大气污染控制工程实验课程教学改革与探索

2022-03-24黄小凤马丽萍蒋明张朝能史建武朱文杰戴取秀

高教学刊 2022年6期

黄小凤马丽萍蒋明张朝能史建武朱文杰戴取秀

摘要：分析环境工程专业实验包括的大气污染控制实验课程教学的现状和存在的问题，探讨实验课程教学内容的改进途径，特别是实验标准气的更改、有效区分大气环境监测实验及与其他课程的交叉融合等事项，完成冶金及化工废气在大气环境中产生及扩散过程模拟仿真实验的初步探索。

关键词：实验课程;教学改革;大气污染控制

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

隨着全球环境问题的日益凸显，公众的环境保护意识及对美好环境的向往日渐增强。截至2021年6月，我国设有环境工程专业的高校共计382所，还有部分高校开设了与生态环境相关的本科专业，如环境科学、再生资源科学与技术和生态学等专业。大气污染控制工程课程是生态环境相关专业的主干核心课程之一，该课程主要讨论大气污染的基本规律、污染控制的技术方法和工程原理，培养学生掌握分析和解决各类型大气污染问题的能力。而大气污染控制工程实验既是环境工程专业重要的实践教学环节、环境工程专业实验课程的主要内容，也是为学生进一步深入学习、理解和掌握大气污染控制方法及原理的辅助教学过程。

一、实验课程的目的与内容

（一）实验课程的主要目的

环境工程专业实验课程是环境工程专业学生核心理论课程的实践教学环节，通常为生态环境类相关专业三年级或四年级本科生开设，实验内容涉及大气污染控制、水污染控制及固体废物处理与处置。通过大气污染控制工程实验课程可使学生掌握大气污染控制工程的基本实验方法和操作技能，学会正确使用与大气污染控制相关的仪器和实验设备，并掌握严谨处理实验数据的科学方法，加深和巩固对所学理论知识的理解，使学生在理论与实践相结合的基础上进行科学研究，培养学生分析解决实际环境问题和发展创新的能力[1-4]。

（二）实验课程的主要内容

由于大气污染控制工程课程的主要难点集中在大气扩散、微细颗粒物的控制和气态污染物净化等方面，其相应的实验内容也重点围绕这些难点来设置。一般来说，大气污染控制工程实验课程针对部分内容开设4～5个实验，每个实验4～6学时，共16～30学时。常见的实验有风速廓线指数测定或大气扩散参数测定、填料吸收塔吸收脱除废气中的SO2、固定床活性炭（或活性炭纤维）吸附器吸附脱除废气中的NOx和除尘设备（静电除尘、袋式除尘或旋风布袋联合除尘器）的性能测定等。

二、实验课程教学的现状

（一）实验硬件设施

实验设施是确保大气污染控制工程实验课程教学顺利开展的必备条件之一。大气污染控制工程实验课程中常用到如SO2、NOx等有毒有害气体和易爆粉尘，因此对实验室及相关实验设施的安全性、环境友好性、有效管理和应急预案等提出了更高的要求。除此之外，现有实验装置及其演示设备通常占地面积大、价格较高，普通高校受场地和经费的限制，难以购置性能优良的现代分析测试设备及多套设备[5]，导致大气污染控制实验课程开设的实验内容单一，缺乏新颖性[6-7]，无法满足提高学生分析解决实际环境问题能力的培养目标。

（二）学生参与度

学生参与度是确保大气污染控制工程实验课程教学取得效果的前提条件之一。目前开设的大气污染控制工程实验课程注重于传统工艺流程的讲解，难以体现大气污染的最新控制技术，而实验室模型化装置普遍具有一定的演示效果，污染物的检测也都配有在线监测系统，学生通过教师的演示和讲解，大多只进行了简单重复的机械操作，难以深入思考实验原理，导致学生参与度较低，容易使学生形成实验课程即室内参观课的误区，无法真正充分地培养学生的实践动手能力和思考能力，制约了学生的基本操作能力[8]，无法满足提高学生发展创新能力的培养目标。

三、实验课程教学的改革与探索

（一）实验标准气体的更改

在填料吸收塔吸收脱除废气中的SO2、固定床活性炭（或活性炭纤维）吸附器吸附脱除气体中的NOx两个实验中，实验目标待处理气体SO2和NOx（以下用NO2代表）必不可少。但SO2和NO2都为高扩散、强毒性气体，吸入后对动物和人体的神经系统及各组织器官能造成极大损伤[9-10]。GB 3095—2012《环境空气质量标准》及其修改单和GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》对SO2和NO2在环境空气中的浓度限定极为严格，GB 3095-2012要求文教、居住等二类功能区，SO2和NO2的1 h平均浓度二级标准限值分别为0.5 mg/m3和0.24 mg/m3[11];GB/T 18883-2002要求室内空气中SO2和NO2的1 h均值分别为0.5 mg/m3和0.24 mg/m3[12]。因此，在实验室内，一旦通风不畅或有微量SO2和NO2发生泄漏，将对师生的生命安全产生重大威胁[13]。由此可见，需要探索采用既满足实验课程教学要求，又具有低毒或无毒的气体来替代SO2和NO2。例如，CO2气体毒性相对较低，化学性质与SO2类似，可同时满足填料塔吸收实验和固定床吸附实验的基本条件与过程效果，只要配套调整CO2的测定方法，尝试用来替代SO2和NO2作为实验用待测气是非常值得的。

（二）与大气环境监测实验的有效区分

环境监测实验课程的主要任务是让学生掌握常规监测项目的基本方法、原理和技术;培养学生在污染源调查、布点、采样、分析方法选择和进行环境空气等环境要素监测方面的能力[14]。但在大气污染控制工程实验课程中，大气污染物的检测都在实验室内进行，且实验装置一般都带有在线检测的功能，可达到对大气污染物快速、方便、连续和长效的检测要求。因此，授课教师需要将大气污染物的在线检测方法与环境监测实验课程中学到的国家标准方法、实验室验证的成熟统一方法进行有效区分，重点讲授在线检测方法的利弊和适用条件，鼓励学生调查和探讨环境分析检测的新方法与技术，有条件时可进行两种方法的分析比对。

（三）与其他课程的交叉融合

普通高等院校环境科学与工程专业的培养方案中，流体力学，环境工程原理等课程均为大气污染控制工程实验课程的先修课程，环境工程设计、环境材料学等课程则作为其后续课程。这些课程的特点是难度大、工程实用性强。探索在大气污染控制工程实验课程中交叉融合这些课程的相关内容或扩展一些兴趣实验，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。

1. 与流体力学或环境工程原理课程的交叉融合

流量计的种类、工作原理及应用在流体力学或环境工程原理课程中都有所涉及。填料吸收塔吸收脱除废气中的SO2、固定床活性炭（或活性炭纤维）吸附器吸附脱除气体中NO2的两个实验中，实验装置大多都安装计量的玻璃转子流量计。这一类型流量计精密度不高，测量误差较大，必须经过校正后才能使用。因此，授课教师在实验之前可为学生开设玻璃转子流量计校正扩展实验，即利用皂膜流量计校正玻璃转子流量计[15]，并利用统计学中的最小二乘法拟合绘制出流量计的校正标准曲线（图1），增强了流量计计量的准确度。此扩展实验可帮助学生充分理解流量计在实验室和工程上的应用，也可培养学生严谨的学习态度和工作态度。除此之外，两个实验的实验装置中都有气体混合罐，其作用不仅能缓冲气流的压力和流量波动，还能在一定程度上混合目标待测气体，使其均质平稳地进入处理系统。授课教师可利用校正后的转子流量计准确测量混合罐前后的气体流量，加深学生对流体力学或环境工程原理课程中管道流体流动类型相关知识的理解。

2. 与环境工程设计课程的交叉融合

在大气污染控制工程实验课程的成套模型化装置中，安装有一定数量的管道和阀门。这些都是工程实际中常见的联接流体通路的构件或部件。其中，管道和阀门的连接、布置和选型等都是环境工程设计课程的重点内容之一。授课教师在介绍实验装置流程之前，应讲解管道的连接方式，主要有法蘭连接、焊接、熔接、螺纹连接、承插连接和沟槽式连接等，市售商用阀门主要有球阀、截止阀、蝶阀、闸阀、旋塞阀、止逆阀、针形阀、转向阀、防爆安全阀和卸灰阀等。结合该大气污染控制工程实验装置，重点讲解和操作法兰（图2）如何连接实验装置中的金属管道，球阀如何进行水流或气流的调节与控制。这样不仅可使学生更直观地观察和了解工艺中用到的各种构件或部件，还能为学生学习环境工程设计等后续课程提供一定的基础。

3. 与环境材料学课程的交叉融合

在固定床活性炭（或活性炭纤维）吸附器吸附脱除气体中NO2的实验中，常使用活性炭（或活性炭纤维）作吸附剂，该吸附剂是一种在工业应用上最为广泛的环境材料[16]。授课教师可根据后续课程环境材料学的特点，加深对活性炭（或活性炭纤维）的知识扩展，介绍活性炭（或活性炭纤维）的表面化学组成、内部孔道结构、制备方法、性能检测、市场应用和新型碳材料的发展等。在实验课程中通过肉眼观测和电子显微镜观测活性炭的孔隙结构及表面形貌（改变放大倍数，图3），使学生对环境材料的认识逐渐从宏观走向微观，激发他们的科研兴趣。

4. 综合虚拟仿真实验的尝试

虚拟现实（virtual reality，简称VR）技术利用构建高度接近准确的视觉环境、高度接近自然的交互环境和高度接近真实的综合认识环境优势，让实验者无需身临其境，即可实现探索和认识客观事物的目的。高校实验教学基于其理论与实践的高度结合，将有可能在VR技术的发展过程中起到推动与引领的作用[17]。大气污染控制实验课程的内容应紧跟当前大气污染现状及人才培养的需求，而大气污染物的主要来源是工业活动，特别是对环境影响较重的冶金和化工行业，其窑炉大多在高温、高压、强氧化条件下操作，具有高危险性，难以在实验室通过实验来了解污染物的产生及在环境中的可能影响。因此，若能使VR技术的特点与实验教学相融合，必将拓展实验教学的应用[18]。

为此，我们开展了综合虚拟仿真实验——冶金与化工废气产生及在大气环境中的扩散过程模拟仿真实验的探索。设计思路综合考虑从污染物的产生到其在大气中扩散的全过程，利用虚拟仿真技术对工业炉窑进行热力学模拟，通过原材料相图分析，流体力学仿真模拟计算来得到污染源强，使学生了解反应机理及过程影响因素和生产过程中动量、质量、能量等平衡计算原理，掌握热力学相图计算的基本原理及方法。结合气象条件对污染物扩散模式理论的基础，利用虚拟仿真技术模拟自然环境中常见的气象条件，测定不同粗糙度情况下铅直高度的风速，确定风速廓线指数，从而掌握风速随高度变化的规律，进而对模拟的烟羽通过照相法测定不同地形条件下的大气扩散参数，使学生掌握光学轮廓法的原理、方法及污染物扩散的规律。在此基础上，结合气象参数、地形特征和污染源强等条件进行最佳厂址的选择。通过综合虚拟仿真实验，既可让学生掌握对课程知识的综合应用，也可通过虚拟的方式将抽象的过程直观化及系统化，增加了趣味性，符合当代学生学习的特点。经过近两年的反复沟通和调整，虚拟仿真实验V1.0已经完成（图4），目前已进入初期试用阶段，受到了学生的欢迎，也提出了改进的建议。

四、结束语

我国大气污染形势严峻，大气污染控制工程课程作为环境科学与工程专业的核心课程之一，其实验课程必不可少。根据现阶段我国及各培养单位对环境保护人才的需求，通过对大气污染控制工程实验课程进行一定的教学改革和创新，特别是虚拟仿真技术与高校实验课程的高效融合，有利于进一步提高学生的专业水平、实践技能和创新能力，改善其知识结构，增强其社会竞争力。

参考文献：

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