大气污染控制工程实验教学改革与实践

刘效峰　白慧玲　李亚青　梁美生　牟玲

摘要：大气污染控制工程是环境工程专业的一门必修专业主干课，目前开设的大气污染实验在内容设置、教学方法等方面存在问题，为培养创新型环境专业人才需进行实验教学改革。以太原理工大学大气污染控制工程实验教学为例，完善实验室教学资源的配置，开设与课程密切相关的实验内容，并结合科研课题和大学生创新项目拓展實验，设计有关大气污染研究前沿的实验内容。优化大气污染实验教学方法，建立完善的实验教学体系，学生进行主动探究式学习，体现了学生中心地位的翻转课堂的教学模式。大气污染实验教学改革在2017年4月—6月期间实施成果显著，学生主动学习、勤于思考，能够设计实验方案，熟练操作仪器设备，为培养创新型环境专业人才打下坚实基础。

关键词：大气污染;实验教改;探究式学习;翻转课堂;创新型人才

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）16-0192-03

我国大气污染问题日趋复杂，已经由单一的煤烟型污染转化为煤烟型与机动车尾气污染共存的复合型污染，光化学烟雾和灰霾频频发生，有效控制大气复合污染成为当前国家的重大需求和国际共同关注的热点[1，2]。大气污染控制工程课程是环境工程专业本科生的一门必修专业主干课，通过本课程的学习，使学生掌握大气污染的基本理论和控制技术，培养学生分析和解决有关大气污染问题的能力，为学生从事大气污染控制工程的设计、科研、环境规划与管理工作奠定重要基础[3]。大气污染控制工程课程内容多、知识面广、复杂抽象问题多、知识联系性强，内容涵盖了大气污染控制的基本原理、主要方法和有关设计计算等方面[4]。为了学生能够更好地掌握课程内容，将理论知识与实际联系起来，必须开设相关实验教学内容[5，6]。大气污染实验教学改革和实践通过结合科研课题和大学生创新项目拓展实验内容、优化教学方法，注重大学生实践操作和创新思维的培养[7，8]，为大气污染控制工程课程课堂教学提供了必要的支撑条件，对教学目标的实现具有重要意义，为培养适应当前大气污染新形势的创新型环境专业人才提供必要的基础。

一、实验课程教学现状

环境工程专业大气污染控制工程课程内容繁多[9]，包括燃烧与大气污染、大气污染气象学、气态污染物净化技术、颗粒物的净化技术、局部排风净化系统的设计计算等方面的内容，本校环境工程专业该课程总学时为64学时，其中6学时为实验课程，实验教学现状及存在问题如下所述。

（一）实验内容难以体现课程主要内容

大气污染控制工程课程实验室拥有6套青岛崂山生产的中流量采样器，实验教学包括2个实验，分别为大气环境中TSP（或PM10）浓度监测、大气环境中SO2浓度监测。这2个实验主要是通过中流量采样器采集TSP（或PM10）和SO2样品，分别利用重量法和盐酸副玫瑰苯胺法确定浓度。实验过程学生学习了现场采样的操作流程、实验数据的处理分析技能，并且掌握了实验分析的质量保证。由于实验课时有限，实验过程的某些环节由教师进行操作，如盐酸副玫瑰苯胺法测定SO2浓度中标准曲线由教师完成，学生没有进行完整的实验操作流程，学生无法理解标准曲线的绘制及应用。另外，实验缺少与大气污染控制工程课程颗粒物与气态污染物控制技术等重要内容相对应的实验内容，无法完全满足大气污染控制专业人才培养的要求。

（二）实验教学方法难以调动学生的积极性

大气污染控制工程课程实验教学方法主要是教师现场讲解实验步骤、演示仪器设备的使用，然后学生按照实验流程进行实验操作、课后撰写实验报告，并对数据进行分析讨论。实验过程学生只是简单、机械地重复实验操作，难以调动学生的积极性，而且学生没有进行深入思考。如大气环境中TSP（或PM10）浓度监测实验，TSP（或PM10）浓度利用重量法测定，学生只是机械地记录数据，采集的滤膜样品还可以进行哪些分析项目、这些项目对大气污染的研究有何意义等问题，学生并未思考。为了充分调动学生参与实验的积极性，培养环境工程学科的创新型人才，需要改革现有的实验教学方法和教学手段。

二、实验课程教学改革

针对以上问题，基于翻转课堂的教学模式，从实验内容和教学方法等方面对大气污染控制工程课程实验进行教学改革，紧密联系课程教学内容、丰富实验内容，充分调动学生的积极性，使学生能够选用实验装置、设计实验方案，采用科学的方法开展实验，并能够正确采集、分析数据，讨论实验结果，获得合理有效的结论。

（一）改革实验内容，开设体现课程内容及大气污染研究前沿的实验

大气污染控制工程涉及到的大气污染实验内容众多[10]，应开设与该课程紧密相关的实验。颗粒物的净化技术是《大气污染控制工程》的重点内容之一，基于此，开设电除尘器性能测定实验，结合实验过程，使学生掌握电除尘器的基本结构、除尘效率的影响因素，深刻理解课程内容。针对气态污染控制技术开设碱液吸收二氧化硫（SO2）、活性炭吸附低浓度挥发性有机物（VOCs）两个实验，SO2和VOCs分别是二次无机离子（SO^2-₄）和二次有机气溶胶的重要前体物，而二次颗粒物对PM2.5有重要贡献，对SO2和VOCs这两类污染物的控制可以改善环境空气质量。同时还增设了室内空气污染物监测实验，测定空气中甲醛浓度。将大气环境中TSP（或PM10）浓度监测改为当前备受关注的PM2.5浓度监测实验，只需要在原有中流量采样器基础上增加PM2.5采样切割头。

（二）结合科研课题和大学生创新项目，拓展实验内容

结合科研课题和大学生创新项目[11]，拓展活性炭吸附低浓度VOCs和PM2.5浓度监测2个实验的内容。目前VOCs和PM2.5是大气污染领域研究的热点，诸多学者关注VOCs的排放清单、组成，以及PM2.5空间分布、时间分布、化学组成方面的研究[12，13]。为锻炼学生实验设计能力、培养创新型环境工程学科人才，对于活性炭吸附低浓度VOCs和PM2.5浓度监测学生可以选择其中1个实验，分组设计拓展实验内容，方案设计过程组员需要互相配合，能够培养学生的团队协作能力。实验方案设计需要学生查阅大量文献，了解目前VOCs或PM2.5的研究现状，熟悉采集测试过程，掌握数据分析处理方法，该过程学生进行主动探究式学习，体现了以学生为中心的教学模式。

（三）保证实验硬件条件，确保实验设备数量

环境工程专业2014级、2015级学生人数都为120名左右，在改革大气污染实验内容的同时必须保证实验的硬件条件。本校环境工程专业本科实验室已配备电除尘设备4套、碱液吸收二氧化硫设备4套、活性炭吸附低浓度VOCs设备4套、室内空气污染监测仪器15套、颗粒物中流量采样器6套，大气实验室面积已达到300平方米。

（四）改进实验教学方法，调动学生参与实验的积极性

大气污染控制工程课程实验具有很强的工程性，实验原理和设备复杂，实验过程耗时长，往往一个实验内容需要数名学生相互配合完成，因此应建立和完善实验教学体系、改进实验教学方法，达到实验教学目标。改变原来的教师现场简单演示、学生验证实验过程的教学方法，建立以学生为中心的翻转课堂教学模式[14，15]。首先学生预习实验内容，找出与实验相对应的理论课程知识点，学生要根据课程内容设计实验方案，分析实验方案的可行性;然后教师利用多媒体讲解实验原理，并配合相应的动画和图片演示实验过程，调动学生对实验的兴趣;最后教师现场演示，学生操作实验设备，按照学生设计的实验方案完成实验过程，将实验实践过程与理论知识点联系起来，使学生更加深刻理解课堂教学内容，达到较好的教学效果。另外，将学生分组进行实验，每组学生3—4人，既可以使每个学生都参与到实验中，又可以增强学生团队合作意识。

三、实验课程教学实践

大气污染控制工程课程实验改革已在环境工程2014级学生中实施，该年级环境工程专业分为4个班级，共116人。由于教学计划中实验学时数为8，故环境工程2014级学生在2016—2017年度第二学期大气污染控制工程课程实验教学中开设了4个实验，分别为电除尘器伏安特性曲线和效率测定、Na2CO3吸收二氧化硫、活性炭吸附甲醇和室内空气甲醛污染监测，每个实验2学时。电除尘器性能测定、碱液吸收二氧化硫、活性炭吸附甲醇这3个实验，学生分10批，每组3名学生;室内空气甲醛污染监测实验将学生分为4批，每组2名学生。

大气污染控制工程实验每组2—3名学生，确保每位学生在实验过程均能实际操作，实验过程学生勤于思考，能够联系课程内容分析实验原理，并合理分析处理数据，加深对课程相关内容的理解和掌握，具备了基本的实验操作技能，为培养创新型环境专业人才打下坚实的基础。实验教学过程学生进行主动的和探究式的学习，学生设计实验方案、实施方案、分析结果，体现了学生中心地位的翻转课堂的教学模式[14-16]。

四、结语

针对大气问题的新特点，本校环境工程专业改革了大气污染控制工程课程实验实践教学，开设了与理论知识关联密切的大气污染实验内容，优化了实验教学资源的配置，建立和完善了实验教学方法和教学体系。开设的实验内容丰富，涵盖了大气污染控制工程课程颗粒物的净化、气体污染物的控制等主要内容，同时体现了挥发性有机物的控制、甲醛监测、PM2.5监测等当前的环境热点问题。实验改革实施后改变了原有的现场演示实验设备操作、学生机械验证实验过程的教学手段，学生设计实验方案、实施方案、分析结果，充分调动学生的积极性，学生变被动接受式学习为主动探究式学习，将理论知识与实验实践过程紧密结合，对大气污染控制工程课程教学目标的实现、环境工程专业创新型人才的培养具有重要意义。

大气污染控制工程课程实验改革在环境工程2014级学生实施中，开设了电除尘器伏安特性曲线和效率测定、Na2CO3吸收二氧化硫、活性炭吸附甲醇和室内空气甲醛污染监测4个实验，PM2.5监测未列入开设实验，今后确保5个实验均开设，活性炭吸附甲醇和PM2.5监测学生选做1个，另外3个实验为必做实验，并且加强活性炭吸附甲醇和PM2.5监测实验的拓展内容。

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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年度太原理工大学教育教学改革项目，项目名称：“大气污染控制工程”课程实验教学改革与实践

作者简介：刘效峰（1977-），女，山西长治人，副教授，硕士生导师，博士，研究方向;大气污染控制。