水體COD 檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

宋 宇 楊清海 曲貴偉

（遼東學(xué)院，遼寧 丹東 118003）

1 水體COD 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)背景

當(dāng)前，土木工程課程設(shè)置中設(shè)置了“環(huán)境保護(hù)概論”、“環(huán)境健康”等課程，對(duì)學(xué)生進(jìn)行環(huán)境知識(shí)教育。因此在實(shí)訓(xùn)課中依然保留水體COD 檢測(cè)這一經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，但鑒于土木工程專業(yè)的學(xué)生化學(xué)基礎(chǔ)薄弱，實(shí)驗(yàn)技能較差，操作該實(shí)驗(yàn)增加諸多危險(xiǎn)，因此利用現(xiàn)代高科技手段，對(duì)其進(jìn)行虛擬仿真設(shè)計(jì)是非常必要的。既能讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容和技能又避免了危險(xiǎn)。

2 水體COD 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)

2.1 節(jié)水、環(huán)保及安全的特點(diǎn)

所謂化學(xué)需氧量（COD），是在一定的條件下，采用一定的強(qiáng)氧化劑處理水樣時(shí)所消耗的氧化劑量。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是需要電加熱及冷凝水裝置，加熱及流動(dòng)水時(shí)長2 個(gè)小時(shí)，同時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)用的都是濃硫酸，若錐形瓶爆裂則會(huì)傷人，因此有一定危險(xiǎn)性。水體COD 檢測(cè)虛擬仿真項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)可達(dá)到節(jié)水節(jié)電且安全的目的。

2.2 可自主化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)并無限次重復(fù)實(shí)驗(yàn)

水體COD 檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念開發(fā)設(shè)計(jì)，可體現(xiàn)較好的互動(dòng)性。在線實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生可根據(jù)系統(tǒng)的提示和對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的理解及掌握情況自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)并完成實(shí)驗(yàn)，通過自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分析原因并找到改進(jìn)措施，可提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的積極性，有助于發(fā)揮潛能。同時(shí)，學(xué)生可通過系統(tǒng)中的交互窗口，隨時(shí)與教師就實(shí)驗(yàn)中存在的問題進(jìn)行交流。此外，水體COD 檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可基于電腦端和手機(jī)移動(dòng)端設(shè)計(jì)，學(xué)生不受時(shí)間和地點(diǎn)限制進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并可以無限次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，有效節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模塊與功能

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過動(dòng)畫技術(shù)、3D 仿真等技術(shù)，應(yīng)用Photoshop、3Dmax、Flash 及 Adobe After Effects 等開發(fā)工具，再現(xiàn)水體COD 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的全過程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)的功能模塊框架如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)的基本框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可根據(jù)功能和角色分成三個(gè)功能區(qū)即管理功能區(qū)、教師功能區(qū)和學(xué)生功能區(qū)。在管理功能區(qū)，管理員可以對(duì)平臺(tái)用戶的權(quán)限、數(shù)據(jù)和安全等提供基本管理服務(wù)以保證平臺(tái)有序安全運(yùn)行。在教師功能區(qū)，教師可以通過學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)驗(yàn)全程的記錄，對(duì)學(xué)生水體COD 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的掌握情況進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績進(jìn)行綜合評(píng)定。在學(xué)生功能區(qū)，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)預(yù)習(xí)、操作練習(xí)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課后測(cè)試等不同環(huán)節(jié)以全面掌握虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)。

圖1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)功能模塊框架

4 實(shí)驗(yàn)原理、方法與步驟

水體傳統(tǒng)COD 檢測(cè)方法是重鉻酸鹽法，該方法氧化率高，再現(xiàn)性好，準(zhǔn)確可靠，成為國際社會(huì)普遍公認(rèn)的經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)方法。其測(cè)定原理為：在硫酸酸性介質(zhì)中，以重鉻酸鉀為氧化劑，硫酸銀為催化劑，硫酸汞為氯離子的掩蔽劑，加熱使消解反應(yīng)液沸騰，以水冷卻回流加熱反應(yīng)2h，消解液自然冷卻后，加水稀釋至約140ml，以試亞鐵靈為指示劑，以硫酸亞鐵銨溶液滴定剩余的重鉻酸鉀，根據(jù)硫酸亞鐵銨溶液的消耗量計(jì)算水樣的COD 值。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)習(xí)的主體—學(xué)生能否利用好虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是完成整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。學(xué)生可以按照?qǐng)D2 所示，通過電腦和手機(jī)登錄實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目平臺(tái)，在熟悉實(shí)驗(yàn)背景、目的和原理的基礎(chǔ)上完成課前測(cè)試并開展水體COD 檢測(cè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

圖2 水體COD 檢測(cè)仿真實(shí)驗(yàn)流程

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的成效

5.1 虛實(shí)結(jié)合，解決水體COD 檢測(cè)中費(fèi)水、費(fèi)電及安全性過低的弊端

現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室采用的系統(tǒng)是由恒溫電熱爐、錐形瓶、球形冷凝管、軟管及鐵架臺(tái)組成。軟管分進(jìn)水管和出水管，整個(gè)實(shí)驗(yàn)需長流水2 個(gè)小時(shí)，每組耗水約336 升，一個(gè)班4組，共4 個(gè)班，這個(gè)實(shí)驗(yàn)共耗水5376 升。但若停水則對(duì)實(shí)驗(yàn)造成一定影響。這個(gè)實(shí)驗(yàn)用的都是濃硫酸，若錐形瓶爆裂則會(huì)傷人，電熱爐只有恒溫功能沒有定時(shí)功能，因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長，全程需要人看護(hù)且有一定危險(xiǎn)性。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生能夠在線完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作，既掌握了實(shí)驗(yàn)原理又安全有效地完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。

5.2 利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有助于提升學(xué)生的積極性和挖掘創(chuàng)新能力

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，學(xué)生可配制藥品，完成滴定過程，計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，可無限次重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，并通過重新設(shè)計(jì)用量和反復(fù)操作，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，提升學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性。

5.3 利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有助于師生交流互動(dòng)

通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，老師可以通過平臺(tái)答疑解惑，增加師生的互動(dòng)交流，既提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的針對(duì)性和實(shí)效性，又可讓老師了解學(xué)生的疑難點(diǎn)，為課堂教學(xué)提供一定的參考。

6 結(jié)語

水體COD 檢測(cè)虛擬仿真平臺(tái)的建立，不僅消除了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的弊端，又可以激勵(lì)學(xué)生有效參與實(shí)踐教學(xué)，取得了良好的實(shí)踐效果。