大氣污染控制工程課程體系建設(shè)與資源共享

王書肖

摘 要：為了培養(yǎng)高素質(zhì)的復(fù)合型、創(chuàng)新性人才，清華大學持續(xù)推進大氣污染控制工程的課程體系建設(shè)和精品教學資源共享。我們提出了大氣污染控制工程理論、大氣污染控制工程實驗和大氣污染控制工程設(shè)計“三位一體”的課程體系，從立體化教材體系建設(shè)、實驗教學體系建設(shè)、課程資源共建共享三個方面介紹了大氣污染控制工程課程的建設(shè)經(jīng)驗，并提出了進一步完善實踐教學和創(chuàng)新教學理念的建議。

關(guān)鍵詞：大氣污染控制工程；課程體系；立體化教材；實驗教學；在線課程

我國大氣污染物排放總量巨大，以PM2.5和O3為特征的大氣污染問題日益突出，大范圍重污染天氣頻發(fā)，導(dǎo)致嚴重的健康風險。大氣復(fù)合污染防治成為當前國家的重大需求和國際的關(guān)注熱點。因此，培養(yǎng)大氣污染控制專業(yè)復(fù)合型、創(chuàng)新性人才成為當前高校環(huán)境專業(yè)人才培養(yǎng)的重要任務(wù)之一。

“大氣污染控制工程”是高等院校環(huán)境工程專業(yè)的核心課程，也是環(huán)境工程專業(yè)本科階段講授大氣污染控制的唯一課程，是環(huán)境工程知識體系的重要組成部分。該課程主要講授大氣污染控制的基本理論、各種控制方法的過程分析及典型控制設(shè)備的工藝設(shè)計計算，旨在培養(yǎng)學生分析和解決大氣環(huán)境問題的能力，為學生進行大氣污染控制工程設(shè)計、科研及技術(shù)管理打下堅實的基礎(chǔ)。

清華大學“大氣污染控制工程”課程于1986年開設(shè)。多年來，該課程以研究型教學理念為指導(dǎo)，將理論與實踐有機融合，重視培養(yǎng)學生的基本技能、提高學生的理論水平和激發(fā)學生的創(chuàng)新能力，并與世界一流大學的教學水平相接軌。在課程建設(shè)過程中，教學團隊跟蹤國際上在大氣污染控制工程、大氣科學、化學工程等相關(guān)領(lǐng)域取得的新進展，不斷完善課程內(nèi)容，形成了大氣污染控制工程理論、大氣污染控制工程實驗和大氣污染控制工程設(shè)計“三位一體”的課程體系（見圖1），力求知識體系完善、教學內(nèi)容前沿、教學手段多樣、教學方法創(chuàng)新。2000年，該課程成為清華大學建設(shè)的首批精品課程之一；2004年，該課程被評為全國首門“大氣污染控制工程”國家精品課程；2013年，該課程入選國家級精品資源共享課；2015年，清華大學“大氣污染控制工程”MOOC課程正式上線。本文介紹“大氣污染控制工程”課程在立體化教材體系建設(shè)、實驗教學體系建設(shè)和課程資源共建共享方面的探索，以期提升環(huán)境工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

一、服務(wù)于教與學的立體化教材體系建設(shè)

1.編寫高水平教材，不斷更新和完善課程內(nèi)容

高水平教材建設(shè)是“大氣污染控制工程”課程建設(shè)的重要任務(wù)。一流的精品課程必須配套一流的教材。

在原國家教委環(huán)境工程類專業(yè)教材委員會的指導(dǎo)下，1985年郝吉明院士起草了“大氣污染控制工程”課程的教學基本要求。隨后原國家教委環(huán)境工程類專業(yè)教材委員會委托郝吉明與馬廣大主編《大氣污染控制工程》教材（供80學時用），并由高等教育出版社于1989年出版。該教材受到普遍好評，1992年獲國家教委優(yōu)秀教材一等獎，并被評為國家級優(yōu)秀教材。

20世紀90年代末，人們對大氣污染的關(guān)注已由局地的或區(qū)域的污染擴展至全球氣候變

化；關(guān)注的污染物也不僅只是常規(guī)的一次污染物，人們越來越關(guān)注二次污染物和一些微量的有毒有害物質(zhì)對環(huán)境和人體健康的影響；大氣污染控制技術(shù)也由末端控制為主發(fā)展為以清潔生產(chǎn)為中心的全過程控制。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，我國大氣污染控制的重點逐漸由控制燃煤污染擴展至燃煤和機動車污染控制并重。為滿足21世紀教學的需要，充分體現(xiàn)學科的發(fā)展和進步，我們對第一版教材作了較大的修改和補充，2002年，《大氣污染控制工程》（第二版）作為面向21世紀課程教材出版。該次修訂也對教材的體例進行了新的嘗試，在簡要討論氣態(tài)污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)后，以控制主要污染物和主要控制對象為主線展開。2005年，《大氣污染控制工程》（第二版）被評為北京高等教育精品教材。

2010年，完成《大氣污染控制工程》（第三版）的修訂再版?！洞髿馕廴究刂乒こ獭罚ǖ谌妫┮越鉀Q大氣復(fù)合污染的多維環(huán)境問題為核心，以多污染物協(xié)同控制和全過程大氣污染控制理念為指導(dǎo)（見圖2），內(nèi)容上覆蓋了大氣污染物的來源、形成過程、傳輸擴散、控制技術(shù)、對氣候的影響，體系上形成基礎(chǔ)理論、基本原理、顆粒污染物控制和氣態(tài)污染物控制等幾大模塊，結(jié)構(gòu)上以主要污染物和污染源控制為主線組織章節(jié)。該教材內(nèi)容新穎、結(jié)構(gòu)合理、適用性強，在國內(nèi)使用廣泛。2011年，《大氣污染控制工程》（第三版）被評為國家普通高等教育精品教材、北京高等教育精品教材，2012年該教材獲得清華大學優(yōu)秀教材特等獎。

近年來，大氣污染控制技術(shù)不斷進步，大氣污染控制的法規(guī)和理論也在不斷發(fā)展。為緊密配合教育部“十三五”規(guī)劃教材、“數(shù)字化工程”的實施，深化教學改革，2018年我們根據(jù)學科發(fā)展現(xiàn)狀和教學要求再次更新教材內(nèi)容。本次修訂依據(jù)我國《大氣污染防治法》、各項大氣污染物排放標準和《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》全面更新相關(guān)內(nèi)容；根據(jù)學科發(fā)展情況，補充了空氣質(zhì)量模型的最新研究進展，修訂第四章大氣擴散濃度估算模式，增加了顆粒物采樣方法和理化特征；基于大氣污染防治技術(shù)的進步，補充了重點行業(yè)超低排放技術(shù)進展，強調(diào)源頭減排和全過程控制，對揮發(fā)性有機物排放控制和機動車污染控制做了全面更新；針對全球性環(huán)境問題，增加了大氣汞污染控制的內(nèi)容（見圖3）。

2.建設(shè)立體化教材體系，多方位保障教育教學質(zhì)量

為使讀者更好地理解課程的基本概念和基本理論，攻克課程的重點與難點，完整地掌握大氣污染控制工程的系統(tǒng)知識，學會應(yīng)用大氣污染控制的基本原理分析和解決實際問題，配套出版了《大氣污染控制工程例題與習題集》，其中每章均包括四部分。第一部分是內(nèi)容提要，簡要介紹該章的主要內(nèi)容、應(yīng)掌握的基本概念和基本理論，以及有關(guān)的重要計算公式；第二部分為例題，配合各章的教學基本要求，為加深對基本概念和理論的理解，說明基本理論與方法的應(yīng)用，編寫了一些有代表性的例題；第三部分是思考題，除了與教材中的基本概念結(jié)合的題目，也包括一些綜合性題目，以便于讀者獨立思考總結(jié)，自我檢查所學知識的掌握情況；第四部分為習題，可為讀者提供自學的內(nèi)

容，使讀者加深對基本知識的掌握和鞏固，提高分析和解決問題的能力。

為便于讀者自學，配套出版了具有互動性的多媒體教材，即《大氣污染控制工程多媒體自學課件》。為了讓學生更容易掌握學科的基礎(chǔ)概念及實用知識，課程內(nèi)容配合了多媒體，如錄像、互動動畫以及仿真小程序等，務(wù)求以生動、清晰的方式將復(fù)雜的事物簡明化、將抽象概念形象化，使知識變得易學易明。課程里面的各個知識點都包含了例題、思考題和自測題，并給出了題目的提示、答案、題解及討論，目的在于引導(dǎo)學生自己解答問題，從而加深對新概念的了解，同時鍛煉解決實際問題的能力。

經(jīng)過多年努力，本課程已經(jīng)形成以國家規(guī)劃教材《大氣污染控制工程》為核心教材，配套《大氣污染控制工程電子課件》《大氣污染控制工程例題與習題集》《大氣污染控制工程實驗》和《大氣污染控制工程多媒體自學課件》，形成了和諧的立體化教材體系。這套教材采用多種表達形式配合的方式，覆蓋課程授課前、中、后各個過程及實驗和課程設(shè)計階段，力求為從事大氣污染控制工程教學工作的教師提供完整的參考，幫助學生更深入地學習這門課程，同時也為自學者提供了非常完備的條件。

目前，隨著高等教育大眾化和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，教育教學已經(jīng)從課堂延伸到課下、從學校延伸到社會。在此背景下，教學團隊啟動了《大氣污染控制工程》互動式數(shù)字化教材建設(shè)，以促進學生自主學習和個性化學習為目標，通過二維碼將《大氣污染控制工程》紙質(zhì)教材與MOOC教學平臺和多媒體自學課件鏈接，打破紙質(zhì)教材的局限性，通過網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)實現(xiàn)知識的無限拓展，利用視頻、作業(yè)、試卷、論壇、微信等數(shù)字資源，將教材、課堂、教學資源融合在一起，實現(xiàn)教育者、學習者等多主體與學習內(nèi)容的多維度、多層次互動，滿足新型人才培養(yǎng)模式的需求。

二、依托于科研實踐的實驗教學體系建設(shè)

大氣污染控制工程實驗是培養(yǎng)學生動手能力和工程概念的重要環(huán)節(jié)。通過實驗和實踐教學，可以加強學生對理論知識的理解和掌握，最終使之學以致用，將所學知識應(yīng)用于實踐。大氣污染控制工程實驗應(yīng)緊跟當前大氣污染防治的形勢，順應(yīng)社會對大氣污染控制技術(shù)人才的需求，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學生的實踐動手能力。我們結(jié)合近十年來清華大學在大氣污染控制方面的科研成果積累，從實驗內(nèi)容、實驗設(shè)備、教學方法等方面著手，建設(shè)了先進的實驗教學硬件設(shè)施，形成了課程必選實驗與研究型自主實驗相結(jié)合的實驗教學平臺，滿足培養(yǎng)自主創(chuàng)新能力的要求。

1.增加實驗內(nèi)容，優(yōu)化實驗課程體系

結(jié)合我國大氣污染的現(xiàn)狀以及控制技術(shù)的最新進展，對實驗課程體系進行了不斷充實與完善。為了充分發(fā)揮實驗教學的作用，教學團隊自主研發(fā)了多套實驗設(shè)備，實現(xiàn)了課堂教學、實驗教學和科研實踐的有機結(jié)合。

煤炭是我國最主要的能源，煤炭燃燒產(chǎn)生大量的二氧化硫、氮氧化物、顆粒物和汞等污染物，是我國大氣污染的最主要來源之一。針對燃煤大氣污染物排放，我們建立了一維管式沉降爐，用于模擬煤炭燃燒過程，并配備了煙氣分析儀、煙氣汞在線監(jiān)測設(shè)備等，供學生探究不同煤種燃燒大氣污染物排放特征的差異、分析影響燃煤大氣污染物排放的關(guān)鍵因素。

機動車尾氣排放是中國城市大氣污染的另一主要來源。隨著城市機動車排放量的快速增加，中國大氣污染類型也由過去的煤煙型為主轉(zhuǎn)為煤煙-機動車復(fù)合型污染。結(jié)合清華大學近年來在機動車車載排放監(jiān)測方面的研究成果，我們設(shè)計了機動車尾氣排放特征檢測這一實驗項目，采用真實車輛進行測試。同時，與“氮氧化物的催化轉(zhuǎn)化實驗”有效結(jié)合，使學生不但了解機動車尾氣的排放特征，更能掌握尾氣的凈化控制技術(shù)，從而極大提高了學生參與實驗的積極性與科研興趣。

研究表明，工業(yè)煙塵排放占我國大氣顆粒物排放的一半左右。過去工業(yè)煙塵的凈化治理主要以機械除塵器和電除塵器為主，但隨著大氣污染物排放標準的不斷提高，電袋復(fù)合除塵技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。為了讓學生掌握最新的除塵技術(shù)，我們在實驗課中增加了“電袋除塵器實驗”這一項目，將科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學，很受學生歡迎。

目前，大氣污染控制工程實驗課已經(jīng)增設(shè)了電袋除塵器、機動車尾氣排放監(jiān)測、氮氧化物的催化轉(zhuǎn)化、干法脫硫等項目，形成了涵蓋移動源與固定源、氣態(tài)污染物與顆粒污染物、排放特征監(jiān)測與控制技術(shù)的完整實驗體系。

2.結(jié)合學科前沿，提升學生創(chuàng)新能力

為滿足同學的研究興趣，充分調(diào)動同學的學習積極性，對實驗教學進行了改革。除必修實驗外，還因人施教，結(jié)合學科前沿，建立綜合型、研究型高水平選修實驗。

針對大氣顆粒物的理化特征，開設(shè)了納米、亞微米和微米級標準顆粒物發(fā)生實驗、大氣細顆粒物的采樣與化學組分分析、大氣顆粒物粒徑分布實時在線監(jiān)測、大氣顆粒物有機組分實時在線監(jiān)測、霧霾重污染的實時在線觀測與成因分析等選修實驗項目。

針對大氣污染的重要來源，開設(shè)了燃燒源大氣污染物排放特征測試、機動車排放的顆粒物數(shù)濃度和質(zhì)量濃度測試、交通排放及大氣環(huán)境VOCs組分及濃度比較、道路交通環(huán)境空氣質(zhì)量觀測和人群暴露分析等選修實驗。

在教學實驗中還鼓勵學生自主設(shè)計實驗，以更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性。上述改革取得很好的教學效果，已有多名同學基于自主設(shè)計實驗發(fā)表SCI收錄論文。

三、課程資源共建共享

通過精品課程資源的共建共享，豐富和優(yōu)化課程資源，促進課程資源的應(yīng)用，是推動精品課程建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的有效方式。

1.建設(shè)大氣污染控制工程教學資源庫

2010年，由高等教育出版社發(fā)起，清華大學、四川大學、華北電力大學、北京工業(yè)大學、西安建筑科技大學 、同濟大學等20余所高校參加，建設(shè)了“大氣污染控制工程”教學資源庫?！按髿馕廴究刂乒こ獭苯虒W資源庫主要包括理論教學資源子庫、課程設(shè)計資源子庫、課程實驗資源子庫、課程實習資源子庫和任課教師信息子庫等部分。其中理論教學資源子庫包括課程教學基本內(nèi)容和教學大綱、知識點、教案、電子教案、例題與習題、考試題、參考資料等。各個子庫的資源有文本、圖表、動畫、錄像等多種形式，可為高等學?！按髿馕廴究刂乒こ獭钡慕虒W提供參考和幫助。

2.建設(shè)國家精品資源共享課

2013年，清華大學“大氣污染控制工程”入選教育部第一批“國家精品資源共享課”，并通過“愛課程”網(wǎng)免費向社會開放。在課程教學中，我們將線上優(yōu)質(zhì)課程資源作為課堂教學的重要補充。同時，為更好地滿足廣大高校師生和社會學習者的學習需求，課程團隊積極建設(shè)拓展資源，扎實推進信息化教學改革工作，為廣大師生提供豐富、穩(wěn)定的課程學習服務(wù)。

3.建設(shè)“大氣污染控制工程”MOOC課程

為了響應(yīng)移動互聯(lián)網(wǎng)時代的學習者需求，2015年清華大學建設(shè)了全國首門“大氣污染控制工程”MOOC課程。針對MOOC課程上課人數(shù)多、課時長度短、學生自主學習等特點，按照“碎片化的資源+整體化的設(shè)計”理念進行課程建設(shè)。按照大氣污染物的排放、污染物在大氣中的擴散、大氣污染源控制理論與技術(shù)、全球性大氣環(huán)境問題梳理出92個知識點，每個知識點授課時間控制在6～15分鐘，新增更多動畫和仿真案例，并結(jié)合大氣污染控制學科的最新進展設(shè)置了3個訪談，課程視頻總長843分鐘，分別開設(shè)自主模式和隨堂模式，為學習者提供高質(zhì)量的課程內(nèi)容和個性化的課程服務(wù)，從而達到助教助學的目的。

四、結(jié)語與展望

1.進一步完善實踐教學環(huán)節(jié)

大氣污染控制工程是國內(nèi)各高校環(huán)境工程專業(yè)的主干課程之一，其教學效果直接關(guān)系到環(huán)境工程專業(yè)學生的理論知識水平和工程技能。該課程是一門應(yīng)用性課程，因此該課程的教學不能局限于理論教學，還需要與實踐教學相配合，培養(yǎng)學生運用所學知識解決實際問題的能力。清華大學“大氣污染控制工程”已經(jīng)建立了“理論教學-綜合實驗-研究型項目訓練”的完整教學鏈。在項目訓練部分，引入了大氣污染控制領(lǐng)域的熱點問題，由學生自選題目開展研究項目，既為學生提供了創(chuàng)新環(huán)境，又提高了學生對基礎(chǔ)知識的綜合運用能力。同時，通過課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)，使學生在解決實際問題過程中加深對理論知識的認識和理解，培養(yǎng)工程實踐能力，實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合。

2.進一步加強精品教學資源共享

近年來，國內(nèi)大氣污染防治學科快速發(fā)展，清華大學具有優(yōu)質(zhì)的學科資源和科研資源，今后應(yīng)進一步加大力度，把優(yōu)質(zhì)學科資源和科研資源轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)教學資源，教學與科研工作的結(jié)合，以科研促教學。同時，教育技術(shù)條件的重大變化，也讓我們必須考慮傳統(tǒng)教育如何滿足受教育者多樣性的學習需求。精品資源共享課或者MOOC課程的建設(shè)是一項長期、涉及面非常廣的系統(tǒng)工程，如何做好精品課程的不斷完善和更新，更好地為師生和社會學習者服務(wù)，還需要我們在今后的課程教學實踐中不斷地進行探索、實踐和總結(jié)。

3.進一步創(chuàng)新教學理念和模式

傳統(tǒng)的線下課程有利于知識的系統(tǒng)傳授，師生在課堂上可以面對面互動，但往往受限于授課時間和空間，大班授課難以實現(xiàn)因材施教。而MOOC課程實現(xiàn)了課程資源共享和教學資源開放，解決教什么和學什么的問題，使學生可以隨時隨地學習，但MOOC課程存在學生學習行為難以監(jiān)督、學習效果不盡如人意等問題。因此，近年來各高校開始探索線上MOOC在線視頻與線下面授、討論和實驗環(huán)節(jié)相結(jié)合的混合式教學模式，同時也引發(fā)了傳統(tǒng)課堂的教學理念和教學模式改革?！按髿馕廴究刂乒こ獭钡慕虒W也應(yīng)順應(yīng)時代要求，一方面教師改變“教”的方式，利用MOOC在線視頻，通過小班授課實現(xiàn)問題式、體驗式、討論式教學；另一方面，學生也需要改變“學”的方式，要求學生課外學習時間遠遠大于課堂學習時間。而這兩方面的變革也要求改變“考”的方式。總之，在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代如何進一步創(chuàng)新教學理念和模式，不斷改進教學方法，拓展環(huán)境工程人才培養(yǎng)的寬度和深度，是“大氣污染控制工程”課程教學過程中需要不斷探索的重要問題。

[責任編輯：余大品]