大气污染控制工程实验教学内容的综合优化

王 娟，方应森，王小强，张跃进

(嘉兴学院生物与化学工程学院，浙江 嘉兴 314033)

专业实践课程是本科教学中必不可少的环节，是培养高素质环境工程人才的基础，它是理论教学与实践的过渡方式，是培养学生工程实践能力的重要环节。特别是20世纪80年代发展起来的成果导向教育理念，彻底改变了传统“以知识为主导”的教学理念，将教学的重点聚焦于“学生产出”，更加注重对学生创新、实践等能力的培养。

大气污染控制工程实验是环境工程专业学生的专业必修实验课程，在专业人才培养中起着举足轻重的作用。通过本课程的学习，可加深学生对大气污染控制工程相关理论知识的理解，提高学生观察及分析问题、解决问题的能力。但目前多数实验教材设置的实验均以验证性实验为主，且实验比较分散。为此路培等[1]提出项目式的研究方法，指出项目式教学模式必须具有整体性、系统性。李玉华等[2]也提出实验教学内容薄弱的问题，提出进行综合实验的设计。刘艳[3]、岳思羽等[4]提出要对实验教学内容及时更新，增设综合性、设计性实验。盛重义[5]、刘效峰[6]、赵兵涛[7]、熊玲[8]也就大气污染控制工程实验的教学提出改革。本文结合嘉兴学院环境工程专业大气污染控制工程实验课程的实际教学情况，分析了当前实验教学内容的不足，提出构建项目式的大气污染控制工程实验综合优化的实验内容设置。

1 实验教学内容及现状分析

我校大气污染控制工程实验设置32学时，共开设7个实验项目，其中基本概念验证性实验项目2个，大气污染物监测实验项目3个，综合设计型实验项目2个；综合设计型实验项目占比接近30%。具体的实验项目有大气环境中NO2浓度监测、粉尘粒径分布测定、粉尘真密度测定、烟气有关参数测定及除尘器除尘效率的测定、室内空气中甲醛浓度测定、室内空气中氨浓度测定、机动车尾气污染物测定、大气环境中SO2浓度监测、吸附法净化SO2效率测定、吸收法净化SO2效率测定和校园环境空气质量监测及质量评价。各实验项目名称及学时如表1所示。

表1 原有实验项目及学时安排

总体来看，大气污染控制工程实验教学内容的设置涵盖了气态污染物和颗粒污染物的基本概念、监测方法及控制技术三个方面的内容。实验内容注重基本原理的验证，通过实验操作，加深对基本理论原理的理解；通过对常见气态污染物监测实验，学生可以动手操作常规采样仪器、了解仪器构造及原理，掌握气体污染物的监测方法步骤及数据处理；通过气态污染物和颗粒物净化技术实验，了解净化原理，理解相关参数对净化工艺的影响，同时，也可以进一步的理解前面的基本原理和监测方法在实际中的应用。最后，在综合设计实验7中，让学生自己独立设计监测方案、选择评价方法，根据监测结果，掌握数据处理方法、分析数据方法及评价的具体文字表达等。总之，大气污染控制工程实验的内容由浅入深、从基本理论到控制技术、从监测方法到监测评价，全过程的学习了大气污染控制技术相关的基本知识点，也锻炼了学生的实际操作能力，同时，培养和强化了学生的工程实践能力。

但在教学内容安排和硬件条件上也存在较为明显的弊端，具体情况如下：

(1)实验内容的设置方面，32学时中60%都是验证性实验，缺少对学生观察及分析问题、解决问题能力的培养。实验项目也分别独立地进行，譬如粉尘的粒径分布、粉尘的真密度、除尘器除尘效率的测定都属于粉尘的基本范畴，但却单独开设三个实验，且安排在不同的周次，学生就很难把三个实验项目有机联系起来，基本上都是被动进行实验，实验教学效果很不理想。校园环境空气质量监测及质量评价虽然是综合实验，但包括采样点设置、监测指标、分析方法、评价方法等内容均有教师具体讲授，缺少学生主动去查阅和创新的部分，学生只是按照教师讲授的步骤去机械的完成任务，实验教学效果也不是很理想。

(2)由于受到经费、场地、学生人身安全等条件的限制，实验室缺少与大气污染控制工程理论课程中挥发性有机物气控制技术、氮氧化物污染控制等重要内容相对应的实验设置，无法完全满足大气污染控制专业人才培养的要求。并且所有实验中用到的试剂，均由老师提前配置好，导致很多简单的试剂学生都不能正确快速的配置。比如室内空气中氨浓度测定时用到的0.01 mol/L硫酸溶液，提问学生如何配置，部分同学还是毫无头绪。此外，由于设备数量所限，比如烟气有关参数测定及除尘器除尘效率的测定实验，3～4人一组，就会导致部分学生投机取巧，不认真实验，达不到预期的实验效果。

(3)所有实验都是有固定的实验步骤和预定的实验结果，没有开设学生自行设计型的实验。因此，在培养学生动手能力和工程实践能力方面，还存在薄弱环节。

(4)某些实验设备的台套数还不是很充足，如净化技术的实验设备只有两套，这样导致学生实际操作的机会比较少，教学效果不理想。

(5)教学内容还不能紧跟信息化时代的要求，缺少虚拟仿真方面的内容。虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实验教学可实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，受实验学时的限制，有关大气净化方法的实验还未能全部涉及到，借助虚拟仿真软件是一个很好的方法，可以让学生课下利用虚拟仿真平台自己线上操作相关净化技术的过程，加深对控制技术原理、设备构造及步骤的理解。

2 实验课程教学内容的设计

针对当前我校大气污染控制工程实验课程教学内容还不够丰富、缺少虚拟仿真等线上环节以及综合能力培养方面的项目不够充实等问题同时结合实验室实验条件、学时安排等情况，提出了如下几点改革措施：

(1)根据大气污染控制工程理论课的内容，将原有开设的较为分散的实验项目进行优化整理，以项目形式呈现。比如，将原有的粉尘粒径分布测定、粉尘真密度测定、烟气有关参数测定及除尘器除尘效率的测定三个实验打包整理成一个关于粉尘的8学时综合实验。在该实验项目，学生可以将粉尘的性质、烟气的性质与除尘性能密切关联起来，通过除尘器进出口粉尘的粒径分析，直观的看出粒径分布对除尘效率的影响；将原来大气环境中SO2浓度监测、吸附法净化SO2效率测定、吸收法净化SO2效率测定三个实验整理成一个实验项目，首先学会SO2浓度的测定方法，然后在设备的进口、出口处取样，通过测定二氧化硫浓度来计算吸收或吸附的净化效率。

(2)将《环境化学》与《大气污染控制工程实验》课程相结合，加深学生对大气污染的认识。在环境化学学习过程中，学生学习了大气环境化学，明确了大气中各种污染物的种类、来源、危害和相互之间的影响机制。但环境化学的实验中没有安排关于大气的实验，导致学生对大气中污染物的转化机制知识点的掌握仅限于理论知识，没有实际实验结果的对照，掌握度较低。因此，将《环境化学》与本课程相结合开展了“NOx和O3的日变化曲线”的8学时实验项目。该项目不仅包括原来的“大气环境中NO2浓度监测”，还增设了O3的浓度监测，同时该项目除了考查NOx和O3浓度监测的方法，还要求会分析NOx和O3的日变化曲线，明确变化的原因。黄小凤等[9]也提到与环境工程原理、环境材料学、环境工程设计等课程的交叉融合。大气污染控制工程实验与多学科的交叉融合，不仅有助于充分调动学生的积极性，增强学生的参与度，还能加深巩固所学专业知识，提高学生的思考和创新能力。

(3)结合教师的科研课题开展“脱硝催化剂的制备及其脱硝效率计算”的8学时实验项目，通过该实验项目，学生要掌握氮氧化物测量仪器的使用方法、脱硝催化反应床的使用方法、脱硝催化剂的常规制备手段以及催化剂脱硝效率的计算方法。学生可进一步理解SCR脱硝技术的原理，也明确脱硝催化剂的制备及脱硝性能对于控制氮氧化物的排放具有重要意义。同时，催化剂的制备没有规定种类和制备方法，学生可自行设计，这就要求学生要查阅资料和确定方法后才能开展实验。

(4)校园环境空气质量监测及质量评价的8学时实验项目已开设了3年，学生反映较好。随着学校新校区的使用，在后续的采样点设置、监测指标、分析方法、评价方法等方面均可由学生自主设置，以提高学生的积极性。学生在实验过程中，不仅掌握了实验技能，也巩固了前期的实验和课堂理论知识。

(5)针对以前实验中缺少挥发性有机物气控制实验的问题，专业实验室已购置了移动床和流化床装置对有机废气吸附脱附实验，通过模拟乙醇有机废气，得出进气浓度、出气浓度、吸附效率、压力损失、管道温湿度、出口风速、转效时间等数据，加深学生对吸附法净化有机废气的原理、活性炭吸附法的工艺流程、移动床和流化床的的区别、活性炭的脱附等理论知识的强化理解。学生也可自行研发高效的吸附剂来检验对有机废气的吸附率，进而提高学生的积极性和参与度。

(6)以虚补实，增加虚拟仿真教学环节，通过虚拟仿真教学系统，将理论与实践一体化，将2D的平面教学更改为3D的全方位立体化教学，同时还能通过虚拟仿真的方式搭建虚拟仿真实训室，让学生在异地也能实现实训教学，真正实现理论和实训一体化教学。如在污染物净化技术实验中引入虚拟仿真实验，老师讲解完实验目的、程序与知识点，学生就可以根据教师的指导和网上指令，按实验步骤，通过理论计算，选择合理的控制参数，输入软件，完成虚拟实验过程，最后提交在线实验报告。特别是疫情期间，学校师生体验着隔屏教与学，师生们从生疏、困惑到适应、成熟，对于师生彼此都是成长，虚拟仿真实验教学项目的投入，可以克服疫情期间无法进行实验教学的困难，也可以提高学生线上实验学习的兴趣。

拟增加的大气污染控制工程实验虚拟仿真实验内容有：挥发性有机污染物(VOCs)净化及资源化化工艺虚拟仿真综合实验、典型烟气脱硫脱硝3D仿真工厂、燃煤电厂大气污染物排放协同控制及迁移扩散虚拟仿真实训教学实验、旋风除尘实验3D仿真实验、板式静电除尘实验3D仿真实验、碱液吸收实验3D仿真实验和环境常见大气污染物检测虚拟仿真实验。通过增加这些仿真实验，可以实现对原有实验室现场操作实验的补充，同时，对于受条件限制无法进行的实验可以实现线上模拟操作，此外，借助虚拟仿真实验的补充，大气污染控制工程实验的教学内容涵盖面更全面，既有单一技术的实验内容，又有实际工程中综合的工况条件下的模拟实验，也有工厂化的模拟实验，这样更有利于学生接触到实际工程中遇到的场景，对于工程能力的培养有极大的促进作用。

3 结 语

总而言之，在实验条件、实验学时不变的情况下，尽量使开设的实验项目不仅要有整体性、系统性，还需要不断创新，进而培养学生的创新精神，使之具备解决实际问题的能力。同时，将虚拟仿真实验教学引入大气污染控制工程实验教学，虚拟与现实交织，助力学生实践能力的提高，应该是一个很好的方法。此外，该课程作为大气污染控制工程理论课的辅助课程，应根据其教学要求充分发挥学生的积极主动性，由学生自主实践，更加全面和完整地掌握各种理论及技能，为学生将来从事大气污染控制工程的相关工作打下基础。