仿真案例教学法在“废水处理工程”中的应用

王淑勤, 尹大琪, 苏金波

(华北电力大学 环境科学与工程学院, 河北 保定 071003)

仿真案例教学法在“废水处理工程”中的应用

王淑勤, 尹大琪, 苏金波

(华北电力大学 环境科学与工程学院, 河北 保定 071003)

针对“废水处理工程”课程教学实践性强、流程复杂、设备抽象的特点,采用案例式、启发式教学法,并充分发挥计算机仿真在教学中的作用,使设备结构和运行流程真实展现,让教学内容更具有吸引力,同时引导和启发学生对不同水质的废水处理工艺有全面、系统的认识,树立工程意识,提高分析问题能力。几年来的教学实践表明,这种教学模式不仅适用于提高不同专业背景研究生学习的效率,还有助于加强专业学位研究生综合素质的锻炼。

废水处理工程； 工程案例； 仿真模拟

全日制工程硕士课程教学既要学生掌握工程领域坚实的理论基础和宽广的专业知识,更要学生掌握解决工程实际问题先进的技术方法、现代化的技术手段及灵活的工程管理方法。因此专业课设置兼顾学科和行业需求,注重理论联系实际,充分反映工程前沿,突出实践能力和职业素质的培养。课程教学以实际工程应用为导向,以未来工程人才需具备的综合素养为目标,以激发学生创新能力为核心[1-2]。

在我校研究生培养方案中,“废水处理工程”作为环境工程专业的重要学位课程已经开设了15年,但是近几年来环境工程专业硕士招收专业范围涉及多个相近学科,例如环境科学、资源与环境、应用化学、材料化学、建筑给排水、能源化工、生物工程、林业工程等,学生之间本科专业差别大、基础知识参差不齐,有些学生本科阶段从来没有接触过水污染控制、废水处理工程方面的知识,直接学习研究生教材中的理论性知识难度较大,教学效果不佳。为此在专业硕士课程“废水处理工程”中进行大胆改革,积极尝试多元化教学[3],采用案例式、启发式教学模式,将废水处理的理论知识与工业应用实例相结合,使理论知识形象化,进而提高专业硕士的工程意识和综合素养。

1 设备案例在工程意识培养中的应用

研究生教学内容更侧重于知识的深度和专业化,在教学方式上更侧重于讨论性和研究性,在教学理念上更注重于研究意识、研究能力及创新意识及创新能力的逐步提升[4]。

案例教学法是教学研究与改革的重点,是一种具有启发性和实践性的教学方法[5]。通过课堂教学案例全面贯通知识点,实现从重视知识的传授、智力的培养向重视能力的培养转变,从以学习知识为主的知识目标向以学习方法为主的能力目标转变[6]。

“废水处理工程”是一门与工业生产紧密联系的、涉及多学科的技术科学课程,这门课程的讲授中要尽量突出工程性,注重对学生工程实践能力的培养。

例如：通过图1让学生观察设备的特点,结合粗格栅的作用是将进水中较大的悬浮物和漂浮物清除,分析应用条件下处理效率及系统阻力的变化；通过图2、表1生物反应池的作用和运行状况与设计参数的关系,可以直观地引导学生观察设备的特点、分析曝气池的池形与曝气方式的关系；通过图3、表2二沉池的作用和运行状况与设计参数的关系,引发学生重视实际设备运行过程中参数变化对处理效率的影响,从而提高学生的分析判断能力,增强工程意识[7]。

图1 回转式粗格栅实例图

图2 生物反应池实例图

主要参数主要设备主要作用污泥负荷FW=0.25kgBOD5/(kgMLSS·d)混合液悬浮固体浓度/mg.L-1MLSS=2500污泥龄/dθ=5水力停留时间/hT=6.6低速水下搅拌器(16台)膜式曝气头(11088个)它是污水处理厂的心脏,通过活性污泥的新陈代谢,去除以溶解态或胶体态存在的污染物

图3 二次沉淀池实例图

主要参数主要设备主要作用沉淀池直径/mD=45有效水深/mH=4.6表面负荷/(m3m-2h-1)q=1.36停留时间/hT=2.9半桥中心传动单管吸泥机(4台)在相对静止的状态下,使从生物反应池进来的混合液发生泥水分离,污泥大部分回流到生物反应池,上清液排入下一个处理单元。

注：进出水形式为周边进水、周边出水。

2 废水处理工艺案例与工程意识培养

工程类研究生的培养往往缺乏与科技前沿的对接及现场解决实际问题专门化的训练[8]。研究生是创新人才培养的主体,学术基础、研究兴趣、思维特征等均是其能否自由创造、自主发展的重要因素。只有真正坚持以解决实际问题为导向,研究生创新能力的培养才有肥沃的土壤和可持续发展的潜力。教学从问题情境出发,激发学生的兴趣和热情,引导学生体会知识的形成与发展过程,加大对问题提出、问题背景、问题进展的讲解力度,培养学生的创新思维和创新能力[9]。

为此增加实际废水处理工艺案例,列举出常用废水处理工艺以及污水处理厂的常规流程,如图4、图5、图6所示,使学生对工业废水和城市污水处理有个总体印象。在单元处理工艺的基础上,将各单元工艺进行组合,构成工业废水和城市污水完整的处理工艺流程,使学生既了解基本原理,又体会到工程实践应用。案例教学[10]使学生将理论与实际结合到一起。

图4 蓝带啤酒厂污水处理工艺流程图

图5 FGD废水处理工艺流程图

图6 有机废水预处理工艺流程图

在教学过程中,注重将结构、功能、性质等相似的事物或流程进行比较,使学生发现其中的特点和差异,找出相同点和不同点,以此来提升学生分析问题、表达问题的能力[11]。例如要求学生结合参考文献进行分析,归纳出不同废水的水质特点和主要处理工艺的优缺点,帮助学生消化教学内容、培养学生灵活运用所学知识解决实际问题的能力。

3 仿真模拟案例在工程意识培养中的应用

结合主讲教师的科研项目和实验结果分析工程案例,剖析技术关键和设计难点,做到以科研促教学,激发学生学习的积极性、参与性、主动性,提高学生应用知识、运用理论的能力。将长期连续的分析检测结果利用仿真技术全面模拟,体现了理论联系实际,有助于学生在较短的时间内树立直观、清晰的工程意识[12]。

计算机辅助教学可以根据教学的实际需要和效果,对教学内容进行动态的组织和修改,使其具有针对性和互动性,这样能充分发挥学生主动思考的积极性,使教与学更好地结合。

计算机仿真作为对实际生产过程的等效描述,以其独有的技术和效果为学生提供了一个良好的多渠道学习机会及训练创造性思维的氛围[13-14],使他们在模拟的生产过程环境中,通过对各个开关、阀门、设备的操作,通过对工艺参数进行全面的控制和调节、通过由于操作不当而引发的各种事故现象,体验到工业废水和城市污水处理系统的多变性和复杂性,从而形成深刻的感性认识,加深对知识的理性认识。计算机仿真既能补充在实际操作中难以完成的实验教学内容,又能降低废水处理工程实验的运行、维护成本,同时也能让环境工程专业的研究生更好地了解废水处理工程实验内部的反应机理和工艺过程[15]。

为此用Visual Basic 6.0为开发平台配合FLASH 模拟了海水淡化工艺流程、电厂锅炉补给水处理工艺流程(见图7),连续床吸附工艺流程见图8。通过这些模拟图,可以动态显示变化过程,让学生形象、直观地看到设备运行过程和最终效果,对处理工艺流程形成清晰的思路,加深对知识点的认识,增加学习趣味性,提高学习效果。

图7 电厂补给水处理工艺流程图

图8 吸附工艺流程图

还利用VB开发工具制作新技术,例如膜生物反应器处理生活污水的仿真实验软件。该工艺可有效降解生活废水中的氨氮和有机物,在缺氧段和活性污泥回流系统氨氮硝化效果得到提高；可通过控制溶解氧,使氨氮在好氧段发生亚硝化反应；可通过污泥回流,使亚硝酸盐在缺氧段发生反硝化反应,产生氮气并消耗部分有机污染物,实现脱氮功能。膜的高效截留作用使污泥浓度达到较高水平,增加去除氨氮和有机物的效果,提高产水水质。由于采用了膜组件来实现泥水分离,膜生物反应器中的水力停留时间和污泥停留时间不再相互影响,生物反应器中的污泥浓度远高于传统活性污泥处理工艺,因此可以得到更高的去除率。

但是学生对该技术认识模糊,较难区分膜池与传统的A/O池,即便是到现场参观也只能看到设备的表面运行,对内部结构和设备相互关系认识不到。因此课题组以Visual Basic 6.0为主要设计工具开发了二校区中水站的仿真界面,见图9。图中的红色箭头表示污水的流向：经提升泵房(沉砂池)、调节池、厌氧池、膜池进入中水池。经过处理后的污水经中水供水管线送至用户。

图9 二校区中水站流程图(俯视图)

学生在仿真系统上可以沿着物料流动的方向了解污水处理的基本过程,与现实中各单元操作有机地结合起来,强化学生对水处理过程整体性的认识。学生还可以通过熟悉各工序的动态流程,加深对所学过的有关处理原理在实际中应用的认识和理解,并对影响处理效果的各种因素及优化措施有进一步的认识,通过对比操作在认识上实现质的飞跃[16]。

4 结语

计算机仿真系统充分利用了计算机技术,具有图、文、声、形并茂,集视、听、动手于一体的独特优点,通过模拟真实的废水处理过程,使学生直观感觉课程的生动有趣,激发起学习兴趣,处于良好、积极主动的学习状态[17]。通过案例教学有利于学生对课程理论、工程技术和设计知识的理解和掌握,强化工程意识和工程能力的培养,提高解决实际工程问题的能力。

References)

[1] Clements M D,Cord B A.Assessment guiding learning: developing graduate qualities in an experiential learning programme [J].Assessment & Evaluation in Higher Education,2013,38(1):114-124.

[2] Peeva K.Theoretical aspects of the assessment of quality in higher education [J]. Trakia Journal of Sciences,2010 (8):429-437.

[3] Boden D,Borrego M,Lynita K. Newswander. Student socialization in interdisciplinary doctoral education [J]. Higher Education,2011,62(6):741-755.

[4] 王刚,崔一梅,陈建成.新形势下我国硕士研究生培养模式探讨[J].科技与管理,2008(4):112-115.

[5] 蒋艳红,蒙冕武,邓华.案例教学法在《环境工程学》教学中的应用研究[J].中国电力教育,2009(23)：64-65.

[6] 廖和平,高文华,王克喜.高校研究生创新能力培养的审视与思考[J].学位与研究生教育,2011(9)；33-37.

[7] 张志敏,黄书恒.高浓度印染废水处理工程案例研究[J].城市环境与城市生态,2014,27(4):14-16.

[8] 季卫兵.高校研究生创新能力培养的价值误区及其重塑[J].黑龙江高教研究,2015(1):154-157.

[9] 于诗慧.关于研究生教育教学改革的思考[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2015(11):54-55.

[10] 幸宏伟.环境工程研究生教育中项目:案例教学法的应用[J].广州化工,2013,41(11):256-258.

[11] 肖顺华,刘峥 ,杨建文.关于提高专业硕士研究生培养质量的思考:基于实践能力、创新能力培养的视角[J].高等教育研究,2012,29(3):60-64.

[12] 文冠华,姜文忠,陈宏量.抓好专业实践环节,确保全日制专业学位研究生培养质量[J].学位与研究生教育,2010(8):1-4.

[13] 许宁,朱延美,何志勇.仿真技术在水处理实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2005,24(11):87-89.

[14] Frezzo D C,Behrens J T,Mislevy R J.Design Patterns for Learning and Assessment: Facilitating the Introduction of a Complex Simulation-Based Learning Environment into a Community of Instructors[J].Journal of Science Education Technology,2010,19(2):105-114.

[15] 刘凤莲,祁士华.我校环境工程领域全日制专业学位研究生培养模式探索[J].科技创新导报,2013(23):4-5.

[16] 李彦文,莫测辉,李红,等.环境工程专业硕士实践能力培养探究[J].实验室研究与探索,2013,16(5):144-147.

[17] 王淑勤,李超,赵学娟.计算机技术在水污染控制工程教学中的应用[J].实验技术与管理,2014,31(3):105-108.

Application of simulation case teaching method in Wastewater Treatment Engineering course

Wang Shuqin, Yin Daqi, Su Jinbo

(School of Environmental Science and Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Aiming at the characteristics of the strong teaching practice,the complicated process and equipment abstraction in Wastewater Treatment Engineering course,the case teaching method and heuristic teaching method are adopted,and the role of computer simulation in teaching is brought into full play. The methods can show the real equipment structure and operational process,and make the teaching content more attractive. At the same time,the students are guided and inspired to acquire a comprehensive and systematic understanding of the wastewater treatment process of different water qualities,set up the engineering consciousness and improve their ability of analyzing problems. The teaching practice over the past few years shows that this teaching mode is applicable not only to improve the efficiency of graduate study under different professional backgrounds,but also to strengthen the training of comprehensive quality of professional degree graduates.

wastewater treatment engineering； engineering case； analogue simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.044

2017-01-05

2017-03-09

工程教指委课题(2016-zx-088)；河北省教改项目(2016GJJG367)

王淑勤(1965—),女,河北定州,博士,教授,主要从事大气和水污染治理技术方面的研究.

E-mail：wsqhg@163.com

G642.0

B

1002-4956(2017)07-0169-05