《大氣污染控制工程》課程實驗教學建設與創新

（南昌航空大學環境與化學工程學院 江西 330063）

引言

大氣污染控制工程是環境工程本科專業的專業主干課，其實驗教學是培養學生創新實踐能力的重要環節。不少院校針對該項課程的實驗教學開展了相應的研究，取得了一些經驗。但由于做好實驗教學涉及的因素很多，因此在具體實踐時仍然存在許多問題值得探索研究。

南昌航空大學環境工程專業作為典型的工程教育專業，近期開展了工程教育專業認證工作并通過了認證（工程教育認證通告〔2019〕第1號，有效期開始時間2018年1月）。

結合工程教育專業認證工作，以工程教育認證的理念為導向，針對大氣污染控制工程實驗教學，本專業從實驗內容、實驗教學形式、實驗考核等不同方面進行了一系列改革。在理念上堅持以學生為中心的教育理念、成果導向的教育取向、持續改進的質量文化。具體措施體現在教學方面，主要從分析社會對未來人才的素質要求出發，進行教學內容的更新和調整，對教學手段進行創新，并安排更合理的教學結構。在學生方面，首先是激發學生的學習興趣，從而促進學生學習相關課程的理論知識、掌握實驗操作技能，在此過程中提高分析復雜問題的能力和動手解決問題的能力以及創新能力，從而全面提高學生的素質，保證實驗教學的質量。考核上則進行了項目和比例等的調整。

本文結合工程教育專業認證工作中對大氣污染控制工程實驗教學實行的一系列改革與創新，將獲得的經驗與體會進行總結，并對工程教育專業認證中重要理念即持續改進工作的實施提出了建設性的意見。

1.實驗金項、實驗內容的改革

大氣污染控制工程原實驗項目為：粉塵分散度測定、大氣擴散參數的測定、大氣污染控制系統相關參數測定，前兩項為驗證性實驗，后一項為綜合性實驗。為使實踐教學內容緊扣學科新發展、新動態，進行了增加和改進。增設了綜合性、設計性實驗項目，達到從基本技能訓練過渡到實際應用；增設了前沿新技術項目。目的是做到以學生為中心，使實驗教學真正成為理論與實踐相結合的紐帶，能夠培養面向社會需求的實用創新型人才。

(1)實驗內容的及時更新

隨著與實驗內容相關的工業技術的進步，一些實驗技術已經被更新的技術取代，原有的一些實驗內容對于社會需求來說已經過時，因此需要進行及時的更新。同時，鼓勵學生進行創新性的實驗項目，也需要對實驗內容進行及時更新。實驗教材作為實驗教學改革的主要載體和保障措施，需要及時改編。

我們根據工程教育認證的相關理念，結合大氣污染控制工程課程特點和要求，依據理論教學，對現行實驗內容及時全部進行修訂和整合，編制出一整套既體現基礎性，又能反映大氣防治新技術、新方法、新設備的實驗教材。實驗教材編寫的宗旨是既滿足基礎的教學實驗項目，同時滿足有特長或學有余力的學生，讓他們得到更多更好的訓練。

例如針對“大氣污染控制系統相關參數測定”實驗項目，由學院出資經費，老師指導學生自制“多功能氣體污染物凈化實驗裝置”用于實驗教學，該裝置設計時擁有老師實用新型專利—密閉式水位控制箱（專利號：ZL992016924）和學生實用新型專利—沸騰式廢氣吸收塔（專利號：ZL20 1020152840.7）。新制實驗設備調試成功后，對原實驗項目內容全部進行及時更新。

(2)綜合性、設計性實驗的增設

環境工程專業培養目標為學生具備污染物的控制與治理方面的知識，具有規劃、設計、施工、管理、教育和研究開發方面的能力。結合實驗室新進大氣實驗設備，我們精心設計增開了一系列設計性實驗。包括數據采集文丘里-旋風除塵組合裝置粉塵去除性能測定、電除塵裝置粉塵去除性能測定、袋式除塵裝置粉塵去除性能測定、多功能氣體吸收實驗裝置二氧化硫去除性能測定、雙堿法脫硫實驗裝置性能測定、活性炭移動床吸附裝置甲苯去除性能測定、有機廢氣吸附裝置甲苯去除性能測定等共計七項新增實驗項目，設計實驗內容包括廢氣種類、吸收塔、氣體流量、污染物濃度、洗滌液種類及濃度等眾多參數的合理選擇和有效測定，以及設備凈化效果評價和設備不足之處及改進建議的綜合設計性實驗。所有設計性實驗均經過仔細審定，經教研室、學院教學指導委員會、學校評審委員會逐級審批簽署意見，最終審核通過后實施于實驗教學，這樣確保了綜合性、設計性實驗的適用性、科學性和嚴肅性。上述新實驗項目配置的每類實驗設備均為兩臺套，在設計實驗時，讓學生在任選項目進行實驗設計時，可以保證學生選題分散，既考慮到學生興趣的個性化特征，又減輕了設備臺套不足的壓力。

2.實驗教學形式的改進

原有的實驗教學形式主要是講解、示范、驗證。學生在此過程中基本處于被動接收和按步驟操作的狀態，趨于機械性地觀察、記錄。在這種情況下，學生探究理論的主動性被抑制，實驗興趣也不高。如何激發學生的學習主動性？我們根據實驗教學的需要，對不同的實驗項目采用不同的教學手段。除常規講解外，錄像、多媒體系統、學校網絡課堂（天空課堂）以及其他的網絡手段也都被充分利用起來，以提高實驗教學效果與質量。近期增加了虛擬實驗平臺。除正常開設的學時之外，學生可以和實驗老師預約時間自己單獨利用課余時間來完成實驗內容。以此真正調動學生學習的熱情，提高學習的主動性和積極性。

以下為實驗教學中對綜合性、設計性實驗教學存在諸多典型問題改進內容的闡述。

(1)幫助學生明確實驗設計要求及規范實驗內容

學生首次設計大氣實驗時，因為實驗室有限的大氣實驗設備限制了實驗方法的選擇，因此給予學生在設計方面的一些指導和規范，以幫助學生設計出成功的實驗。因此，實驗課前，首先將實驗室現有主要設備列出清單發給學生，同時提出實驗設計要求：①依據實驗要求結合興趣選取設計性實驗項目；②觀察實驗裝置，了解使用用途，寫出實驗工作原理；③依據實體繪制實驗裝置圖（管線、閥門、控制部件、采樣點、測壓點等均要標明）；④工藝的選擇及工藝流程說明；⑤實驗裝置運行，包括開車前準備、開車、運行調試；⑥實驗方法確定，包括工藝參數設定、參數測定、記錄表格等；⑦實驗裝置停車及停車后的處理；⑧實驗裝置處理效率評價；⑨實驗裝置缺陷及改進建議，實驗操作存在的問題及改進；⑩便于實驗的各方面建議。在明確了實驗設計要求的基礎上，寫出詳實的設計實驗的操作步驟，使實驗設計有序而不雜亂。

(2)學生暴露不足與教師適度引導

學生初步的實驗設計會存在諸多不足，要讓學生在實驗設計中暴露不足，然后加以正確引導，讓學生在不斷完善實驗設計中吸取知識、提高技能。因此在綜合性實驗項目“大氣污染控制系統相關參數測定”授課時，即開始引入設計性實驗的理念，例如在實驗課上短時間內要求學生對自制實驗設備繪制出“設備簡圖”，對裝置上的沖擊式除塵裝置管線的連接方式及其阻力、煙氣流速測定等進行引導和設計，對實驗設計中存在的問題如：對設計內容無從下手，心里明白操作但不知如何用規范的語言描述，實驗步驟的可操作性差等問題。這些問題的暴露，說明了學生在某些知識點的掌握上還相對薄弱。實驗教師根據這些弱點逐一處理，以啟發和指點的方式指導學生完善實驗設計方案。

同時為了讓學生有效進行設計，必須提前將實驗裝置清單、設計性實驗項目的題目、實驗設計要求下發給學生，實驗設計完畢上交實驗教師，由實驗教師檢查其方案的可行性、可操作性和完善性。

(3)實驗自主性與場外指導之間關系的處理

對于設計性實驗，實驗教師采取以“場外指導”為主的實驗指導方式。主要針對學生實驗中出現的問題，指出解決問題的思路和一般方法，讓學生經過自己反復實驗總結規律，找出解決問題的方法。在此過程中，學生是實驗教學的主體，教師的主要作用是調動學生的積極性。例如學生在選做“多功能氣體吸收實驗裝置二氧化硫去除性能測定（填料吸收塔）”的設計性實驗過程中，當填料吸收塔內的洗滌液噴淋量和氣體流速參數選擇不當會出現“液泛現象”，教師不是像以往那樣及時制止學生操作，而是讓他們按自己的步驟繼續進行實驗、觀察、記錄、分析判斷和快速做出參數調整，并通過記錄的數據反映出當液泛開始時，塔內壓降急劇上升和脫硫效率急劇下降規律，同時正常的操作也被打破，隨之還會發生“淹塔事故”，分析得到該實驗裝置氣相量和液相量運行參數設定均不能過大，以此來加深對實驗過程的理解。

3.實驗技能考核的改進

考核要滿足三方面的要求：真實反映學生學習水平；有利于調動學生上好實驗課的自主性和積極性；保障實驗教學效果。對原分項考核記分的方式結合新設實驗項目進行了改進，提高了各實踐環節的成績。

(1)實驗考核成績組成及所占比例調整

工程教育專業認證工作中經過實驗教學研討，對實驗成績組成部分及所占比例進行了大的變動，調整后情況如表1。實驗考核成績比例調整后，學生加強了對實驗過程各個必要環節的重視。

表1 實驗考核成績評定標準

(2)實驗報告講評

實驗報告方面的撰寫訓練是實驗教學的重要組成部分。學生在該方面的能力是從事技術工作的重要基礎。在實驗環節中設置了優秀實驗報告自我講評和展示環節，目的為：①讓學生明確如何規范和完整地書寫實驗報告；②明確如何正確處理實驗數據；③發現自己問題所在，并與實驗教師及同學就問題做進一步交流；④利用這種新式溝通方式提高學生學習主動性。

4.實驗教改的反饋和持續改進

(1)學生對教改的反饋

學生對實驗教學改革、實驗教學創新反應強烈，具體有如下反饋：開設的綜合性實驗為后續的設計性實驗建立了基礎；開設的設計性實驗，由于需要自己進行設計，鍛煉了獨立思考分析能力，同時自己也很有好奇心以及成功后的喜悅感；通過設計性實驗，真正懂得了實驗的意義，真正學會了自己獨立解決問題。

(2)實驗教改的持續改進

工程教育專業認證的第三個理念即持續改進的質量文化。工程教育專業認證提出的持續改進的質量文化其中包括：建立常態性評價機制并不斷改進。環境工程系通過評價機制對大氣實驗教學定期進行評價，通過評價的結果及學科發展規劃提出將大氣重大工程實踐轉化為實驗教學內容，但部分實驗中涉及危險致癌物，或者存在易燃易爆等安全隱患，考慮到學生的安全問題，學校很難開設相關實驗。考慮通過現代化信息手段和云資源庫建設，虛擬仿真軟件則可以將這些實驗進行仿真模擬，既解決了污染、安全隱患的問題，還可以使學生沉浸到實驗環境中，親自動手操作，提高學生的思維能力和動手能力，從而完善了實驗教學體系，提高開設實驗課程的豐富性。由學院學科建設費用支持，依托北京歐倍爾軟件技術開發有限公司已開發基于三維仿真技術的大氣實驗虛擬仿真軟件，再現實驗室場景，學生可在虛擬環境中實現自主操控、按任意路徑漫游、操作相關設備儀器等，給學生提供沉浸式的人機交互體驗，增強了實驗學習的趣味性，提高學生的學習興趣和積極性，該虛擬仿真軟件已通過驗收，用于本科環境工程專業大氣實驗教學。

5.總結

南昌航空大學環境工程專業結合工程教育認證，對大氣污染控制工程實驗教學進行了一系列改革與創新。改革圍繞實驗內容的及時更新、綜合性設計性項目的增加、實驗教學形式的完善、實驗技能考核的改進幾個方面進行。經過幾個方面的改進后取得了良好的教學效果，起到了鍛煉學生實踐能力、提高綜合素質的目的，學校環境工程專業通過了工程教育認證。學生對教學的反饋也是正面的。并且改進還通過虛擬實驗的開設等進一步的工作在持續進行中。

實驗教學創新取得了一定的成效，但仍然有進一步加強或有待解決的問題。其中有待進一步完善的幾個方面如下：進一步認識實驗教學工作對于化工類專業的重要性，從新生入學開始就要培養重視實踐的思想，以充分調動學生進行實驗工作的積極性和主動性；進一步對實驗人員進行相關培訓，包括教學新手段培訓以及行業新的實驗技術的培訓，以了解學科發展動向、更新知識儲備，從而促進實驗教學改革，提高實驗教學質量；對于本專業教師在科研中和技術應用中取得的成果，要積極促進轉化為實驗內容，以便讓學生認識到創新的重要性，激發學生的創新意識，培養學生的創新能力為培養高素質的學生創造更好的實驗條件。