大氣污染控制工程實驗教學改革與實踐

劉效峰　白慧玲　李亞青　梁美生　牟玲

摘要：大氣污染控制工程是環(huán)境工程專業(yè)的一門必修專業(yè)主干課，目前開設的大氣污染實驗在內(nèi)容設置、教學方法等方面存在問題，為培養(yǎng)創(chuàng)新型環(huán)境專業(yè)人才需進行實驗教學改革。以太原理工大學大氣污染控制工程實驗教學為例，完善實驗室教學資源的配置，開設與課程密切相關的實驗內(nèi)容，并結(jié)合科研課題和大學生創(chuàng)新項目拓展實驗，設計有關大氣污染研究前沿的實驗內(nèi)容。優(yōu)化大氣污染實驗教學方法，建立完善的實驗教學體系，學生進行主動探究式學習，體現(xiàn)了學生中心地位的翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式。大氣污染實驗教學改革在2017年4月—6月期間實施成果顯著，學生主動學習、勤于思考，能夠設計實驗方案，熟練操作儀器設備，為培養(yǎng)創(chuàng)新型環(huán)境專業(yè)人才打下堅實基礎。

關鍵詞：大氣污染;實驗教改;探究式學習;翻轉(zhuǎn)課堂;創(chuàng)新型人才

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）16-0192-03

我國大氣污染問題日趨復雜，已經(jīng)由單一的煤煙型污染轉(zhuǎn)化為煤煙型與機動車尾氣污染共存的復合型污染，光化學煙霧和灰霾頻頻發(fā)生，有效控制大氣復合污染成為當前國家的重大需求和國際共同關注的熱點[1，2]。大氣污染控制工程課程是環(huán)境工程專業(yè)本科生的一門必修專業(yè)主干課，通過本課程的學習，使學生掌握大氣污染的基本理論和控制技術，培養(yǎng)學生分析和解決有關大氣污染問題的能力，為學生從事大氣污染控制工程的設計、科研、環(huán)境規(guī)劃與管理工作奠定重要基礎[3]。大氣污染控制工程課程內(nèi)容多、知識面廣、復雜抽象問題多、知識聯(lián)系性強，內(nèi)容涵蓋了大氣污染控制的基本原理、主要方法和有關設計計算等方面[4]。為了學生能夠更好地掌握課程內(nèi)容，將理論知識與實際聯(lián)系起來，必須開設相關實驗教學內(nèi)容[5，6]。大氣污染實驗教學改革和實踐通過結(jié)合科研課題和大學生創(chuàng)新項目拓展實驗內(nèi)容、優(yōu)化教學方法，注重大學生實踐操作和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[7，8]，為大氣污染控制工程課程課堂教學提供了必要的支撐條件，對教學目標的實現(xiàn)具有重要意義，為培養(yǎng)適應當前大氣污染新形勢的創(chuàng)新型環(huán)境專業(yè)人才提供必要的基礎。

一、實驗課程教學現(xiàn)狀

環(huán)境工程專業(yè)大氣污染控制工程課程內(nèi)容繁多[9]，包括燃燒與大氣污染、大氣污染氣象學、氣態(tài)污染物凈化技術、顆粒物的凈化技術、局部排風凈化系統(tǒng)的設計計算等方面的內(nèi)容，本校環(huán)境工程專業(yè)該課程總學時為64學時，其中6學時為實驗課程，實驗教學現(xiàn)狀及存在問題如下所述。

（一）實驗內(nèi)容難以體現(xiàn)課程主要內(nèi)容

大氣污染控制工程課程實驗室擁有6套青島嶗山生產(chǎn)的中流量采樣器，實驗教學包括2個實驗，分別為大氣環(huán)境中TSP（或PM10）濃度監(jiān)測、大氣環(huán)境中SO2濃度監(jiān)測。這2個實驗主要是通過中流量采樣器采集TSP（或PM10）和SO2樣品，分別利用重量法和鹽酸副玫瑰苯胺法確定濃度。實驗過程學生學習了現(xiàn)場采樣的操作流程、實驗數(shù)據(jù)的處理分析技能，并且掌握了實驗分析的質(zhì)量保證。由于實驗課時有限，實驗過程的某些環(huán)節(jié)由教師進行操作，如鹽酸副玫瑰苯胺法測定SO2濃度中標準曲線由教師完成，學生沒有進行完整的實驗操作流程，學生無法理解標準曲線的繪制及應用。另外，實驗缺少與大氣污染控制工程課程顆粒物與氣態(tài)污染物控制技術等重要內(nèi)容相對應的實驗內(nèi)容，無法完全滿足大氣污染控制專業(yè)人才培養(yǎng)的要求。

（二）實驗教學方法難以調(diào)動學生的積極性

大氣污染控制工程課程實驗教學方法主要是教師現(xiàn)場講解實驗步驟、演示儀器設備的使用，然后學生按照實驗流程進行實驗操作、課后撰寫實驗報告，并對數(shù)據(jù)進行分析討論。實驗過程學生只是簡單、機械地重復實驗操作，難以調(diào)動學生的積極性，而且學生沒有進行深入思考。如大氣環(huán)境中TSP（或PM10）濃度監(jiān)測實驗，TSP（或PM10）濃度利用重量法測定，學生只是機械地記錄數(shù)據(jù)，采集的濾膜樣品還可以進行哪些分析項目、這些項目對大氣污染的研究有何意義等問題，學生并未思考。為了充分調(diào)動學生參與實驗的積極性，培養(yǎng)環(huán)境工程學科的創(chuàng)新型人才，需要改革現(xiàn)有的實驗教學方法和教學手段。

二、實驗課程教學改革

針對以上問題，基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式，從實驗內(nèi)容和教學方法等方面對大氣污染控制工程課程實驗進行教學改革，緊密聯(lián)系課程教學內(nèi)容、豐富實驗內(nèi)容，充分調(diào)動學生的積極性，使學生能夠選用實驗裝置、設計實驗方案，采用科學的方法開展實驗，并能夠正確采集、分析數(shù)據(jù)，討論實驗結(jié)果，獲得合理有效的結(jié)論。

（一）改革實驗內(nèi)容，開設體現(xiàn)課程內(nèi)容及大氣污染研究前沿的實驗

大氣污染控制工程涉及到的大氣污染實驗內(nèi)容眾多[10]，應開設與該課程緊密相關的實驗。顆粒物的凈化技術是《大氣污染控制工程》的重點內(nèi)容之一，基于此，開設電除塵器性能測定實驗，結(jié)合實驗過程，使學生掌握電除塵器的基本結(jié)構(gòu)、除塵效率的影響因素，深刻理解課程內(nèi)容。針對氣態(tài)污染控制技術開設堿液吸收二氧化硫（SO2）、活性炭吸附低濃度揮發(fā)性有機物（VOCs）兩個實驗，SO2和VOCs分別是二次無機離子（SO^2-₄）和二次有機氣溶膠的重要前體物，而二次顆粒物對PM2.5有重要貢獻，對SO2和VOCs這兩類污染物的控制可以改善環(huán)境空氣質(zhì)量。同時還增設了室內(nèi)空氣污染物監(jiān)測實驗，測定空氣中甲醛濃度。將大氣環(huán)境中TSP（或PM10）濃度監(jiān)測改為當前備受關注的PM2.5濃度監(jiān)測實驗，只需要在原有中流量采樣器基礎上增加PM2.5采樣切割頭。

（二）結(jié)合科研課題和大學生創(chuàng)新項目，拓展實驗內(nèi)容

結(jié)合科研課題和大學生創(chuàng)新項目[11]，拓展活性炭吸附低濃度VOCs和PM2.5濃度監(jiān)測2個實驗的內(nèi)容。目前VOCs和PM2.5是大氣污染領域研究的熱點，諸多學者關注VOCs的排放清單、組成，以及PM2.5空間分布、時間分布、化學組成方面的研究[12，13]。為鍛煉學生實驗設計能力、培養(yǎng)創(chuàng)新型環(huán)境工程學科人才，對于活性炭吸附低濃度VOCs和PM2.5濃度監(jiān)測學生可以選擇其中1個實驗，分組設計拓展實驗內(nèi)容，方案設計過程組員需要互相配合，能夠培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力。實驗方案設計需要學生查閱大量文獻，了解目前VOCs或PM2.5的研究現(xiàn)狀，熟悉采集測試過程，掌握數(shù)據(jù)分析處理方法，該過程學生進行主動探究式學習，體現(xiàn)了以學生為中心的教學模式。

（三）保證實驗硬件條件，確保實驗設備數(shù)量

環(huán)境工程專業(yè)2014級、2015級學生人數(shù)都為120名左右，在改革大氣污染實驗內(nèi)容的同時必須保證實驗的硬件條件。本校環(huán)境工程專業(yè)本科實驗室已配備電除塵設備4套、堿液吸收二氧化硫設備4套、活性炭吸附低濃度VOCs設備4套、室內(nèi)空氣污染監(jiān)測儀器15套、顆粒物中流量采樣器6套，大氣實驗室面積已達到300平方米。

（四）改進實驗教學方法，調(diào)動學生參與實驗的積極性

大氣污染控制工程課程實驗具有很強的工程性，實驗原理和設備復雜，實驗過程耗時長，往往一個實驗內(nèi)容需要數(shù)名學生相互配合完成，因此應建立和完善實驗教學體系、改進實驗教學方法，達到實驗教學目標。改變原來的教師現(xiàn)場簡單演示、學生驗證實驗過程的教學方法，建立以學生為中心的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式[14，15]。首先學生預習實驗內(nèi)容，找出與實驗相對應的理論課程知識點，學生要根據(jù)課程內(nèi)容設計實驗方案，分析實驗方案的可行性;然后教師利用多媒體講解實驗原理，并配合相應的動畫和圖片演示實驗過程，調(diào)動學生對實驗的興趣;最后教師現(xiàn)場演示，學生操作實驗設備，按照學生設計的實驗方案完成實驗過程，將實驗實踐過程與理論知識點聯(lián)系起來，使學生更加深刻理解課堂教學內(nèi)容，達到較好的教學效果。另外，將學生分組進行實驗，每組學生3—4人，既可以使每個學生都參與到實驗中，又可以增強學生團隊合作意識。

三、實驗課程教學實踐

大氣污染控制工程課程實驗改革已在環(huán)境工程2014級學生中實施，該年級環(huán)境工程專業(yè)分為4個班級，共116人。由于教學計劃中實驗學時數(shù)為8，故環(huán)境工程2014級學生在2016—2017年度第二學期大氣污染控制工程課程實驗教學中開設了4個實驗，分別為電除塵器伏安特性曲線和效率測定、Na2CO3吸收二氧化硫、活性炭吸附甲醇和室內(nèi)空氣甲醛污染監(jiān)測，每個實驗2學時。電除塵器性能測定、堿液吸收二氧化硫、活性炭吸附甲醇這3個實驗，學生分10批，每組3名學生;室內(nèi)空氣甲醛污染監(jiān)測實驗將學生分為4批，每組2名學生。

大氣污染控制工程實驗每組2—3名學生，確保每位學生在實驗過程均能實際操作，實驗過程學生勤于思考，能夠聯(lián)系課程內(nèi)容分析實驗原理，并合理分析處理數(shù)據(jù)，加深對課程相關內(nèi)容的理解和掌握，具備了基本的實驗操作技能，為培養(yǎng)創(chuàng)新型環(huán)境專業(yè)人才打下堅實的基礎。實驗教學過程學生進行主動的和探究式的學習，學生設計實驗方案、實施方案、分析結(jié)果，體現(xiàn)了學生中心地位的翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式[14-16]。

四、結(jié)語

針對大氣問題的新特點，本校環(huán)境工程專業(yè)改革了大氣污染控制工程課程實驗實踐教學，開設了與理論知識關聯(lián)密切的大氣污染實驗內(nèi)容，優(yōu)化了實驗教學資源的配置，建立和完善了實驗教學方法和教學體系。開設的實驗內(nèi)容豐富，涵蓋了大氣污染控制工程課程顆粒物的凈化、氣體污染物的控制等主要內(nèi)容，同時體現(xiàn)了揮發(fā)性有機物的控制、甲醛監(jiān)測、PM2.5監(jiān)測等當前的環(huán)境熱點問題。實驗改革實施后改變了原有的現(xiàn)場演示實驗設備操作、學生機械驗證實驗過程的教學手段，學生設計實驗方案、實施方案、分析結(jié)果，充分調(diào)動學生的積極性，學生變被動接受式學習為主動探究式學習，將理論知識與實驗實踐過程緊密結(jié)合，對大氣污染控制工程課程教學目標的實現(xiàn)、環(huán)境工程專業(yè)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有重要意義。

大氣污染控制工程課程實驗改革在環(huán)境工程2014級學生實施中，開設了電除塵器伏安特性曲線和效率測定、Na2CO3吸收二氧化硫、活性炭吸附甲醇和室內(nèi)空氣甲醛污染監(jiān)測4個實驗，PM2.5監(jiān)測未列入開設實驗，今后確保5個實驗均開設，活性炭吸附甲醇和PM2.5監(jiān)測學生選做1個，另外3個實驗為必做實驗，并且加強活性炭吸附甲醇和PM2.5監(jiān)測實驗的拓展內(nèi)容。

參考文獻：

[1]段鳳魁，郝吉明，王書肖，等.大氣污染控制工程實驗課程建設探討[J].實驗技術與管理，2015，32（9）：6-8.

[2]賀克斌，楊復沫，段鳳魁，等.大氣顆粒物與區(qū)域復合污染[M].北京：科學出版社，2011.

[3]馮精蘭.大氣污染控制工程教學實踐創(chuàng)新探析[J].內(nèi)江科技，2010，（7）：48，57.

[4]郝吉明，馬廣大，王書肖.大氣污染控制工程（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[5]蔣文舉，尹華強，金燕，等.大氣污染控制工程課程教學改革探索[J].西南科技大學學報（哲學社會科學版），2004，21（4）：52-53，76.

[6]詹旭，鄒路易，張一波.大氣污染控制工程實驗課程教學改革研究[J].科技資訊，2012，（7）：207.

[7]朱夢冰，劉晶如，楊燕，等.應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)實踐教學改革[J].實驗室研究與探索，2016，35（7）：186-189.

[8]湯佳樂，程放，黃春輝，等.素質(zhì)教育模式下大學生實踐能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索，2013，32（1）：88-89.

[9]鄭瑩，劉建文.《大氣污染控制》理論教學改革探索[J].浙江工業(yè)大學學報（社會科學版），2013，12（2）：148-152.

[10]郝吉明，段蕾.大氣污染控制工程實驗[M].北京：高等教育出版社，2004.

[11]吳元周，呂恒林.教研融合科研實驗室促進本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索，2016，（04）：252-255.

[13]胡敏，何凌燕，黃曉鋒等.北京大氣細粒子和超細粒子理化特征、來源及形成機制[M].北京：科學出版社，2009.

[14]吳仁英，王坦.翻轉(zhuǎn)課堂：教師面臨的現(xiàn)實挑戰(zhàn)及因應策略[J].教育研究，2017，（2）：112-122.

[15]丁雪梅，張曉君，王鵬，等.翻轉(zhuǎn)課堂教學模式在大學實驗教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2015，34（6）：207-212.

[16]蔡文伯，周維莉.高等教育轉(zhuǎn)型中師生教學關系的轉(zhuǎn)變[J].中國高等教育，2017，（7）：36-38.

Experimental Teaching Reform and Practice of Air Pollution Control Engineering

LIU Xiao-feng，BAI Hui-ling，LI Ya-qing，LIANG Mei-sheng，MU Ling

（College of Environmental Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi? 030024，China）

Abstract：The air pollution control engineering is a required course of environmental engineering specialty.The content and teaching method of present air pollution experiment are coupled with problems.The experimental teaching reform is necessary to train innovation-oriented talents on environmental engineering.Based on the air pollution control engineering experimental teaching，the allocation of laboratory teaching resources is improved，and experimental projects，which are closely related to air pollution control engineering course，are designed.The experimental contents on air frontier research issue，being combined with scientific research projects and college student creative projects，are designed.The experimental teaching method is optimized，and teaching system is set up.The students'learning is more active and inquiring than before，which indicates the student-centered learning techniques of flipped classroom.The experimental teaching reform project achieved remarkable results between April and June in 2017.The students were active in studying and diligent in thinking，and could design experimental program and operate the instrument skillfully.The project implementation build a sound foundation for cultivating creative talents.

Key words：air pollution;experimental teaching reform;inquiry-based learning;flipped classroom;innovative talents

收稿日期：2019-06-18

基金資助：2017年度太原理工大學教育教學改革項目，項目名稱：“大氣污染控制工程”課程實驗教學改革與實踐

作者簡介：劉效峰（1977-），女，山西長治人，副教授，碩士生導師，博士，研究方向;大氣污染控制。