大氣污染控制工程實驗課程教學改革與探索

黃小鳳 馬麗萍 蔣明 張朝能 史建武 朱文杰 戴取秀

摘? 要：分析環(huán)境工程專業(yè)實驗包括的大氣污染控制實驗課程教學的現(xiàn)狀和存在的問題，探討實驗課程教學內(nèi)容的改進途徑，特別是實驗標準氣的更改、有效區(qū)分大氣環(huán)境監(jiān)測實驗及與其他課程的交叉融合等事項，完成冶金及化工廢氣在大氣環(huán)境中產(chǎn)生及擴散過程模擬仿真實驗的初步探索。

關鍵詞：實驗課程;教學改革;大氣污染控制

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）06-0152-04

Abstract： This paper analyzes the present situation and existing problems of the course of Experiment of Air Pollution Control Engineering， and probes into the ways to improve the teaching content of the experimental course， especially the change of experimental standard gas， effectively distinguish the atmospheric environment monitoring experiment and the cross fusion with other courses and complete the preliminary exploration of simulation experiment of metallurgical and chemical waste gas generation and diffusion process in the atmospheric environment.

Keywords： experimental course; teaching reform; Air Pollution Control Engineering

隨著全球環(huán)境問題的日益凸顯，公眾的環(huán)境保護意識及對美好環(huán)境的向往日漸增強。截至2021年6月，我國設有環(huán)境工程專業(yè)的高校共計382所，還有部分高校開設了與生態(tài)環(huán)境相關的本科專業(yè)，如環(huán)境科學、再生資源科學與技術和生態(tài)學等專業(yè)。大氣污染控制工程課程是生態(tài)環(huán)境相關專業(yè)的主干核心課程之一，該課程主要討論大氣污染的基本規(guī)律、污染控制的技術方法和工程原理，培養(yǎng)學生掌握分析和解決各類型大氣污染問題的能力。而大氣污染控制工程實驗既是環(huán)境工程專業(yè)重要的實踐教學環(huán)節(jié)、環(huán)境工程專業(yè)實驗課程的主要內(nèi)容，也是為學生進一步深入學習、理解和掌握大氣污染控制方法及原理的輔助教學過程。

一、實驗課程的目的與內(nèi)容

（一）實驗課程的主要目的

環(huán)境工程專業(yè)實驗課程是環(huán)境工程專業(yè)學生核心理論課程的實踐教學環(huán)節(jié)，通常為生態(tài)環(huán)境類相關專業(yè)三年級或四年級本科生開設，實驗內(nèi)容涉及大氣污染控制、水污染控制及固體廢物處理與處置。通過大氣污染控制工程實驗課程可使學生掌握大氣污染控制工程的基本實驗方法和操作技能，學會正確使用與大氣污染控制相關的儀器和實驗設備，并掌握嚴謹處理實驗數(shù)據(jù)的科學方法，加深和鞏固對所學理論知識的理解，使學生在理論與實踐相結合的基礎上進行科學研究，培養(yǎng)學生分析解決實際環(huán)境問題和發(fā)展創(chuàng)新的能力[1-4]。

（二）實驗課程的主要內(nèi)容

由于大氣污染控制工程課程的主要難點集中在大氣擴散、微細顆粒物的控制和氣態(tài)污染物凈化等方面，其相應的實驗內(nèi)容也重點圍繞這些難點來設置。一般來說，大氣污染控制工程實驗課程針對部分內(nèi)容開設4～5個實驗，每個實驗4～6學時，共16～30學時。常見的實驗有風速廓線指數(shù)測定或大氣擴散參數(shù)測定、填料吸收塔吸收脫除廢氣中的SO2、固定床活性炭（或活性炭纖維）吸附器吸附脫除廢氣中的NOx和除塵設備（靜電除塵、袋式除塵或旋風布袋聯(lián)合除塵器）的性能測定等。

二、實驗課程教學的現(xiàn)狀

（一）實驗硬件設施

實驗設施是確保大氣污染控制工程實驗課程教學順利開展的必備條件之一。大氣污染控制工程實驗課程中常用到如SO2、NOx等有毒有害氣體和易爆粉塵，因此對實驗室及相關實驗設施的安全性、環(huán)境友好性、有效管理和應急預案等提出了更高的要求。除此之外，現(xiàn)有實驗裝置及其演示設備通常占地面積大、價格較高，普通高校受場地和經(jīng)費的限制，難以購置性能優(yōu)良的現(xiàn)代分析測試設備及多套設備[5]，導致大氣污染控制實驗課程開設的實驗內(nèi)容單一，缺乏新穎性[6-7]，無法滿足提高學生分析解決實際環(huán)境問題能力的培養(yǎng)目標。

（二）學生參與度

學生參與度是確保大氣污染控制工程實驗課程教學取得效果的前提條件之一。目前開設的大氣污染控制工程實驗課程注重于傳統(tǒng)工藝流程的講解，難以體現(xiàn)大氣污染的最新控制技術，而實驗室模型化裝置普遍具有一定的演示效果，污染物的檢測也都配有在線監(jiān)測系統(tǒng)，學生通過教師的演示和講解，大多只進行了簡單重復的機械操作，難以深入思考實驗原理，導致學生參與度較低，容易使學生形成實驗課程即室內(nèi)參觀課的誤區(qū)，無法真正充分地培養(yǎng)學生的實踐動手能力和思考能力，制約了學生的基本操作能力[8]，無法滿足提高學生發(fā)展創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標。

三、實驗課程教學的改革與探索

（一）實驗標準氣體的更改

在填料吸收塔吸收脫除廢氣中的SO2、固定床活性炭（或活性炭纖維）吸附器吸附脫除氣體中的NOx兩個實驗中，實驗目標待處理氣體SO2和NOx（以下用NO2代表）必不可少。但SO2和NO2都為高擴散、強毒性氣體，吸入后對動物和人體的神經(jīng)系統(tǒng)及各組織器官能造成極大損傷[9-10]。GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》及其修改單和GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》對SO2和NO2在環(huán)境空氣中的濃度限定極為嚴格，GB 3095-2012要求文教、居住等二類功能區(qū)，SO2和NO2的1 h平均濃度二級標準限值分別為0.5 mg/m3和0.24 mg/m3[11];GB/T 18883-2002要求室內(nèi)空氣中SO2和NO2的1 h均值分別為0.5 mg/m3和0.24 mg/m3[12]。因此，在實驗室內(nèi)，一旦通風不暢或有微量SO2和NO2發(fā)生泄漏，將對師生的生命安全產(chǎn)生重大威脅[13]。由此可見，需要探索采用既滿足實驗課程教學要求，又具有低毒或無毒的氣體來替代SO2和NO2。例如，CO2氣體毒性相對較低，化學性質(zhì)與SO2類似，可同時滿足填料塔吸收實驗和固定床吸附實驗的基本條件與過程效果，只要配套調(diào)整CO2的測定方法，嘗試用來替代SO2和NO2作為實驗用待測氣是非常值得的。

（二）與大氣環(huán)境監(jiān)測實驗的有效區(qū)分

環(huán)境監(jiān)測實驗課程的主要任務是讓學生掌握常規(guī)監(jiān)測項目的基本方法、原理和技術;培養(yǎng)學生在污染源調(diào)查、布點、采樣、分析方法選擇和進行環(huán)境空氣等環(huán)境要素監(jiān)測方面的能力[14]。但在大氣污染控制工程實驗課程中，大氣污染物的檢測都在實驗室內(nèi)進行，且實驗裝置一般都帶有在線檢測的功能，可達到對大氣污染物快速、方便、連續(xù)和長效的檢測要求。因此，授課教師需要將大氣污染物的在線檢測方法與環(huán)境監(jiān)測實驗課程中學到的國家標準方法、實驗室驗證的成熟統(tǒng)一方法進行有效區(qū)分，重點講授在線檢測方法的利弊和適用條件，鼓勵學生調(diào)查和探討環(huán)境分析檢測的新方法與技術，有條件時可進行兩種方法的分析比對。

（三）與其他課程的交叉融合

普通高等院校環(huán)境科學與工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，流體力學，環(huán)境工程原理等課程均為大氣污染控制工程實驗課程的先修課程，環(huán)境工程設計、環(huán)境材料學等課程則作為其后續(xù)課程。這些課程的特點是難度大、工程實用性強。探索在大氣污染控制工程實驗課程中交叉融合這些課程的相關內(nèi)容或擴展一些興趣實驗，不僅有助于充分調(diào)動學生的積極性，增強學生的參與度，還能加深鞏固所學專業(yè)知識，提高學生的思考和創(chuàng)新能力。

1. 與流體力學或環(huán)境工程原理課程的交叉融合

流量計的種類、工作原理及應用在流體力學或環(huán)境工程原理課程中都有所涉及。填料吸收塔吸收脫除廢氣中的SO2、固定床活性炭（或活性炭纖維）吸附器吸附脫除氣體中NO2的兩個實驗中，實驗裝置大多都安裝計量的玻璃轉子流量計。這一類型流量計精密度不高，測量誤差較大，必須經(jīng)過校正后才能使用。因此，授課教師在實驗之前可為學生開設玻璃轉子流量計校正擴展實驗，即利用皂膜流量計校正玻璃轉子流量計[15]，并利用統(tǒng)計學中的最小二乘法擬合繪制出流量計的校正標準曲線（圖1），增強了流量計計量的準確度。此擴展實驗可幫助學生充分理解流量計在實驗室和工程上的應用，也可培養(yǎng)學生嚴謹?shù)膶W習態(tài)度和工作態(tài)度。除此之外，兩個實驗的實驗裝置中都有氣體混合罐，其作用不僅能緩沖氣流的壓力和流量波動，還能在一定程度上混合目標待測氣體，使其均質(zhì)平穩(wěn)地進入處理系統(tǒng)。授課教師可利用校正后的轉子流量計準確測量混合罐前后的氣體流量，加深學生對流體力學或環(huán)境工程原理課程中管道流體流動類型相關知識的理解。

2. 與環(huán)境工程設計課程的交叉融合

在大氣污染控制工程實驗課程的成套模型化裝置中，安裝有一定數(shù)量的管道和閥門。這些都是工程實際中常見的聯(lián)接流體通路的構件或部件。其中，管道和閥門的連接、布置和選型等都是環(huán)境工程設計課程的重點內(nèi)容之一。授課教師在介紹實驗裝置流程之前，應講解管道的連接方式，主要有法蘭連接、焊接、熔接、螺紋連接、承插連接和溝槽式連接等，市售商用閥門主要有球閥、截止閥、蝶閥、閘閥、旋塞閥、止逆閥、針形閥、轉向閥、防爆安全閥和卸灰閥等。結合該大氣污染控制工程實驗裝置，重點講解和操作法蘭（圖2）如何連接實驗裝置中的金屬管道，球閥如何進行水流或氣流的調(diào)節(jié)與控制。這樣不僅可使學生更直觀地觀察和了解工藝中用到的各種構件或部件，還能為學生學習環(huán)境工程設計等后續(xù)課程提供一定的基礎。

3. 與環(huán)境材料學課程的交叉融合

在固定床活性炭（或活性炭纖維）吸附器吸附脫除氣體中NO2的實驗中，常使用活性炭（或活性炭纖維）作吸附劑，該吸附劑是一種在工業(yè)應用上最為廣泛的環(huán)境材料[16]。授課教師可根據(jù)后續(xù)課程環(huán)境材料學的特點，加深對活性炭（或活性炭纖維）的知識擴展，介紹活性炭（或活性炭纖維）的表面化學組成、內(nèi)部孔道結構、制備方法、性能檢測、市場應用和新型碳材料的發(fā)展等。在實驗課程中通過肉眼觀測和電子顯微鏡觀測活性炭的孔隙結構及表面形貌（改變放大倍數(shù)，圖3），使學生對環(huán)境材料的認識逐漸從宏觀走向微觀，激發(fā)他們的科研興趣。

4. 綜合虛擬仿真實驗的嘗試

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，簡稱VR）技術利用構建高度接近準確的視覺環(huán)境、高度接近自然的交互環(huán)境和高度接近真實的綜合認識環(huán)境優(yōu)勢，讓實驗者無需身臨其境，即可實現(xiàn)探索和認識客觀事物的目的。高校實驗教學基于其理論與實踐的高度結合，將有可能在VR技術的發(fā)展過程中起到推動與引領的作用[17]。大氣污染控制實驗課程的內(nèi)容應緊跟當前大氣污染現(xiàn)狀及人才培養(yǎng)的需求，而大氣污染物的主要來源是工業(yè)活動，特別是對環(huán)境影響較重的冶金和化工行業(yè)，其窯爐大多在高溫、高壓、強氧化條件下操作，具有高危險性，難以在實驗室通過實驗來了解污染物的產(chǎn)生及在環(huán)境中的可能影響。因此，若能使VR技術的特點與實驗教學相融合，必將拓展實驗教學的應用[18]。

為此，我們開展了綜合虛擬仿真實驗——冶金與化工廢氣產(chǎn)生及在大氣環(huán)境中的擴散過程模擬仿真實驗的探索。設計思路綜合考慮從污染物的產(chǎn)生到其在大氣中擴散的全過程，利用虛擬仿真技術對工業(yè)爐窯進行熱力學模擬，通過原材料相圖分析，流體力學仿真模擬計算來得到污染源強，使學生了解反應機理及過程影響因素和生產(chǎn)過程中動量、質(zhì)量、能量等平衡計算原理，掌握熱力學相圖計算的基本原理及方法。結合氣象條件對污染物擴散模式理論的基礎，利用虛擬仿真技術模擬自然環(huán)境中常見的氣象條件，測定不同粗糙度情況下鉛直高度的風速，確定風速廓線指數(shù)，從而掌握風速隨高度變化的規(guī)律，進而對模擬的煙羽通過照相法測定不同地形條件下的大氣擴散參數(shù)，使學生掌握光學輪廓法的原理、方法及污染物擴散的規(guī)律。在此基礎上，結合氣象參數(shù)、地形特征和污染源強等條件進行最佳廠址的選擇。通過綜合虛擬仿真實驗，既可讓學生掌握對課程知識的綜合應用，也可通過虛擬的方式將抽象的過程直觀化及系統(tǒng)化，增加了趣味性，符合當代學生學習的特點。經(jīng)過近兩年的反復溝通和調(diào)整，虛擬仿真實驗V1.0已經(jīng)完成（圖4），目前已進入初期試用階段，受到了學生的歡迎，也提出了改進的建議。

四、結束語

我國大氣污染形勢嚴峻，大氣污染控制工程課程作為環(huán)境科學與工程專業(yè)的核心課程之一，其實驗課程必不可少。根據(jù)現(xiàn)階段我國及各培養(yǎng)單位對環(huán)境保護人才的需求，通過對大氣污染控制工程實驗課程進行一定的教學改革和創(chuàng)新，特別是虛擬仿真技術與高校實驗課程的高效融合，有利于進一步提高學生的專業(yè)水平、實踐技能和創(chuàng)新能力，改善其知識結構，增強其社會競爭力。

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