《物理性污染控制》工程设计实践教学体系的建立及思考

李厚芬 端 允 温月丽 闫少辉 陈 曦

太原理工大学环境科学与工程学院，山西 晋中 030600

工程教育专业认证是实现工程教育和工程师资格国际互认的重要基础。开展工程教育认证工作有利于推进我国工程教育与企业需求的接轨，提高工程教育人才对产业发展的适应能力。太原理工大学环境工程专业于2018年申报了工程教育专业认证，根据认证专家的建议，《物理性污染控制》由原来的专业必修课调整为专业核心课，且增设课程设计和相关方向的毕业设计等实践教学环节。以上的课程体系的调整对太原理工大学环境科学与工程学院环境工程专业的发展意义重大，有助于太原理工大学环境科学与工程学院环境工程专业在原有水污染控制、大气污染控制和固废污染控制的学科基础上，开辟第四个基于工程实践能力培养的学科方向——物理性污染控制，为毕业生进入相关行业从业提供教育保证。

同时，这是一项挑战与机会并存的实践类教学体系改革，对于《物理性污染控制》教学团队来说责任重大。尤其是在目前的国内形势下，《物理性污染控制》课程的改革在全国来说较为普遍，但绝大多数都是基于课堂形式的革新，例如教学模式改革［1］、教学内容与方法改革［2］、案例教学改革［3］、课堂考核的多元化改革［4］以及少数针对课程实验的改革研究［5］。然而，有关《物理性污染控制》工程设计环节的建立或改革工作鲜有报道，仅在近期才出现了第一篇针对课程设计的研究论文［6］，而任务较重的毕业设计环节的教学研究则尚未见诸报道。

一、《物理性污染控制》课程的内容与特点

《物理性污染控制》课程主要包括噪声、振动、电磁辐射、放射性污染、热和光的污染及控制六方面的内容［7］。课程目标是通过课程讲授，使学生了解环境物理性污染的内容和特点，并培养学生运用所学理论知识降低物理性污染的能力。然而，学生对该课程所学理论知识的应用能力相对较弱，主要原因为以下两点：

（1）该课程涉及大量的物理理论及公式，知识点抽象，且课程体系的发展较晚，教材普遍缺乏工程实例，不利于学生理论联系实际。

（2）该课程目前主要为课堂理论教学，实践环节少，学生利用所学理论知识分析和解决实际工程问题的能力培养还缺乏切实可行的措施。

因此，如何增设课程设计和相关毕业设计等实践环节成为难度非常大的改革任务。

由于《物理性污染控制》在我国环境工程专业课程体系中教学经验较少、实践环节单一，故有必要对太原理工大学环境科学与工程学院近几年相关实践内容的设置和实施情况进行总结，思考该设计类实践体系建立过程中存在的问题，为我国该课程的工程化教育教学提供案例参考。

二、《物理性污染控制》工程实践教学体系的建立及实施方法

（一）理论课堂中增加工程案例模块

针对实践教学改革的目标，《物理性污染控制》课程教学团队在理论课堂中增加了工程案例模块。一方面，授课教师在讲授专业理论过程中增加了工程案例的讲解。例如，在吸声、隔声和消声知识点的学习过程中，以燃煤电厂或化工厂为例，剖析了实际工程中室内外吸声降噪、隔声降噪以及进排风口消声降噪的方法案例。另一方面，理论课堂中拿出4学时让学生以小组形式（3～4人/组）做降噪减震的案例汇报。例如，2021年的专题汇报围绕隔声墙、隔声间、隔声罩和隔声屏展开，每组学生根据关键词进行为期两周的文献调研和工程案例搜集，之后进行课堂汇报，并由其余小组的打分作为该项活动的成绩。课程调查问卷结果显示，100%的学生认为案例模块激发了自己的学习兴趣，有利于大家对相关知识和降噪工程方案的学习。

（二）课内实验的工程性质改革

旧版的《物理性污染控制》大纲中有4学时的课程实验，实验内容为校园环境噪声的监测和校园附近交通噪声的监测。为了提高学生们思考、分析并解决实际工程性问题的能力，验证规律的基础实验内容被逐渐修改为设计型实验。例如，实验内容之一将校园噪声监测换成校园噪声与振动污染调查，引导学生们自主对校园进行布局测点、噪声与振动监测，并进行声功能区的分区、污染情况分析，提出可行的降噪方法。同时交通噪声监测实验也改为城市交通噪声污染及吸隔声屏的应用方案设计，培养学生的自主学习能力，加强他们对工程问题的思考及提出相应解决方案的能力。

（三）利用实习提高学生对实际降噪方案的认识

太原理工大学环境科学与工程学院环境工程专业的学生在《物理性污染控制》课程前会进行认识实习和专业实习，而在课程学习之后又会进行毕业实习。为了帮助学生们将抽象的理论知识和计算公式与工程案例相关联，在课前的实习过程中，教师引导学生学习热电厂、钢铁厂等噪声污染排放较大的企业的工艺流程，并关注噪声污染较重的环节，观察和剖析其所存在的问题。授课过程中则针对学生们在实际工程中发现的问题去讨论和学习。经过理论知识的学习后，毕业实习期间再通过对工厂所采取的降噪措施进行观察，再次加深对降噪知识和方案的理解。学生从实践中发现问题、提出问题到解决问题这个过程，可以很好地锻炼学生的工程实践能力。

（四）邀请企业导师培训提高学生对实际降噪方案的设计能力

为了进一步加强学生们对实际降噪工程的理解和独立进行工程设计的能力，自2018年开始，太原理工大学环境科学与工程学院在每年的《物理性污染控制》课程设计开始前会邀请企业导师进行工程设计的培训，重点给学生们解析不同的实际降噪工程案例。例如，邀请了上海泛德声学工程有限公司和北京市人力资源和社会保障局的两位工程师对学生进行培训，学习的工程案例包括工厂企业的厂界降噪、车间降噪、单独的设备降噪以及特殊静音房或静音箱等的降噪。所学案例的噪声源包括发电厂、换热站、冷却塔、五金加工厂、化工厂、光纤企业、食品厂、地板厂、真空泵、消防泵、碎料机及风机等。通过企业导师的培训，学生们对如何进行《物理性污染控制》课程设计和该方向的毕业设计有了较为清晰的认识和较大信心。

（五）课程设计环节的制定和实施

由于《物理性污染控制》课程设计和毕业设计在兄弟院校中开设的寥寥无几，教学团队对课程设计的资料建设、方案设计等都存在较大的知识缺陷，尚没有找到供参考和学习的资料。在这种情况下，教学团队主要以企业导师培训过的降噪案例为学习对象，设计的降噪题目多围绕燃煤电厂、换热站、冷却塔、化工厂、五金加工厂等进行。设计的要求包括降噪方案的确定、降噪构件的计算及设计、消声器阻力损失、气流再生噪声、高频失效频率等的核算及经济概预算。最终设计图纸4张，图纸要求包含吸隔声、消声、减振等构件的总体平面布置图及其他如剖面图和立面图等。在课程设计过程中，企业导师给予一定的指导和答疑。

（六）毕业设计环节的制定和实施

相对于课程设计，毕业设计的工作量及细节设计要求更高，因此难度更大。因此，在过去几年的毕业设计环节中，环境工程系邀请企业导师全程参与毕业设计，包括学生的开题、中期答辩、毕业答辩以及中间的答疑环节。毕业设计的选题题目与课程设计相近，设计的要求包括两套降噪方案的确定、降噪构件的计算及设计、消声器阻力损失、气流再生噪声、高频失效频率等的核算、经济预算及方案比选等。最终要求设计图纸10～15张，图纸要求包含吸隔声、消声、减振等构件的总体平面布置图、降噪构件的平面图、剖面图及立面图、吸隔声结构或消声器构造做法图等。

自从2018年开展物理性污染控制方向的毕业设计以来，通过教学团队在以上各方面的努力以及学生们对该课程体系的认识深入，学生对该课程的重视程度和认可度逐渐升高。表1中的数据显示，自2018年以来，学生自主选择该方向毕业设计的人数占比逐年增多，从最初的7.02%增加到2022年的 21.67%。

表1 2018-2022年《物理性污染控制》毕业设计选题情况

三、《物理性污染控制》课程实践教学体系存在的问题及解决方法

经过近5年的探索和发展，太原理工大学环境工程系《物理性污染控制》教学团队在相关课程设计和毕业设计方面积累了一定的经验，同时也发现了诸多有待改进的问题。主要有：

（一）噪声源以及噪声数值的确定较为困难

噪声源在各工厂和企业内的位置较为分散，分布于不同的厂房或车间，如若将所有噪声源均考虑在内，由于大多数噪声源尺寸太小，在厂区平面图上不易画出；且学生工作量太大，图纸重点不易突出。另一方面，由于不同噪声源之间互相影响，噪声源的相对位置、数量和噪声强度一经改变，叠加后的噪声数值就有所改变，使得任务书的布置环节存在较大困难。因此，教师在布置任务之前，需要对于噪声源进行筛选，并对噪声数值进行预核算。

（二）课本上的理论计算公式不适用于实际工程

《物理性污染控制》理论课程的学习过程中，以数值的物理叠加或降噪原理等推算出的公式较多，但在实际工程中采用这些公式计算出来的偏差会较大。例如噪声源的噪声向厂界传播过程中衰减数值的计算：在《物理性污染控制》的教材中，矩形面声源的衰减理论值为0 dB，即100 dB的噪声经过上百米的距离衰减后仍然视为100 dB。然而，在工程计算当中显然不合适。针对以上问题，我们在设计过程中是采用文献中的经验公式来计算，计算时需要用到的参数包括噪声源的尺寸、声功率、空气密度和声速。

（三）所设计降噪构件的合理性有待提高

由于工程经验较为缺乏，在设计过程中，学生偏向于采用课本中计算公式较为明确的简单降噪结构，使得降噪方案的实际应用性有待提高。例如在进排风口的消声器设计中，学生偏向于采用理论计算公式较为成熟的直管式消声器，最终往往由于较高消声量而设计出远超过3米的消声器，这在实际工程中是不常见的。在隔声罩的设计中也存在类似问题，部分学生为了降噪达标，设计的钢板隔声罩厚度过厚为8毫米以上，而在实际工程中，钢板的厚度往往要控制在3毫米以内。针对以上问题，教师需要在指导过程中及时指正。

（四）设计的图纸成果相对简单

由于降噪设计的对象多为各工厂和企业的零散噪声源，其不像水污染控制工程或大气污染控制工程那样具备系统的独立性。如果学生仅绘制隔声构件和消声器的图纸，则图纸往往过于简单。针对该问题，我们要求图纸成果必须体现吸隔声或消声的细节构造做法图，另外，需要绘制厂区相关平面图。将来也逐渐将地形信息、工艺流程等细节内容纳入图纸当中。

四、结语

文章以太原理工大学环境工程专业《物理性污染控制》设计类实践教学环节的发展为例，讨论了《物理性污染控制》设计类实践教学环节的实施方法。该校的实际经验表明《物理性污染控制》课程设计类实践教学体系尚存在的问题有噪声源以及噪声数值的确定较为困难、课本上的理论计算公式不适用于实际工程、所设计降噪构件的合理性有待提高以及设计的图纸成果相对简单等。以上可为全国各高校建立该课程实践体系及相关改革提供参考。