黃小鳳 馬麗萍 蔣明 張朝能 史建武 朱文杰 戴取秀

摘? 要：分析環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)包括的大氣污染控制實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題，探討實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)途徑，特別是實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)氣的更改、有效區(qū)分大氣環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)及與其他課程的交叉融合等事項(xiàng)，完成冶金及化工廢氣在大氣環(huán)境中產(chǎn)生及擴(kuò)散過程模擬仿真實(shí)驗(yàn)的初步探索。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)課程;教學(xué)改革;大氣污染控制

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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

隨著全球環(huán)境問題的日益凸顯，公眾的環(huán)境保護(hù)意識(shí)及對(duì)美好環(huán)境的向往日漸增強(qiáng)。截至2021年6月，我國設(shè)有環(huán)境工程專業(yè)的高校共計(jì)382所，還有部分高校開設(shè)了與生態(tài)環(huán)境相關(guān)的本科專業(yè)，如環(huán)境科學(xué)、再生資源科學(xué)與技術(shù)和生態(tài)學(xué)等專業(yè)。大氣污染控制工程課程是生態(tài)環(huán)境相關(guān)專業(yè)的主干核心課程之一，該課程主要討論大氣污染的基本規(guī)律、污染控制的技術(shù)方法和工程原理，培養(yǎng)學(xué)生掌握分析和解決各類型大氣污染問題的能力。而大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)既是環(huán)境工程專業(yè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的主要內(nèi)容，也是為學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)、理解和掌握大氣污染控制方法及原理的輔助教學(xué)過程。

一、實(shí)驗(yàn)課程的目的與內(nèi)容

（一）實(shí)驗(yàn)課程的主要目的

環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程是環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生核心理論課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通常為生態(tài)環(huán)境類相關(guān)專業(yè)三年級(jí)或四年級(jí)本科生開設(shè)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及大氣污染控制、水污染控制及固體廢物處理與處置。通過大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程可使學(xué)生掌握大氣污染控制工程的基本實(shí)驗(yàn)方法和操作技能，學(xué)會(huì)正確使用與大氣污染控制相關(guān)的儀器和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并掌握嚴(yán)謹(jǐn)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)方法，加深和鞏固對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，使學(xué)生在理論與實(shí)踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)研究，培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際環(huán)境問題和發(fā)展創(chuàng)新的能力[1-4]。

（二）實(shí)驗(yàn)課程的主要內(nèi)容

由于大氣污染控制工程課程的主要難點(diǎn)集中在大氣擴(kuò)散、微細(xì)顆粒物的控制和氣態(tài)污染物凈化等方面，其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也重點(diǎn)圍繞這些難點(diǎn)來設(shè)置。一般來說，大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程針對(duì)部分內(nèi)容開設(shè)4～5個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)4～6學(xué)時(shí)，共16～30學(xué)時(shí)。常見的實(shí)驗(yàn)有風(fēng)速廓線指數(shù)測定或大氣擴(kuò)散參數(shù)測定、填料吸收塔吸收脫除廢氣中的SO2、固定床活性炭（或活性炭纖維）吸附器吸附脫除廢氣中的NOx和除塵設(shè)備（靜電除塵、袋式除塵或旋風(fēng)布袋聯(lián)合除塵器）的性能測定等。

二、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的現(xiàn)狀

（一）實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)施

實(shí)驗(yàn)設(shè)施是確保大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)順利開展的必備條件之一。大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程中常用到如SO2、NOx等有毒有害氣體和易爆粉塵，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)施的安全性、環(huán)境友好性、有效管理和應(yīng)急預(yù)案等提出了更高的要求。除此之外，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置及其演示設(shè)備通常占地面積大、價(jià)格較高，普通高校受場地和經(jīng)費(fèi)的限制，難以購置性能優(yōu)良的現(xiàn)代分析測試設(shè)備及多套設(shè)備[5]，導(dǎo)致大氣污染控制實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，缺乏新穎性[6-7]，無法滿足提高學(xué)生分析解決實(shí)際環(huán)境問題能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

（二）學(xué)生參與度

學(xué)生參與度是確保大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)取得效果的前提條件之一。目前開設(shè)的大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程注重于傳統(tǒng)工藝流程的講解，難以體現(xiàn)大氣污染的最新控制技術(shù)，而實(shí)驗(yàn)室模型化裝置普遍具有一定的演示效果，污染物的檢測也都配有在線監(jiān)測系統(tǒng)，學(xué)生通過教師的演示和講解，大多只進(jìn)行了簡單重復(fù)的機(jī)械操作，難以深入思考實(shí)驗(yàn)原理，導(dǎo)致學(xué)生參與度較低，容易使學(xué)生形成實(shí)驗(yàn)課程即室內(nèi)參觀課的誤區(qū)，無法真正充分地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和思考能力，制約了學(xué)生的基本操作能力[8]，無法滿足提高學(xué)生發(fā)展創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

三、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的改革與探索

（一）實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)氣體的更改

在填料吸收塔吸收脫除廢氣中的SO2、固定床活性炭（或活性炭纖維）吸附器吸附脫除氣體中的NOx兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)待處理氣體SO2和NOx（以下用NO2代表）必不可少。但SO2和NO2都為高擴(kuò)散、強(qiáng)毒性氣體，吸入后對(duì)動(dòng)物和人體的神經(jīng)系統(tǒng)及各組織器官能造成極大損傷[9-10]。GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》及其修改單和GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)SO2和NO2在環(huán)境空氣中的濃度限定極為嚴(yán)格，GB 3095-2012要求文教、居住等二類功能區(qū)，SO2和NO2的1 h平均濃度二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值分別為0.5 mg/m3和0.24 mg/m3[11];GB/T 18883-2002要求室內(nèi)空氣中SO2和NO2的1 h均值分別為0.5 mg/m3和0.24 mg/m3[12]。因此，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，一旦通風(fēng)不暢或有微量SO2和NO2發(fā)生泄漏，將對(duì)師生的生命安全產(chǎn)生重大威脅[13]。由此可見，需要探索采用既滿足實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)要求，又具有低毒或無毒的氣體來替代SO2和NO2。例如，CO2氣體毒性相對(duì)較低，化學(xué)性質(zhì)與SO2類似，可同時(shí)滿足填料塔吸收實(shí)驗(yàn)和固定床吸附實(shí)驗(yàn)的基本條件與過程效果，只要配套調(diào)整CO2的測定方法，嘗試用來替代SO2和NO2作為實(shí)驗(yàn)用待測氣是非常值得的。

（二）與大氣環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的有效區(qū)分

環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)課程的主要任務(wù)是讓學(xué)生掌握常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目的基本方法、原理和技術(shù);培養(yǎng)學(xué)生在污染源調(diào)查、布點(diǎn)、采樣、分析方法選擇和進(jìn)行環(huán)境空氣等環(huán)境要素監(jiān)測方面的能力[14]。但在大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程中，大氣污染物的檢測都在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，且實(shí)驗(yàn)裝置一般都帶有在線檢測的功能，可達(dá)到對(duì)大氣污染物快速、方便、連續(xù)和長效的檢測要求。因此，授課教師需要將大氣污染物的在線檢測方法與環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)到的國家標(biāo)準(zhǔn)方法、實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證的成熟統(tǒng)一方法進(jìn)行有效區(qū)分，重點(diǎn)講授在線檢測方法的利弊和適用條件，鼓勵(lì)學(xué)生調(diào)查和探討環(huán)境分析檢測的新方法與技術(shù)，有條件時(shí)可進(jìn)行兩種方法的分析比對(duì)。

（三）與其他課程的交叉融合

普通高等院校環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，流體力學(xué)，環(huán)境工程原理等課程均為大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程的先修課程，環(huán)境工程設(shè)計(jì)、環(huán)境材料學(xué)等課程則作為其后續(xù)課程。這些課程的特點(diǎn)是難度大、工程實(shí)用性強(qiáng)。探索在大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程中交叉融合這些課程的相關(guān)內(nèi)容或擴(kuò)展一些興趣實(shí)驗(yàn)，不僅有助于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，增強(qiáng)學(xué)生的參與度，還能加深鞏固所學(xué)專業(yè)知識(shí)，提高學(xué)生的思考和創(chuàng)新能力。

1. 與流體力學(xué)或環(huán)境工程原理課程的交叉融合

流量計(jì)的種類、工作原理及應(yīng)用在流體力學(xué)或環(huán)境工程原理課程中都有所涉及。填料吸收塔吸收脫除廢氣中的SO2、固定床活性炭（或活性炭纖維）吸附器吸附脫除氣體中NO2的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置大多都安裝計(jì)量的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。這一類型流量計(jì)精密度不高，測量誤差較大，必須經(jīng)過校正后才能使用。因此，授課教師在實(shí)驗(yàn)之前可為學(xué)生開設(shè)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)校正擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，即利用皂膜流量計(jì)校正玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)[15]，并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的最小二乘法擬合繪制出流量計(jì)的校正標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1），增強(qiáng)了流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確度。此擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生充分理解流量計(jì)在實(shí)驗(yàn)室和工程上的應(yīng)用，也可培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和工作態(tài)度。除此之外，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置中都有氣體混合罐，其作用不僅能緩沖氣流的壓力和流量波動(dòng)，還能在一定程度上混合目標(biāo)待測氣體，使其均質(zhì)平穩(wěn)地進(jìn)入處理系統(tǒng)。授課教師可利用校正后的轉(zhuǎn)子流量計(jì)準(zhǔn)確測量混合罐前后的氣體流量，加深學(xué)生對(duì)流體力學(xué)或環(huán)境工程原理課程中管道流體流動(dòng)類型相關(guān)知識(shí)的理解。

2. 與環(huán)境工程設(shè)計(jì)課程的交叉融合

在大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程的成套模型化裝置中，安裝有一定數(shù)量的管道和閥門。這些都是工程實(shí)際中常見的聯(lián)接流體通路的構(gòu)件或部件。其中，管道和閥門的連接、布置和選型等都是環(huán)境工程設(shè)計(jì)課程的重點(diǎn)內(nèi)容之一。授課教師在介紹實(shí)驗(yàn)裝置流程之前，應(yīng)講解管道的連接方式，主要有法蘭連接、焊接、熔接、螺紋連接、承插連接和溝槽式連接等，市售商用閥門主要有球閥、截止閥、蝶閥、閘閥、旋塞閥、止逆閥、針形閥、轉(zhuǎn)向閥、防爆安全閥和卸灰閥等。結(jié)合該大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)裝置，重點(diǎn)講解和操作法蘭（圖2）如何連接實(shí)驗(yàn)裝置中的金屬管道，球閥如何進(jìn)行水流或氣流的調(diào)節(jié)與控制。這樣不僅可使學(xué)生更直觀地觀察和了解工藝中用到的各種構(gòu)件或部件，還能為學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)境工程設(shè)計(jì)等后續(xù)課程提供一定的基礎(chǔ)。

3. 與環(huán)境材料學(xué)課程的交叉融合

在固定床活性炭（或活性炭纖維）吸附器吸附脫除氣體中NO2的實(shí)驗(yàn)中，常使用活性炭（或活性炭纖維）作吸附劑，該吸附劑是一種在工業(yè)應(yīng)用上最為廣泛的環(huán)境材料[16]。授課教師可根據(jù)后續(xù)課程環(huán)境材料學(xué)的特點(diǎn)，加深對(duì)活性炭（或活性炭纖維）的知識(shí)擴(kuò)展，介紹活性炭（或活性炭纖維）的表面化學(xué)組成、內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)、制備方法、性能檢測、市場應(yīng)用和新型碳材料的發(fā)展等。在實(shí)驗(yàn)課程中通過肉眼觀測和電子顯微鏡觀測活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)及表面形貌（改變放大倍數(shù)，圖3），使學(xué)生對(duì)環(huán)境材料的認(rèn)識(shí)逐漸從宏觀走向微觀，激發(fā)他們的科研興趣。

4. 綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的嘗試

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，簡稱VR）技術(shù)利用構(gòu)建高度接近準(zhǔn)確的視覺環(huán)境、高度接近自然的交互環(huán)境和高度接近真實(shí)的綜合認(rèn)識(shí)環(huán)境優(yōu)勢，讓實(shí)驗(yàn)者無需身臨其境，即可實(shí)現(xiàn)探索和認(rèn)識(shí)客觀事物的目的。高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)基于其理論與實(shí)踐的高度結(jié)合，將有可能在VR技術(shù)的發(fā)展過程中起到推動(dòng)與引領(lǐng)的作用[17]。大氣污染控制實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容應(yīng)緊跟當(dāng)前大氣污染現(xiàn)狀及人才培養(yǎng)的需求，而大氣污染物的主要來源是工業(yè)活動(dòng)，特別是對(duì)環(huán)境影響較重的冶金和化工行業(yè)，其窯爐大多在高溫、高壓、強(qiáng)氧化條件下操作，具有高危險(xiǎn)性，難以在實(shí)驗(yàn)室通過實(shí)驗(yàn)來了解污染物的產(chǎn)生及在環(huán)境中的可能影響。因此，若能使VR技術(shù)的特點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，必將拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用[18]。

為此，我們開展了綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)——冶金與化工廢氣產(chǎn)生及在大氣環(huán)境中的擴(kuò)散過程模擬仿真實(shí)驗(yàn)的探索。設(shè)計(jì)思路綜合考慮從污染物的產(chǎn)生到其在大氣中擴(kuò)散的全過程，利用虛擬仿真技術(shù)對(duì)工業(yè)爐窯進(jìn)行熱力學(xué)模擬，通過原材料相圖分析，流體力學(xué)仿真模擬計(jì)算來得到污染源強(qiáng)，使學(xué)生了解反應(yīng)機(jī)理及過程影響因素和生產(chǎn)過程中動(dòng)量、質(zhì)量、能量等平衡計(jì)算原理，掌握熱力學(xué)相圖計(jì)算的基本原理及方法。結(jié)合氣象條件對(duì)污染物擴(kuò)散模式理論的基礎(chǔ)，利用虛擬仿真技術(shù)模擬自然環(huán)境中常見的氣象條件，測定不同粗糙度情況下鉛直高度的風(fēng)速，確定風(fēng)速廓線指數(shù)，從而掌握風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律，進(jìn)而對(duì)模擬的煙羽通過照相法測定不同地形條件下的大氣擴(kuò)散參數(shù)，使學(xué)生掌握光學(xué)輪廓法的原理、方法及污染物擴(kuò)散的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合氣象參數(shù)、地形特征和污染源強(qiáng)等條件進(jìn)行最佳廠址的選擇。通過綜合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，既可讓學(xué)生掌握對(duì)課程知識(shí)的綜合應(yīng)用，也可通過虛擬的方式將抽象的過程直觀化及系統(tǒng)化，增加了趣味性，符合當(dāng)代學(xué)生學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。經(jīng)過近兩年的反復(fù)溝通和調(diào)整，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)V1.0已經(jīng)完成（圖4），目前已進(jìn)入初期試用階段，受到了學(xué)生的歡迎，也提出了改進(jìn)的建議。

四、結(jié)束語

我國大氣污染形勢嚴(yán)峻，大氣污染控制工程課程作為環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程之一，其實(shí)驗(yàn)課程必不可少。根據(jù)現(xiàn)階段我國及各培養(yǎng)單位對(duì)環(huán)境保護(hù)人才的需求，通過對(duì)大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行一定的教學(xué)改革和創(chuàng)新，特別是虛擬仿真技術(shù)與高校實(shí)驗(yàn)課程的高效融合，有利于進(jìn)一步提高學(xué)生的專業(yè)水平、實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力，改善其知識(shí)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其社會(huì)競爭力。

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