shí)獲得教師的指導(dǎo)。水污染控制工程教案、課件、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書、教學(xué)大綱、習(xí)題庫、參考文獻(xiàn)等都可以上網(wǎng)開放，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享。

為便于學(xué)生更好地掌握該課程的主要內(nèi)容，采用了課堂授課與課后作業(yè)相結(jié)合的方式，并在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中增加了典型例題及解題方法、重點(diǎn)難點(diǎn)指導(dǎo)、名詞概念解釋等內(nèi)容，增加部分有自動(dòng)評分能力的自測題便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。 同時(shí)將實(shí)驗(yàn)儀器的使用注意事項(xiàng)、混凝實(shí)驗(yàn)效果主要操作制成視頻資料，納入學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中便于學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)和提高實(shí)驗(yàn)正確率。

1.3 利用Visual Basic 開發(fā)仿真模擬實(shí)驗(yàn)，輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)

水污染控制工程實(shí)驗(yàn)是水污染控制工程課程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，具有較高的綜合性和復(fù)雜性，原理不易搞清，開設(shè)實(shí)驗(yàn)難度較大，一直以來是課程教學(xué)環(huán)節(jié)的一個(gè)“難教”又“難學(xué)”的環(huán)節(jié)[5-7]。為了解決這一問題，我們基于小型綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以Visual Basic 6.0為開發(fā)平臺,仿真模擬了廢水三級處理工藝，動(dòng)態(tài)顯示不同濾料、混凝劑、活性炭對污水濁度、色度以及重金屬離子去除效率的變化過程，不同處理工藝之間可以相互切換,如圖3所示。通過該模擬實(shí)驗(yàn)學(xué)生對完整的廢水治理工藝流程形成了清晰的思路，明確了水流方向和污泥流向，弄清了各處理構(gòu)筑物的先后順序和主要功能,彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室廢水三級處理裝置只能靜態(tài)觀摩缺少動(dòng)態(tài)過程的缺陷，提高了學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)改變實(shí)驗(yàn)條件達(dá)到不同實(shí)驗(yàn)效果，讓學(xué)生形象、直觀地看到設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、處理過程和最終效果，加深了知識點(diǎn)的記憶。

圖3 廢水三級處理工藝

2 采用啟發(fā)式教學(xué)提高學(xué)生的專業(yè)英語水平

2005年開始我們對部分學(xué)生實(shí)施了雙語教學(xué)。采用雙語教學(xué)的目的是使學(xué)生掌握專業(yè)英語，及時(shí)跟蹤水污染控制工程的國際前沿動(dòng)態(tài)。在課堂教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生注意中英文語序的差別、科技英語的表達(dá)方式、英文構(gòu)詞法及前綴、后綴等在科技英語中的應(yīng)用，拓展了學(xué)生的專業(yè)詞匯；還采用對比講解水污染控制工程英語教材與中文教材中的區(qū)別，引導(dǎo)學(xué)生不僅提高了英文閱讀能力，還使學(xué)生能有針對性地學(xué)習(xí)專業(yè)知識；另外利用Flash制作了一系列中英雙語動(dòng)態(tài)教學(xué)軟件，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生對不同水質(zhì)的水處理工藝有全面、系統(tǒng)的認(rèn)識。具體有：廢水三級處理工藝流程；曝氣生物濾池的內(nèi)部構(gòu)造、填料選材和內(nèi)部微生物的種類特點(diǎn)；污水預(yù)處理中回轉(zhuǎn)式隔柵的結(jié)構(gòu)；污水物理處理方法中矩形氣浮池的運(yùn)行和全溶氣氣浮工藝流程(見圖4和圖5)；污水傳統(tǒng)活性污泥法中三段生物脫氮工藝流程；射流式水力沖擊式空氣擴(kuò)散裝置內(nèi)部構(gòu)造；污水生物膜法處理中生物轉(zhuǎn)盤工藝流程；水下空氣擴(kuò)散裝置內(nèi)部構(gòu)造；氧化渠的典型布置方式。

以往教師講解各種物理或生物法的凈水機(jī)理時(shí), 因?yàn)闀现挥泻诎椎钠矫鎴D，學(xué)生對水的流向、泥流的方向以及設(shè)備的構(gòu)造不太了解, 通過觀看本課題組開發(fā)的雙語Flash動(dòng)畫，中英文可以相互切換，很快解決了這一難題, 學(xué)習(xí)效率也得到了提高，同時(shí)直觀地對比了不同處理構(gòu)筑物的中英文表達(dá)，便于掌握英語關(guān)鍵詞，提高專業(yè)英語水平。

圖4 全溶氣氣浮工藝流程

圖5 矩形氣浮池的運(yùn)行

3 采用案例教學(xué)法增強(qiáng)學(xué)生的工程意識

案例教學(xué)法是一種對培養(yǎng)學(xué)生能力和提高學(xué)生素質(zhì)行之有效的教學(xué)方法[8-9]，將案例教學(xué)法引入到教學(xué)中，激發(fā)了學(xué)生興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力以及從事科學(xué)研究的能力[10-11]。

3.1 利用VB 開發(fā)工程設(shè)計(jì)案例

無論中文教材還是英文教材對于成熟技術(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算公式講解都比較多，學(xué)生容易學(xué),但是對于某些發(fā)展很快的新技術(shù),例如膜生物反應(yīng)器處理生活污水的講解就很少，學(xué)生不知道如何進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，我們課題組通過多方查閱資料，收集數(shù)據(jù)，采用Windows XP為開發(fā)平臺，以 Visual Basic 6.0[12]為設(shè)計(jì)語言工具編制了設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，增加了設(shè)計(jì)計(jì)算案例，為課程設(shè)計(jì)提供了參考。仿真計(jì)算軟件以可執(zhí)行軟件的形式出現(xiàn)，完全脫離 Visual Basic 的開發(fā)環(huán)境，在 Windows 環(huán)境中獨(dú)立運(yùn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入計(jì)算軟件的主控界面，顯示的是某中水廠的照片。軟件可對生活污水使用膜生物反應(yīng)器進(jìn)行污水生物處理部分進(jìn)行計(jì)算，通過給定的參數(shù)，軟件自行運(yùn)算出厭氧池容積、A/O池容積、膜池的尺寸等參數(shù)，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

3.2 利用VB 開發(fā)新工藝仿真模擬案例

對工程中已采用的新技術(shù)而教學(xué)硬件設(shè)施不具備的設(shè)備采取“硬件不足軟件補(bǔ)”的方式,利用VB開發(fā)工具制作新技術(shù)設(shè)備,例如膜生物反應(yīng)器處理生活污水的仿真模擬案例。我校二校區(qū)采用的膜生物反應(yīng)器處理生活污水系統(tǒng)的工藝流程為：污水→沉砂池→調(diào)節(jié)池→厭氧池→膜池→中水池→用戶。

該工藝可有效降解生活廢水中的氨氮和有機(jī)物，缺氧段和活性污泥回流系統(tǒng)可提高氨氮硝化效果。通過控制溶解氧，使氨氮在好氧段發(fā)生亞硝化反應(yīng)；通過污泥回流，使亞硝酸鹽在缺氧段發(fā)生反硝化反應(yīng)，產(chǎn)生氮?dú)獠⑾牟糠钟袡C(jī)污染物，實(shí)現(xiàn)脫氮功能。在好氧剩余氨氮和亞硝酸鹽氮進(jìn)行硝化反應(yīng)，膜過濾系統(tǒng)放在好氧段后，確保出水氨氮和亞硝酸鹽氮達(dá)標(biāo)，同時(shí)可使剩余有機(jī)物降解成二氧化碳和水。膜的高效截留作用使污泥濃度達(dá)到較高水平，增加去除氨氮和有機(jī)物的效果，提高產(chǎn)水水質(zhì)。

由于采用了膜組件來實(shí)現(xiàn)泥水分離，膜生物反應(yīng)器中的水力停留時(shí)間(HRT)和污泥停留時(shí)間(SRT)不再相互影響，生物反應(yīng)器中的污泥濃度可以大大高于傳統(tǒng)活性污泥處理工藝，因此可以得到更好的COD、BOD去除率，并且還有以下幾大優(yōu)點(diǎn)[13-14]:占地面積小，徹底去除出水中的固體物質(zhì)，出水無需消毒，COD、固體和營養(yǎng)物可以在一個(gè)單元內(nèi)被去除，高負(fù)荷率，低污泥產(chǎn)率(或零污泥產(chǎn)率)，系統(tǒng)不受污泥膨脹的影響等。但是學(xué)生對該技術(shù)形不成完整、清晰的認(rèn)識，搞不清楚膜池與傳統(tǒng)的A/O池的關(guān)系，即便是到現(xiàn)場參觀也只能看到設(shè)備的表面運(yùn)行，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)備相互關(guān)系弄不懂。因此我們課題組以Visual Basic 6.0為主要設(shè)計(jì)工具開發(fā)了仿真界面，其中包括：二校中水站俯視流程圖、主視流程圖(見圖6)、二校中水站原理設(shè)計(jì)圖(見圖7)、4月份運(yùn)行原理圖、5月份運(yùn)行原理圖。并且各個(gè)界面能夠互相轉(zhuǎn)換觀察，實(shí)現(xiàn)了軟件的啟停操作以及參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示的功能。

仿真界面包括曝氣、停氣、顯示數(shù)據(jù)、隱藏?cái)?shù)據(jù)等4個(gè)按鈕。單擊“曝氣”按鈕，界面內(nèi)會有氣泡上下浮動(dòng)以實(shí)現(xiàn)曝氣的仿真；單擊“停氣”按鈕，氣泡消失可實(shí)現(xiàn)停氣功能，還實(shí)現(xiàn)了出水水質(zhì)在線監(jiān)測的模擬，使學(xué)生能夠?qū)Τ鏊|(zhì)有一個(gè)比較直觀的了解；單擊“數(shù)據(jù)顯示”按鈕，界面內(nèi)會出現(xiàn)相應(yīng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)；單擊“隱藏?cái)?shù)據(jù)”則數(shù)據(jù)消失。最終的仿真軟件以可安裝的應(yīng)用軟件的形式出現(xiàn)，可以完全脫離VB的開發(fā)環(huán)境，在Windows操作系統(tǒng)下獨(dú)立運(yùn)行，并且達(dá)到了界面友好，方便使用，既能用于仿真實(shí)驗(yàn)，又能進(jìn)行仿真運(yùn)行培訓(xùn)的目的。

圖6 二校中水站主視流程圖

圖7 二校中水站原理圖

4 結(jié)束語

用Flash 和VB 開發(fā)的動(dòng)態(tài)多媒體教學(xué)課件用于課堂教學(xué)時(shí)，增強(qiáng)了所授知識的直觀性，使學(xué)生增強(qiáng)了感性知識，特別是解決了水處理構(gòu)筑物及相關(guān)設(shè)備難想象、難理解的問題，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

采用理論與實(shí)踐結(jié)合的多維教學(xué)模式，融入了自學(xué)輔導(dǎo)、案例教學(xué)、啟發(fā)教學(xué)以及多媒體式教學(xué)等研究性教學(xué)模式。從教學(xué)效果看，該模式充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)扎實(shí)、能獨(dú)立思考、具備良好的工程素養(yǎng)和科研素養(yǎng)高素質(zhì)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，該教學(xué)模式獲得2012年華北電力大學(xué)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。

[1] 王晶琳，焦瑋.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2003,20(1):58-61.

[2] 羅樂，朱曉翔，尹錫榮，等.CAI在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2002,19(2):37-38.

[3] 王暉，王紅磊，楊平.Flash技術(shù)在水污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].四川環(huán)境，2007,26(6):116-118.

[4] 李勇.Flash動(dòng)畫在《水污染控制工程》概念教學(xué)中的應(yīng)用[J].時(shí)代教育，2012(6):128-129.

[5] 郭昌梓，孫根行.《水污染控制工程實(shí)驗(yàn)》教學(xué)改革的探討[J] .實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008,6(2):98-100.

[6] 唐海，魏翔.水污染控制工程綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索[J].黃山學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,11(3):130-132.

[7] 劉詠，鄒文慧，廖洋.“水污染控制工程實(shí)驗(yàn)”教學(xué)與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].廣州化工，2012,40(1):130-132.

[8] 曾令初，孫連鵬，張?jiān)倮?環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008,27(3):89-92.

[9] 蔣艷紅，蒙冕武，鄧華.案例教學(xué)法在“環(huán)境工程學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國電力教育，2009(12):64-65.

[10] 朱濤，馬恒，劉強(qiáng).專業(yè)技術(shù)課程案例教學(xué)方法研究[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2010(1):91-93.

[11] 林健.面向“卓越工程師”培養(yǎng)的研究性學(xué)習(xí)[J].高等工程教育研究，2011(6):5-15.

[12] 李春葆，劉圣才，張植民.Visual Basic程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[13] 王燕.A/O膜生物反應(yīng)器處理生活污水試驗(yàn)研究[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2009,35(2):48-51.

[14] 黃韜.膜生物反應(yīng)器在廢水處理中的應(yīng)用[J].廣西輕業(yè)，2010(12)：107-108.