大氣污染控制工程實驗課程建設探討

段鳳魁, 郝吉明, 王書肖, 段 雷, 賀克斌, 馬永亮

(清華大學 環境學院, 北京 100084)

大氣污染控制工程實驗課程建設探討

段鳳魁, 郝吉明, 王書肖, 段 雷, 賀克斌, 馬永亮

(清華大學 環境學院, 北京 100084)

大氣污染控制工程是向學生傳授大氣污染控制的原理、方法、設備及相關工程計算的主干專業課。作為配套實驗課程,需要從實驗項目與內容的設計與優化、實驗設備研發、實驗教學方法的改進等方面,進行大力建設與完善。這對于培養具備大氣污染控制專業知識的復合拔尖創新人才具有非常重要的意義。

大氣污染物； 控制工程； 實驗課程建設；人才培養

隨著我國經濟的快速發展和城市化進程的加快,環境問題日趨復雜。發達國家經歷了近百年的環境污染問題在我國經濟發達地區20～30年內就集中爆發。重點城市群區域出現了煤煙型與機動車尾氣污染共存的特殊大氣復合污染的類型,光化學煙霧、大氣灰霾和酸沉降污染頻繁發生,具有明顯的局地污染和區域污染相結合、污染物之間相互耦合的特征,如此大規模、綜合性的大氣復合污染問題在全球也不多見。有效控制城市和區域大氣復合污染成為當前國家的重大需求和國際共同關注的熱點[1]。為此,培養大氣污染控制專業復合型、創新型人才成為當前高校環境專業人才培養的重要任務之一。

“大氣污染控制工程”是清華大學環境專業的主干學位課程之一,1999年被評為國家級精品課程,大氣污染控制工程教材被評為國家級精品教材。作為配套實驗課程,應當緊跟當前大氣污染形勢以及學科對人才培養的需求,在實驗項目與內容設計及優化、實驗設備研發、實驗教學方法的改進等方面,下大力氣對課程加以建設與完善。

1 實驗課程存在的問題

“大氣污染控制工程”是向學生傳授大氣污染控制的原理、方法、設備及相關工程計算的主干專業課程,主要內容包括大氣污染基礎知識、燃燒與大氣污染、顆粒物的形成機制、顆粒物的控制技術與設備、汽車尾氣排放控制等,其涵蓋很多學科領域,如數學、物理、化學、流體力學、氣溶膠力學以及氣象學等,同時涉及到眾多生產行業的污染排放,如冶金、化工、電力、建材、機械等[2]。由于受經費、場地等條件的限制,國內多數高校大氣污染控制工程實驗課程發展緩慢,存在許多問題需要解決[3-8]。我校大氣污染控制工程實驗課程存在的問題主要表現在幾個方面。

1.1 缺乏完善的實驗課程體系,實驗內容單薄

20多年來,我校大氣污染控制理論課程的建設與發展一直處于國內領先,然而大氣實驗課的課程體系一直未得到建立,實驗內容相對單薄。早期僅設置了2個實驗項目:旋風/布袋除塵實驗、濕法脫硫實驗。這2個實驗主要是通過設定某一工況參數,測定相應的除塵效率、脫硫效率。其不足在于:缺少與理論課重要內容如機動車尾氣排放控制相對應的實驗項目；未能體現大氣污染控制的最新進展與技術；以驗證為主,難以調動學生積極性。在大氣污染形勢如此嚴峻的現狀下,上述單一的實驗課程體系及實驗內容顯然不能滿足大氣污染控制專業人才培養的需求。

1.2 硬件支持嚴重不足,難以調動學生學習興趣

與環境監測實驗、環境微生物實驗等基礎性實驗課有所不同,大氣污染實驗更偏重工程性,更注重培養實踐動手能力。培養學生的動手能力、分析問題與解決問題的能力,是大氣污染實驗課程的重要教學目標之一。然而,大氣污染實驗所涉及到的儀器設備一般比較昂貴、占地面積較大,導致專用于該實驗課程的儀器設備臺(套)數嚴重不足。同時,旋風/布袋除塵實驗、濕法脫硫實驗運行多年后,設備老化問題嚴重,故障頻發。上述狀況嚴重影響了學生參與實驗的積極性。尤其經教學改革后,“大氣污染控制工程”成為專業必修課,全年級80多名學生,僅有2臺實驗設備,順利開展實驗教學的難度很大,教學效果不好,難以實現通過實驗使學生掌握有關大氣污染控制技術的目標。

1.3 教學方法及手段單一

傳統的實驗教學方法主要是現場簡單講解實驗步驟與儀器設備的使用操作,實驗過程主要以驗證為主。由于大氣污染控制涉及到的原理、計算比較復雜,枯燥的講解與簡單的實驗過程往往導致學生參與的積極性不高。同時,由于該門課程面向大三學生,與低年級學生相比,高年級學生對課程的要求更高。要充分調動他們參與實驗的積極性,培養對大氣污染控制的科研興趣,需要從教學方法與教學手段上多做工作,不斷更新。

2 實驗課程的建設

針對上述問題,我們以環境科學與工程實驗實踐教學中心的建設為契機[9],結合近10年來我校在大氣污染控制方面的科研成果的積累,從實驗內容、實驗設備、教學方法等方面著手,對大氣污染控制工程實驗課程進行了大幅度改進與提高。

2.1 增加實驗內容,優化實驗課程體系

近5年來,我們通過仔細調研,結合理論課的主要內容、我國大氣污染的現狀，以及控制技術的最新進展,對實驗課程體系進行了不斷充實與完善。增設了電袋除塵、機動車尾氣排放檢測、氮氧化物的催化轉化、干法脫硫等4個實驗項目(見表1)。這樣一來,加上原有的實驗項目,基本覆蓋了理論課內容的主要知識點,形成了較為完整的大氣污染控制實驗課程體系。

表1 大氣污染實驗課程建設前后內容對比

研究表明,工業煙塵排放對大氣顆粒物的貢獻占一半左右。過去工業煙塵的凈化治理主要以電除塵器和布袋除塵器為主,但隨著不斷加嚴的工業煙氣排放標準的制定,這些傳統除塵技術的局限性也日益明顯,主要表現在對細小顆粒物的除塵效果不理想。而復合電袋除塵技術則對于粒徑范圍0.1～50 μm 的飛灰顆粒的除塵效率能達到99.99%[10-11],因此在工業領域的應用與發展具有很大潛力。清華大學自上世紀80年代開始一直從事大氣污染控制相關研究與應用,并開展了大量的電除塵器與布袋除塵器方面的相關研究與設計[12-13]。為了讓學生掌握最新的除塵技術,并促進科研成果轉化為實驗教學,我們通過反復論證與實驗,在有關教學經費的支持下,自2011年開始,在實驗課中增加了“電袋除塵實驗”這一項目,很受學生歡迎。

機動車尾氣排放是中國城市大氣顆粒物的另一主要來源。隨著城市機動車排放量的快速增加,中國大氣污染類型也由過去的煤煙型為主轉為煤煙—機動車復合污染型。此外,由于城市規劃與復雜工況等因素影響,弄清機動車尾氣排放特征、排放因子、排放貢獻,成為控制機動車污染的必要前提[14]。根據上述現狀,結合清華大學近10年在機動車排放方面的研究成果,我們設計了典型工況下機動車尾氣排放特征檢測這一實驗項目,由學生自己進行操作,采用真實車輛進行測試。同時,與“氮氧化物的催化轉化實驗”有效結合,使學生不但了解機動車尾氣的排放特征,更能掌握尾氣的凈化控制技術,從而極大提高了學生參與實驗的積極性與科研興趣,成為具有科研成果轉化特色的實驗項目[15]。

2.2 研發先進的實驗設備,增加實驗儀器臺套數

為了解決實驗設備少的局限,一方面,對已有的實驗項目,盡力增加設備套數，如除塵實驗中所需要的煙塵采樣器,由原來的1套增加為3套。另一方面,針對每一項新增實驗項目,不但研發相應的實驗設備,并購置所需的配套儀器，例如,在研發設計電袋除塵設備的同時,配套購置了所需高低壓控制電源；在研發設計氮氧化物催化轉化設備的同時,購置了2臺煙氣分析儀；在增設機動車尾氣檢測實驗項目的同時,購置了所需的尾氣檢測儀。目前,專用于大氣實驗的設備及儀器,已由原來的3臺(套)增加為現在的13臺(套)。這些設備的研發與購置,極大促進了大氣實驗室的建設,使教學效果煥然一新。

2.3 改進教學方法,使教學手段多樣化

通過實驗,使學生掌握理論知識并激發學習興趣、培養科研素養,是實驗課程的教學目標之一。為了更好地實現這一目標,我們改進了實驗教學方法,通過與科研的有效結合,把相關的科研最新進展融合到每個實驗項目中去,進行啟發式教學。由于大氣污染實驗課具有很強的工程性,往往一個項目需要數名學生互相配合才能完成。盡管經過大幅度建設,實驗設備的數量顯著增加,但相對于學生數量來說,仍然有限。因此,我們采取每個實驗項目分小組進行的辦法。各小組通過討論,自己設定工況與參數進行探究性實驗。如電袋除塵實驗,可以通過改變加料量或者改變二次電壓,測定不同參數下的除塵效率；機動車尾氣檢測實驗,則可以探討發動機轉速與尾氣排放量與組成特征之間的關系。

實驗教學環節則由原來的現場簡單演示,改進為先課堂講解、后現場演示。課堂講解是通過建立多樣化的教學手段,充分利用當前豐富的網絡資源,在實驗內容、實驗步驟的講解中穿插圖片、動畫、視頻等素材,制成生動的多媒體課件,實現多媒體教學。由于大氣實驗涉及到的設備及儀器比較多,而且構造復雜,僅靠課堂上有限的時間學生難以全面掌握。因此,課前預習環節尤為重要。通過一些實驗模型使學生事先對設備結構及原理有所了解,現場演示時能起到事半功倍的效果。

3 結束語

當前嚴峻的大氣污染形勢,無疑對環境專業創新型人才的培養提出了更高要求與挑戰，這也是大氣污染控制工程及其實驗課程建設的良好機遇。一方面,與科研緊密結合,及時將科研成果轉化為實驗教學,通過增加實驗項目,不斷完善課程體系。另一方面,通過開發實驗設備,提高硬件條件,采用多樣化的教學手段,進行啟發式教學,充分激發學生的學習興趣與科研熱情,培養創新思維,為我國大氣污染控制專業培養更多復合型創新人才。今后我們將充分利用仿真實驗教學的優勢,采用虛擬仿真與真實實驗相結合的方式,使脫硫實驗、除塵實驗等工程性很強的實驗項目更加完善。

References)

[1] 賀克斌,楊復沫,段鳳魁,等. 大氣顆粒物與區域復合污染[M].北京：科學出版社, 2011.

[2] 郝吉明,馬廣大,王書肖. 大氣污染控制工程[M].2版.北京:高等教育出版社, 2002.

[3] 蔣卉. “大氣污染控制工程”課程設計教學改革的探討[J]. 西南科技大學:高教研究,2012(3):77-78.

[4] 路培,李彩亭,何林錦,等. 項目式大氣污染控制工程實驗教學模式的研究[J]. 高等理科教育,2009(2):76-78.

[5] 朱玲,王建宏,陳家慶,等. 大氣污染控制工程創新性實驗的探索與思考[J].中國現代教育裝備,2011(7):54-55.

[6] 葉菊娣. 大氣污染控制工程實驗教學研究[J]. 化工時刊,2012,26(9):62-63.

[7] 詹旭,鄒路易,張一波. 大氣污染控制工程實驗課程教學改革研究[J]. 科技教育,2012(7):207.

[8] 蔣文舉,尹華強,金燕,等.大氣污染控制工程課程教學改革探索[J]. 西南科技大學學報:哲學社會科學版,2004,21(4):52-53.

[9] 段鳳魁,胡洪營,楊宏偉,等.環境技術實驗與實踐教學中心的建設與探討[J]. 實驗技術與管理,2008,25(10):104-107.

[10] 胡滿銀,趙毅,劉忠. 除塵技術[M]. 北京: 化學工業出版社,2006.

[11] 陳碩. 靜電布袋復合除塵器煙氣脫硫除塵一體化系統的研究[D]. 武漢:武漢理工大學,2007.

[12] 郝吉明,賀克斌,晁紅勛. 電除塵器數學模型的研究[J]. 清華大學學報:自然科學版,1989,29(3):95-104.

[13] 賀克斌,郝吉明,晁紅勛. 電除塵器寬間距效應的模擬與分析[J]. 清華大學學報:自然科學版,1991,31(6):80-86.

[14] 王岐東.基于工況的城市機動車排放因子研究[D].北京:清華大學,2005.

[15] 段鳳魁,郝吉明,王書肖,等. 汽車尾氣排放檢測與催化轉化教學實驗建設[J]. 實驗技術與原理,2014,31(9):167-169

Construction of Air Pollution Control Engineering experimental course

Duan Fengkui, Hao Jiming, Wang Shuxiao, Duan Lei, He Kebin, Ma Yongliang

(School of Environment,Tsinghua University,Beijing 100084, China)

The Air Pollution Control Engineering is a major course covering the principle,method,equipment and related knowledge of air pollution control. As a complementary experimental course,it is necessary to add experimental items,optimize the course system,develop the experimental equipment,as well as improve the teaching method. It is very important for training talents with professional knowledge of air pollution control and with innovative ability.

air pollutants; control engineering; construction of experimental course; cultivation of talent

2015- 05- 15

2009年國家級實驗教學示范中心建設項目(教高函 [2009]28號)

段鳳魁(1973—)，女，山東濰坊，博士，高級工程師，主要從事大氣污染控制、環境分析化學相關的科研與教學工作.

E-mail：duanfk@tsinghua.edu.cn

G64210

A

1002-4956(2015)9- 0006- 03