虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在《固體廢棄物處理與處置》實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用探索

高春梅　冀世鋒　邢云青　儲(chǔ)鳴

摘要：在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，提高學(xué)生對(duì)于專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知和實(shí)際應(yīng)用能力勢(shì)在必行。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入到固體廢棄物處理與處置實(shí)驗(yàn)中，不僅可以加深學(xué)生對(duì)于專業(yè)知識(shí)的理解和掌握，還可以提高學(xué)生的實(shí)際操作能力和動(dòng)手能力，并提出將理論教學(xué)、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法來評(píng)價(jià)整個(gè)課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；固體廢棄物處理與處置；應(yīng)用；教學(xué)效果

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）26-0274-02

近年來，為了提高我國高等院校工科專業(yè)學(xué)生的質(zhì)量和綜合能力，國家相關(guān)部門開展了關(guān)于工科專業(yè)的教育體系認(rèn)證。此工程教育專業(yè)認(rèn)證是指由相應(yīng)專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)針對(duì)高等院校等教育機(jī)構(gòu)開設(shè)的工程類專業(yè)教育實(shí)施的專門性認(rèn)證，由教育部相關(guān)專門職業(yè)或行業(yè)協(xié)會(huì)（聯(lián)合會(huì)）、專業(yè)學(xué)會(huì)同該領(lǐng)域的專家學(xué)者和相關(guān)行業(yè)企業(yè)專家一起進(jìn)行，旨在為相關(guān)工程技術(shù)人才進(jìn)入工業(yè)界從業(yè)提供預(yù)備教育質(zhì)量保證。工程教育專業(yè)認(rèn)證是緊跟國際步伐，確保國內(nèi)工程教育質(zhì)量的保障制度，也是實(shí)現(xiàn)我國國內(nèi)工程教育及工程師資格與國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。

一、現(xiàn)有《固體廢棄物處理與處置》課程實(shí)驗(yàn)存在的問題

近年來，隨著固體廢棄物污染日益嚴(yán)重，對(duì)于固體廢物處理、處置和資源化技術(shù)也不斷提高，而課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)嚴(yán)重滯后，同時(shí)《固體廢棄物處理與處置》也是一門社會(huì)性和工程實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，很多高校對(duì)《固體廢物處理與處置》課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置和實(shí)施環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)不夠全面、完整，沒有系統(tǒng)性。上海海洋大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)雖然建有環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室（臨時(shí)性），但相關(guān)配置還比較欠缺，只是有一些滿足水污染、固體廢物處理與處置等小型實(shí)驗(yàn)的相關(guān)裝備，同時(shí)受場地和時(shí)間限制，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（包括大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目）也只能在小型實(shí)驗(yàn)裝置或設(shè)備上操作。有的實(shí)驗(yàn)沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，技術(shù)人員就自行研發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2.學(xué)生實(shí)際動(dòng)手機(jī)會(huì)極少。對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操作對(duì)于學(xué)生了解和掌握固體廢棄物處理與處置過程中的問題具有很好的促進(jìn)效果，學(xué)生可以親自觀察設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造，了解工作原理。如果在實(shí)習(xí)過程中碰巧遇到設(shè)備故障進(jìn)行維修，學(xué)生就可以利用已有知識(shí)進(jìn)行分析解決，對(duì)于學(xué)生綜合能力的提高具有十分重要的作用。而在實(shí)際的實(shí)習(xí)過程中，實(shí)習(xí)單位為了保障學(xué)生人身安全和生產(chǎn)安全，同時(shí)不打擾他們的工作進(jìn)度和效率，基本委派給學(xué)生的都是實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)常規(guī)操作（如取樣、配液及一些文本工作），很難讓學(xué)生學(xué)到上述知識(shí)。因此，實(shí)習(xí)的結(jié)果多停留實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測，以及對(duì)理論知識(shí)的掌握和熟悉，難以全面達(dá)到預(yù)期實(shí)習(xí)的目的。

3.一些實(shí)驗(yàn)難以在實(shí)驗(yàn)室操作。固體廢棄物產(chǎn)量大，其處理技術(shù)要求也越來越高，目前其生化處理、熱處理、土地處理等方法在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)難以動(dòng)手操作，使得學(xué)生只能理論理解其處理原理及過程，不能親自參與到其處理過程中，對(duì)于環(huán)境工程專業(yè)的學(xué)生來說是個(gè)遺憾。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在《固體廢棄物處理與處置》實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用探究

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是近年來新興的一種教學(xué)模式，既是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的補(bǔ)充，更是一種教學(xué)模式的變革[5]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建虛擬的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境及實(shí)驗(yàn)的對(duì)象，使學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，并得到操作結(jié)果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、多媒體教學(xué)、數(shù)據(jù)庫結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不能達(dá)到或難以實(shí)現(xiàn)的教學(xué)效果。

1.固體廢棄物處理與處置實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的虛擬仿真。在實(shí)驗(yàn)室難以開展的相關(guān)固體廢棄物處理與處置的實(shí)驗(yàn)主要有固體廢棄物的生化處理（堆肥，硝化）、熱處理（焚燒）、土地處理（填埋）等，而且在實(shí)習(xí)過程中基本也不能到現(xiàn)場觀看，所以學(xué)生對(duì)于知識(shí)的理解和掌握有很大的欠缺。根據(jù)課程內(nèi)容介紹，可以分為不同實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)針對(duì)原料性質(zhì)、工藝條件、設(shè)備性能、三廢處理等幾個(gè)方面進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將不同性質(zhì)和成分的固體廢棄物輸入到模塊中，了解其物理、生化等性質(zhì)，分析其最優(yōu)處理方式，并通過改變模塊中條件的變化了解處理技術(shù)產(chǎn)生的差異，同時(shí)也可以通過電腦屏幕直觀地看到設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)行及原料在設(shè)備內(nèi)部的處理過程，不僅可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的理解，同時(shí)也可以加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握。

2.固體處理與處置實(shí)驗(yàn)操作的虛擬仿真。固體廢棄物處理與處置實(shí)驗(yàn)以固體廢棄物為處理對(duì)象，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括固體廢棄物形態(tài)及成分觀察、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)及綜合性實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在這些試驗(yàn)中的應(yīng)用可以分為三個(gè)模塊進(jìn)行：第一模塊從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備開始，依次將里面的一些實(shí)驗(yàn)操作做成虛擬演示實(shí)驗(yàn)。這部分實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)、操作事宜等，確保安全。第二模塊將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與固體廢棄物形態(tài)及成分的觀察結(jié)合起來制成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)的各個(gè)操作關(guān)鍵點(diǎn)等也設(shè)計(jì)成不同的模塊，學(xué)生在虛擬操作中通過選擇不同模塊來完成實(shí)驗(yàn)的虛擬操作。形態(tài)及成分的觀察作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用圖像的方式呈現(xiàn)，作為學(xué)生選擇相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。第三模塊設(shè)置學(xué)生課前自學(xué)模塊，讓學(xué)生對(duì)將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作有充分的了解，這樣可以提高學(xué)生實(shí)際操作的成功率；對(duì)最終結(jié)果跟預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)果有出入的，可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論，分析在實(shí)驗(yàn)過程中的相關(guān)影響因素，在討論過程中不僅可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，同時(shí)也可以對(duì)虛擬設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行優(yōu)化。

3.教學(xué)效果評(píng)估。教學(xué)效果的評(píng)估指標(biāo)主要看理論教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)（包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)）教學(xué)效果。教學(xué)效果的評(píng)定可分為課堂理論學(xué)習(xí)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，一方面注重學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的掌握，一方面了解學(xué)生對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的操作和分析，設(shè)計(jì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。整個(gè)教學(xué)效果的評(píng)估根據(jù)理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性和完成度來進(jìn)行綜合評(píng)判。

三、結(jié)語與展望

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為一種新型的教學(xué)手段和方法已經(jīng)運(yùn)用于很多專業(yè)的教學(xué)之中[7，8]。在《固體廢棄物處理與處置》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中逐步開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，建立相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，是積極響應(yīng)國家關(guān)于提高工程技術(shù)人員實(shí)際應(yīng)用能力的要求[1，9]，也是固體廢棄物處理與處置課程本身發(fā)展的要求。同時(shí)，未來如果能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加入VR技術(shù)，將會(huì)讓學(xué)生能夠更加近距離地親身體驗(yàn)處理過程中的動(dòng)態(tài)模擬。

參考文獻(xiàn)：

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