陈婷 殷峻

[摘 要] 作为工程教育认证标准中12条毕业要求之一，工程设计能力是目前工程创新人才培养的重点和薄弱环节。为打破重复模仿的设计能力传统培养方式，本文利用Unity3D、Visual Studio、拓扑网络分析等仿真系统开发技术，基于我国餐厨垃圾资源化利用的实践成果，融合“开放—互动—智慧”理念，开发了集平面布置、工艺设计、设备调试为一体的浸入式餐厨垃圾厌氧发酵虚拟仿真实验系统。该系统不仅可以提高实验的安全系数，自主式和交互式的实训体验还可以激发学生的学习兴趣，提升教学效果，从而为工程应用型设计人才培养平台的搭建提供重要参考。

[关键词] 餐厨垃圾厌氧发酵;虚拟仿真;工程设计;实验教学

[基金项目] 2019年度浙江省高等教育“十三五”第二批教学改革研究项目“‘开放—互动—智慧型产教融合模式在一流新工科人才培养体系中的应用研究”（jg20190180）;2018年度浙江工商大学教学改革项目“虚拟仿真技术在‘固废处理处置实验教学中的应用”

[作者简介] 陈 婷（1985—），女，江西高安人，博士，浙江工商大学环境科学与工程学院副教授（通信作者），主要从事固废资源化利用与处理处置研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）22-0037-04   [收稿日期] 2020-12-15

近年来，随着工程教育认证、“卓越工程师培养计划”等的兴起，对本科教学实践的创新性和落地性要求不断提升[1，2]。根据工程教育认证的通用标准，针对复杂工程问题，能够“设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素”已经成为工程专业人才培养必须覆盖的毕业要求[3]。为此，工程设计能力成为衡量我国高等院校人才培养质量的重要准绳之一。如何提高学生的工程设计能力是当前教学改革的重点方向。

与传统理论教学不同，旨在培养工程设计能力的教学应侧重在以项目和任务目标为中心的工程实训上[4]。纯理论讲述会让学生失去代入感，而直接开展工程实训，学生又因缺少具体的工程实践认识，易产生疏离感。因此，虚拟仿真成为一个很好的工程设计教学实训工具[5-7]，能够在理论授讲和工程实践间找到平衡点，同时又能克服现场实践走马观花、难窥全貌等弊端。

为此，集合了学科群内多位具有丰富工程实践、管理培训、实验实习指导经验的教师与企业导师，以餐厨垃圾厌氧发酵工程为基础，结合工程设计的教学目标，对现有的发酵工艺单元设计和运营环节进行仿真提炼，同时利用Unity3D、Visual Studio、拓扑网络分析等开发技术[8，9]将设计实训重点和难点融入实际工程场景，以任务驱动模式设置了工程设计和仿真实操两大模块，形成从综合设计到运营管理的高仿真、高交互式和全程参与式的虚拟操作平台。这一教改实践不仅大大提升了实践场所的安全系数[ 10 ]，培养了学生的操作规范性和系统的全局观;而且使其对厌氧发酵工程有了更直观的认识，取得了良好的教学效果。为此，我们总结了该虚拟仿真实验开发和应用过程中的一些经验，以供同行参考。

一、以工程设计能力培养为导向的餐厨垃圾厌氧发酵实验要求

厌氧发酵是在厌氧条件下，采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能将垃圾中的有机物转化成清洁能源沼气的一种技术[ 11 ]，是固废资源化处理的主流技术之一。鉴于餐厨垃圾组分的复杂性和不确定性，垃圾的厌氧发酵工程需要配套完整的分选、调质等预处理技术以及后续沼液沼渣的二次污染控制工程[ 12 ]。因此，餐厨垃圾的厌氧发酵工程涵盖了固体废物常规的预处理、主处理及污染处置的全过程，是融合固体废物各种处理处置技术的良好媒介。

另一方面，近年来因泔水猪、地沟油等食品安全事故层出不穷，餐厨垃圾的回收备受关注，其与食品安全、人畜健康和环境污染密切相关[ 13 ]。而以清洁能源甲烷形式回收垃圾中的生物质符合我国节能环保和新能源两大新型战略性要求[ 11 ]。加之“光盘计划”“低碳生活”等理念的推进，餐厨垃圾已成为一个耳熟能详的话题。因此，餐厨垃圾厌氧发酵主题对学生而言话题性、关注度及熟稔度均较好，具备优良教学资源开发潜力。

进一步，鉴于餐厨垃圾厌氧发酵综合性和实践性特点，对其开展工程设计实训，按照能力培养深浅，可细化出以下三点具体要求：（1）了解和掌握餐厨垃圾厌氧发酵的基本流程和操作规范;（2）深入理解传质、分离及发酵的单元功能与影响机制，掌握平面布置、設备选型、工艺设计等系统工程设计方法;（3）系统学习厌氧工程的主要设备/构筑物的内部构造及其运行原理，培养全链条工艺流程的运营调试能力。进而从理性认识到综合应用层面全面提升解决复杂工程问题的综合设计和创新能力。

二、餐厨垃圾厌氧发酵虚拟仿真实验系统开发

餐厨垃圾厌氧发酵会产生氢气、硫化氢等易燃易爆危险气体，线下实验具有投入多、流程长、污染大、风险高等特点，使得传统的实践教学难以真实还原或密切追踪发酵全过程，易陷入走马观花或纸上谈兵的窘境。为此，可引进最新的虚拟仿真技术，按照“能实不虚、虚实结合”原则，结合新工科人才工程设计能力培养的要求，融入“开放、互动、智慧”理念，开发“餐厨垃圾厌氧发酵虚拟仿真实验”项目，将餐厨垃圾厌氧发酵项目转化成具体的教学实训工具。

（一）工程基础：国家级餐厨垃圾厌氧发酵试点

以嘉兴市餐厨垃圾厌氧发酵工程为样板，提炼仿真系统的场景、工艺和设备等基本素材。该项目日处理700吨餐厨垃圾（含地沟油300吨），是 国家级试点项目，并已通过验收。即在建设运营层面是我国首批33个餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点项目之一;在标准化管理层面是我国循环经济标准化国家试点项目。该项目多年稳定运行的丰富经验，为本虚拟仿真系统的开发提供了夯实的实践基础。

（二）软件开发

1.开发思路。根据上述实际工程项目原型，抽象出我国餐厨垃圾厌氧发酵的工艺单元特性，并基于本教学实训所设定的工程设计能力培养为出发点，将本虚拟仿真项目细化成平面布置、工艺搭建和仿真实操三个一级模块。每个模块根据该单元的实训需求，配以2D、3D或DCS控制等方式进一步细化。以仿真实操模块为例，餐厨垃圾经卸料、预处理后，依次进入后续的油脂回收、厌氧发酵、沼气提纯与回用、沼渣沼液处理与除臭系统五个二级模块。每个模块设有相应的仿真实验设备，通过3D和DCS控制方式实现设备构型学习、操作参数调节、系统衔接联动等一系列过程。理论教学中主要讲述实验原理和方法、实验参数确定依据，对设备调试、工艺单元衔接等很少涉及，而这部分的设计操作将直接影响工程项目的效果，如产气率、污染物质排放浓度等。本实验在工艺参数的数据联动方面主要来源于实际工程数据，因此应尽可能展示真实设备和操作细节。另外，为增加学生对整个工艺系统的全局意识，本系统设置了任务、学习等多种模式来满足学生多方面的学习和实训需求。具体开发思路如图1所示。

2.内容设计。本虚拟仿真实验系统，基于动态过程仿真软件运行平台开发，利用虚拟现实技术，以餐厨垃圾厌氧厂车间环境和具体操作工艺为仿真对象，运用二、三维交互的产品表现，构建垃圾厌氧发酵过程模拟，工艺流程以上流式厌氧发酵罐为核心，囊括平面布置、工艺搭建、垃圾卸料、垃圾预处理、油脂回收、沼气提纯与回用、沼渣沼液处理与生物除臭等过程。从内容上而言，本实验系统主要包括平面布置、工艺搭建和仿真实操三部分内容。其中，平面布置主要是根据餐厨垃圾厌氧发酵工艺的不同功能分区，在基于紧凑经济合理原则进行平面布置设计，确保厂区布置合理有序;工艺搭建是基于所设计的平面布局和选定的工艺类型，完成包含设备选型、管线连接等在内的工艺搭建;而仿真实操则是根据教师设定的任务目标和所搭建的工艺，进行具体设备的仿真操作和参数调节，最终实现能源的高效回收和废物安全处置。

3.实验结果。根据本实验的具体要求及其所设定的实训目标，系统会自动记录每部分操作的实验结果，并通过与教师设定的任务目标对比，按权重计分，并以公开透明的方式展示给学生。具体的实验结果包括以下四部分：（1）餐厨垃圾厌氧发酵处理厂的3D平面布置。根据处理厂的周边环境和条件，兼顾经济性和专业性的要求，合理布置餐厨垃圾厌氧发酵处理的主要构筑物和设施，包括厂区道路、构筑物分布、绿化等部分。（2）餐厨垃圾厌氧发酵处理方案和工艺设计。根据处理规模、排放标准等设计要求，进行餐厨垃圾处理方案和工艺设计，既要高效又要经济。包括厌氧发酵工艺、预处理单元设计等。（3）基于设定的工艺流程，进行规范的工艺设备操作和调式，以达到设计要求。（4）针对给定的事故、波动工况，分析和排查相关故障，给出解决方案。

三、仿真实验系统教学操作

学生通过虚拟仿真软件系统进入实验，以任务驱动模式不限答案地完成自我定制的餐厨垃圾厌氧发酵实验。实验具体包括构筑物平面布置、工艺搭建、垃圾卸料、垃圾预处理、油脂回收、厌氧发酵、沼气提纯与回用、沼渣沼液处理与除臭系统等覆盖餐厨厌氧发酵全流程的九大主要模块内容，共20步操作步骤。实验完成后通过系统提交实验结果，之后教师登录系统进行考核评估。

四、结语

以国家级餐厨垃圾厌氧发酵试点项目为原型，本虚拟仿真系统结合新工科工程设计能力培养的需求，引入Unity3D、Visual Studio、拓扑网络分析等开发技术，通过不同模块间以及模块内的无缝衔接和充分自由的操作裕度，开发了具有“自主设计、系统联动、实时反馈”特色的浸入式厌氧发酵仿真教学系统，从而为实现以学生为中心的自主探究式工程实训提供新的思路。前期实践表明，该系统可充分激发学生创新意识、训练科研思维、培养动手能力，让学生从传统教学的“感”上升到“触”和“悟”的阶段，从而为培养具有工程设计和运营管理全局观和创新能力的实干型人才贡献力量。

参考文献

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Development of Virtual Simulation System Oriented to Engineering Design Ability Training

CHEN Tinga，b，c， YIN Juna，b，c

（a. School of Environmental Science and Engineering， b. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Recycling， c. Instrumental Analysis Center， Zhejiang Gongshang University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： As one of the 12 graduation requirements in engineering education certification standards， the engineering design ability is the key and weak link in the training of engineering innovation talents. In order to break the traditional teaching model of repeated imitation in the training of engineering design ability， this paper uses the simulation system development technology of Unity3D， Visual Studio， topology network analysis， etc. Based on the practice results of kitchen waste resource utilization in China and the concept of “open， interactive， wisdom”， a immersion virtual simulation experiment system for anaerobic fermentation of kitchen waste is developed， which integrates plane layout， process design and equipment debugging. The system can not only improve the safety factor of the experiments and the students independent and interactive training experience， but can also stimulate students interest in learning and improve the teaching effect， thus providing an important reference for the construction of engineering application-oriented design talent training platform.

Key words： anaerobic fermentation of kitchen waste; virtual simulation; engineering design; experiment teaching