大气污染控制设备课程利用Solidworks辅助教学的研究与实践

叶天然，陈宜华，贾 勇，练建军

(安徽工业大学 能源与环境学院，安徽 马鞍山 243032)

一、引言

随着社会经济的快速发展，环保产业尤其是设备制造业对环保设备工程方面专业人才的需求量越来越大[1]。大气污染控制设备课程作为环保设备工程专业的必修课，旨在培养学生分析和解决大气污染问题的能力，为学生进行大气污染控制设备设计、研发及运行管理打下必要的基础。

随着信息时代的到来，教育教学模式和学习方式发生了极大的改变，从数字资源、多媒体教学到各平台的在线教学，信息技术已成为现代教育改革和发展的重要支持力量。为积极响应新工科建设，强化实践教学，多渠道激发学生创新实践能力，我们采用Solidworks软件进行案例辅助教学，将现代技术深度融入课堂，通过立体动态展示设备结构及装配特点，提高课堂教学质量与效果，同时提高学生的空间想象能力、增强实践应用能力。

二、Solidworks融入大气污染控制设备课程教学的必要性

(一)现代计算机技术在教学中的作用

在信息技术迅猛发展的当代，计算机技术已成为推动时代进步的产物，对于现代教育事业来说，计算机技术的应用以及多媒体的使用，使教育模式发生很大转变，教学方法变得更加多元化。一些复杂的、抽象的知识点通过计算机技术，能够形象地、动态地、直观地展示给学生，使教学过程充满科学性和趣味性。学生不仅更容易接受，还开阔了眼界，思维更加活跃，课程参与度提高，学习效果事半功倍[2]。计算机技术同时还提供了一个巨大的资料库，使教育教学资源更为丰富，为不同学科的教学提供了更多专业的素材，扩充了学生的知识面，同时也为学生自主学习创造了条件，学生查找资料更为迅捷，且不受地域与时间的限制。因此，积极地运用现代计算机技术，对于深化教育教学改革，丰富教学资源，拓展传统教育模式和途径意义重大[3]。

(二)课程教学现状

传统大气污染控制设备课程教学通常是以教师讲授为主，在讲解工艺设备时虽然会适当借助多媒体方式，如PowerPoint、Flash等，来较为生动形象地展示大气治理工艺及设备。尽管在一定程度上丰富了教学方式，提高了教学效果，但多数课件及视频只是简单展示工艺设备的轮廓或者是运行特点，反映不了工艺设备的真实尺寸，无法解决大气设备课程教学的重难点问题。由于缺乏对实际大气控制设备的感性认识，学生在一定程度上对内部构造以及设备内零件的契合关系无法准确把握，导致学生在后续课程设计中仍然不能够准确进行设备选型和主体构筑物设计。

大气污染控制设备课程没有与之匹配的课内实验学时，一定程度上降低了学生实践和工程能力，抑制了学生的学习积极性，教学效果明显降低。由于设备本身构成复杂，若要构建完善的大气设备实验平台需要大量的资金投入。尽管目前计算机虚拟仿真技术可以通过交互式的操作，给学生带来感染力较强的实验环境[4]，但目前仿真技术在颗粒及气态污染物治理方面的课件，更多倾向于工艺的实操，对大气设备的结构认知等方面针对性不强，且共享平台也不完善。此外，虚拟仿真软件需在特定的操作系统环境下开展模拟，在一定范围内也抑制了学生学习的热情。

三、Solidworks融入大气污染控制设备课程教学的探索

(一) Solidworks软件技术特点

Solidworks是世界上第一个基于windows系统开发的三维设计软件，具有人性化的操作界面，人机交互感强且易学易用，只要在电脑上安装相应软件，就可以开展相应的设计展示工作，因此，是目前国内外实际工程市场和教育领域中应用较为广泛的三维设计软件之一[5]。与传统的二维制图相比，它通过建立全相关的三维实体模型，不仅可以直观展示各零部件的规格、形状、材质，还可在装配体中展现各零部件之间的配合关系，最终实现整体设备的可视化，并为加工生产提供详尽的符合相应标准的工程图，是一个集设计、生产、管理于一体的全生命周期软件。同时，基于三维软件装配及运动仿真功能，还可以直观、动态地表现结构件以及设备的运动状态，激发学生学习兴趣的同时，也可帮助学生全面了解设备内部构造，增强对于设计全生命周期的理解，丰富设计创新能力，为以后走向工作岗位打下坚实基础。

(二)课程内容特点

大气污染控制设备课程内容主要涵盖了颗粒物及气态污染物控制的原理和方法，以及相关大气污染物处理处置设备结构特点、设计选型及运行控制等。其中设备的结构特点及设计选型内容是课程的教学重点，但大气控制设备具有设备结构复杂、空间立体感强的特点，采用传统的教学手段很难使学生对其形成一定的感性认识。设备运行过程复杂，如不能很好掌握设备的结构特点，也很难对设备的运行参数做到全面的理解。随着国家环保政策越来越严格，对环保设备的污染物控制水平要求越来越高，根据最新排放标准及相应的污染物特征进行合理的设计选型，要求课程必须增加高质量实体设备结构素材，以强化学生对主流处理设备的感性认识，同时增加实践教学内容，增强教学互动，提高学生学习积极性，从而保证学习效果的达成。

(三) Solidworks融入大气污染控制设备课程教学的路径

为了全方位覆盖教学内容中涉及的控制设备，课题组从实际教学内容出发将工艺设备按类型划分为颗粒物控制设备和气态污染物控制设备两大部分。每一部分都由工程经验丰富的教师带头，从实际工程案例出发，以最新行业标准为依据结合设计手册，完善设备的设计计算。通过实际走访企业，获得实际应用设备相关的第一手资料和照片，课题组教师以此为基础分工合作，完成相关设备基础模型的构建。同时利用环保设备专业课程三维设计教学环节，采用分组合作的形式，先由学生分组完成部分构筑物绘制，再统一装配构建完整设备模型。这样不仅提升了学生的三维建模能力，同时也强化了学生对专业知识的理解，提高了学生的参与度和团队协作能力。目前，已创建旋风除尘器、袋式除尘器、电除尘器、脱硝设备等多个具体的三维模型库。

以模型实际工程案例开展案例教学，帮助学生掌握设计步骤的同时，通过Solidworks直观展示设备的主体结构，并结合重要的设备设计和选型参数，在三维主体结构基础上对设备进行内部精细结构组装与展示，加深学生对内部结构了解的同时，帮助学生理解影响设备整体运行的参数。通过对工艺设备的结构单元、构筑物属性、附属配套设备等层层推进，充分串联起章节学习的重要知识点，使学生建立起立体的知识体系，直观清晰了解到所学知识的应用场景与应用潜力。同时，三维设计还有一大优点就是三模块联动，对零件中的某一尺寸进行调整后，相关联的装配体和工程图尺寸都会随着改变，可谓“牵一发而动全身”。在教学过程中我们鼓励学生主动查阅课程相关课外知识，发挥想象，大胆对设备结构尺寸进行调整，在给出结构变化合理依据前提下，将改后的设备通过模型直观展示出来，使课程教学更加生动形象，学生设计成就感和积极性也更高。装配后的部件还可以实现运动仿真、动画模拟真实的翻板开合，便于观察各部分的运转干涉情况，出现问题随时进行调整。模拟真实的设计过程，进一步提高学生的学习兴趣。通过理论学习与设计技能相结合的教学，不仅锻炼了学生设计能力，也培养了学生的工程素养、工匠精神，实现学生的专业技能和设计能力的提高。

四、Solidworks在大气污染控制设备课程教学中的应用——“袋式除尘器”案例教学

袋式除尘器是目前工业场合应用较为广泛的除尘设备，在教学过程中除了要求学生理解袋式除尘器的原理及运行影响参数外，还需了解袋式除尘器的构造并掌握设备的设计选型。因此，在讲解完袋式除尘基本原理之后，我们引入“某钢铁厂电炉烟尘治理设备设计”案例开展相关教学活动，并在教学过程中坚持以学生为主导，以启发式教学充分调动学生学习主动性与积极性。首先，结合给定的工艺条件和烟气参数，引导学生查阅钢铁企业污染物排放标准，完成风量和除尘效率计算。考虑烟气特性和需满足的去除效率等进行滤料和清灰方式的选择，并确定袋式除尘器的过滤气速，完成过滤总面积的计算。其次，融入Solidworks以零件图形式优先展示单个滤袋结构与大小，结合总过滤面积，确定袋式除尘器滤袋数量。并通过装配体形式形象反映滤袋的排布规律、原则以及空间位置特点，最终确定并展示袋式除尘器的主体结构。

除主体除尘室外，袋式除尘设备还由上箱体、脉冲系统、灰斗及外部支撑等若干结构单元构成。通过对脉冲系统中气包、控制阀、脉冲阀、喷吹管和空气诱导器等结构进行细致展示，使学生了解到脉冲喷吹系统结构以及其对袋式除尘器运行的影响。通过对整体设备的装配演示，不仅让学生直观了解到袋式除尘设备各结构单元的配合关系及空间位置特点，且最大化地将现实环保工艺设备运行影响参数立体展示讲解，让学生理解各结构单元对设备运行效率的影响，同时，加深学生对整体设备的认识，提高教学质量。

此外，为了让课程内容跟上社会形势变化，以颗粒物超低排放为课外拓展延伸，鼓励学生主动查阅文献资料，对结构和设计参数进行调整。引导学生发散思维，理解降低气速或改变滤袋结构可以增大袋式除尘器过滤面积，从而提高捕集效率满足超低排放要求，实现节能减排目标。将袋式除尘器三维模型分享至班级学习群，学生可自行下载，除课后巩固学习外，还可将调整了零件结构或参数的袋式除尘器通过模型直观展示出来，并在群里进行分享交流。这样不仅使课堂学习得到了有效延伸，还让学生将所学与社会实际相联系，真正实现理论与实践的结合。

五、Solidworks融入大气污染控制设备课程教学的效果和持续改进

(一)课程教学成效

通过三维软件辅助教学，学生的参与度及学习兴趣得到提高。由于结合实际工程案例，学生知道自己所学的知识与实际是紧密相连的，学习主动性明显提高，带着问题参与课堂讨论的学生增多了。课程中抽象的、较难理解的设备构造及运行参数等重难点，在三维软件辅助教学过程中，由于学生更直观看到了设备的内部结构，知识结构更为立体形象，各结构单元在设备中的作用及功能学生也更容易掌握。课程的教学效果和质量都得到较大的改善。

Solidworks软件的课堂应用一定程度上也丰富了课程的实践方式，使学生对设计流程有了更直观的认识，对大气控制设备的结构、尺寸、材质和安装有了感性的认识，虽离真正的实操技能水平还有差距，但可以较快速地适应岗位需求。尤其越来越多的环保公司工艺设备设计都开始从二维平面向三维立体转变，Solidworks软件的熟练运用，针对性强，为学生走向工作岗位奠定了坚实的基础。

(二)课程教学反思与改进措施

环保设备发展日新月异，而我们构建的模型库仍是有限的。在今后的教学过程中，仍需从多角度出发不断丰富充实案例模型，拓展学生的知识面。其次，设备装配演示时，软件操作会使课程完整流畅性大大降低，且学生交互体验性及实操性等多方面仍有些不足。因此，如何利用计算机实现师生同步操作、完善方法与技巧、提高互动教学效果，仍是今后课堂教学方法改革的重点。

培养学生的自主学习能力也是课程教学目标达成的重要手段，在教学过程中要充分合理利用网络教学资源，培养学生自主学习能力。以赛促学，增设课内设计竞赛活动，充分调动学生学习课程相关知识的主动性，增强实际设计动手能力，通过交流互动提高学生的团队协作能力，不断激发学生的创新精神。

由于本课程涉及的知识点多，实践性要求较高，对知识点的深入讲解及知识点间的关联性都有赖于教师扎实的理论功底和实践经验。对现有知识进行梳理，同时能敏锐捕捉到学科前沿发展动态，从高效、低耗的新型大气控制设备出发，不断挖掘和充实高质量的教学素材等。教师应多走出去，不断汲取新知识，强化自身的工程实践经验，并加强课题组内合作与交流，使有效的教学方法与经验得到传承与共享。

六、结语

三维设计工程化应用前景可观，充分应用于课堂教学中，不仅可以提高课堂教学效果，还可以强化学生的工程实践能力，在环保设备专业教学中具有很强的推广应用价值。