《物理性污染控制》工程設計實踐教學體系的建立及思考

李厚芬 端 允 溫月麗 閆少輝 陳 曦

太原理工大學環境科學與工程學院，山西 晉中 030600

工程教育專業認證是實現工程教育和工程師資格國際互認的重要基礎。開展工程教育認證工作有利于推進我國工程教育與企業需求的接軌，提高工程教育人才對產業發展的適應能力。太原理工大學環境工程專業于2018年申報了工程教育專業認證，根據認證專家的建議，《物理性污染控制》由原來的專業必修課調整為專業核心課，且增設課程設計和相關方向的畢業設計等實踐教學環節。以上的課程體系的調整對太原理工大學環境科學與工程學院環境工程專業的發展意義重大，有助于太原理工大學環境科學與工程學院環境工程專業在原有水污染控制、大氣污染控制和固廢污染控制的學科基礎上，開辟第四個基于工程實踐能力培養的學科方向——物理性污染控制，為畢業生進入相關行業從業提供教育保證。

同時，這是一項挑戰與機會并存的實踐類教學體系改革，對于《物理性污染控制》教學團隊來說責任重大。尤其是在目前的國內形勢下，《物理性污染控制》課程的改革在全國來說較為普遍，但絕大多數都是基于課堂形式的革新，例如教學模式改革［1］、教學內容與方法改革［2］、案例教學改革［3］、課堂考核的多元化改革［4］以及少數針對課程實驗的改革研究［5］。然而，有關《物理性污染控制》工程設計環節的建立或改革工作鮮有報道，僅在近期才出現了第一篇針對課程設計的研究論文［6］，而任務較重的畢業設計環節的教學研究則尚未見諸報道。

一、《物理性污染控制》課程的內容與特點

《物理性污染控制》課程主要包括噪聲、振動、電磁輻射、放射性污染、熱和光的污染及控制六方面的內容［7］。課程目標是通過課程講授，使學生了解環境物理性污染的內容和特點，并培養學生運用所學理論知識降低物理性污染的能力。然而，學生對該課程所學理論知識的應用能力相對較弱，主要原因為以下兩點：

（1）該課程涉及大量的物理理論及公式，知識點抽象，且課程體系的發展較晚，教材普遍缺乏工程實例，不利于學生理論聯系實際。

（2）該課程目前主要為課堂理論教學，實踐環節少，學生利用所學理論知識分析和解決實際工程問題的能力培養還缺乏切實可行的措施。

因此，如何增設課程設計和相關畢業設計等實踐環節成為難度非常大的改革任務。

由于《物理性污染控制》在我國環境工程專業課程體系中教學經驗較少、實踐環節單一，故有必要對太原理工大學環境科學與工程學院近幾年相關實踐內容的設置和實施情況進行總結，思考該設計類實踐體系建立過程中存在的問題，為我國該課程的工程化教育教學提供案例參考。

二、《物理性污染控制》工程實踐教學體系的建立及實施方法

（一）理論課堂中增加工程案例模塊

針對實踐教學改革的目標，《物理性污染控制》課程教學團隊在理論課堂中增加了工程案例模塊。一方面，授課教師在講授專業理論過程中增加了工程案例的講解。例如，在吸聲、隔聲和消聲知識點的學習過程中，以燃煤電廠或化工廠為例，剖析了實際工程中室內外吸聲降噪、隔聲降噪以及進排風口消聲降噪的方法案例。另一方面，理論課堂中拿出4學時讓學生以小組形式（3～4人/組）做降噪減震的案例匯報。例如，2021年的專題匯報圍繞隔聲墻、隔聲間、隔聲罩和隔聲屏展開，每組學生根據關鍵詞進行為期兩周的文獻調研和工程案例搜集，之后進行課堂匯報，并由其余小組的打分作為該項活動的成績。課程調查問卷結果顯示，100%的學生認為案例模塊激發了自己的學習興趣，有利于大家對相關知識和降噪工程方案的學習。

（二）課內實驗的工程性質改革

舊版的《物理性污染控制》大綱中有4學時的課程實驗，實驗內容為校園環境噪聲的監測和校園附近交通噪聲的監測。為了提高學生們思考、分析并解決實際工程性問題的能力，驗證規律的基礎實驗內容被逐漸修改為設計型實驗。例如，實驗內容之一將校園噪聲監測換成校園噪聲與振動污染調查，引導學生們自主對校園進行布局測點、噪聲與振動監測，并進行聲功能區的分區、污染情況分析，提出可行的降噪方法。同時交通噪聲監測實驗也改為城市交通噪聲污染及吸隔聲屏的應用方案設計，培養學生的自主學習能力，加強他們對工程問題的思考及提出相應解決方案的能力。

（三）利用實習提高學生對實際降噪方案的認識

太原理工大學環境科學與工程學院環境工程專業的學生在《物理性污染控制》課程前會進行認識實習和專業實習，而在課程學習之后又會進行畢業實習。為了幫助學生們將抽象的理論知識和計算公式與工程案例相關聯，在課前的實習過程中，教師引導學生學習熱電廠、鋼鐵廠等噪聲污染排放較大的企業的工藝流程，并關注噪聲污染較重的環節，觀察和剖析其所存在的問題。授課過程中則針對學生們在實際工程中發現的問題去討論和學習。經過理論知識的學習后，畢業實習期間再通過對工廠所采取的降噪措施進行觀察，再次加深對降噪知識和方案的理解。學生從實踐中發現問題、提出問題到解決問題這個過程，可以很好地鍛煉學生的工程實踐能力。

（四）邀請企業導師培訓提高學生對實際降噪方案的設計能力

為了進一步加強學生們對實際降噪工程的理解和獨立進行工程設計的能力，自2018年開始，太原理工大學環境科學與工程學院在每年的《物理性污染控制》課程設計開始前會邀請企業導師進行工程設計的培訓，重點給學生們解析不同的實際降噪工程案例。例如，邀請了上海泛德聲學工程有限公司和北京市人力資源和社會保障局的兩位工程師對學生進行培訓，學習的工程案例包括工廠企業的廠界降噪、車間降噪、單獨的設備降噪以及特殊靜音房或靜音箱等的降噪。所學案例的噪聲源包括發電廠、換熱站、冷卻塔、五金加工廠、化工廠、光纖企業、食品廠、地板廠、真空泵、消防泵、碎料機及風機等。通過企業導師的培訓，學生們對如何進行《物理性污染控制》課程設計和該方向的畢業設計有了較為清晰的認識和較大信心。

（五）課程設計環節的制定和實施

由于《物理性污染控制》課程設計和畢業設計在兄弟院校中開設的寥寥無幾，教學團隊對課程設計的資料建設、方案設計等都存在較大的知識缺陷，尚沒有找到供參考和學習的資料。在這種情況下，教學團隊主要以企業導師培訓過的降噪案例為學習對象，設計的降噪題目多圍繞燃煤電廠、換熱站、冷卻塔、化工廠、五金加工廠等進行。設計的要求包括降噪方案的確定、降噪構件的計算及設計、消聲器阻力損失、氣流再生噪聲、高頻失效頻率等的核算及經濟概預算。最終設計圖紙4張，圖紙要求包含吸隔聲、消聲、減振等構件的總體平面布置圖及其他如剖面圖和立面圖等。在課程設計過程中，企業導師給予一定的指導和答疑。

（六）畢業設計環節的制定和實施

相對于課程設計，畢業設計的工作量及細節設計要求更高，因此難度更大。因此，在過去幾年的畢業設計環節中，環境工程系邀請企業導師全程參與畢業設計，包括學生的開題、中期答辯、畢業答辯以及中間的答疑環節。畢業設計的選題題目與課程設計相近，設計的要求包括兩套降噪方案的確定、降噪構件的計算及設計、消聲器阻力損失、氣流再生噪聲、高頻失效頻率等的核算、經濟預算及方案比選等。最終要求設計圖紙10～15張，圖紙要求包含吸隔聲、消聲、減振等構件的總體平面布置圖、降噪構件的平面圖、剖面圖及立面圖、吸隔聲結構或消聲器構造做法圖等。

自從2018年開展物理性污染控制方向的畢業設計以來，通過教學團隊在以上各方面的努力以及學生們對該課程體系的認識深入，學生對該課程的重視程度和認可度逐漸升高。表1中的數據顯示，自2018年以來，學生自主選擇該方向畢業設計的人數占比逐年增多，從最初的7.02%增加到2022年的 21.67%。

表1 2018-2022年《物理性污染控制》畢業設計選題情況

三、《物理性污染控制》課程實踐教學體系存在的問題及解決方法

經過近5年的探索和發展，太原理工大學環境工程系《物理性污染控制》教學團隊在相關課程設計和畢業設計方面積累了一定的經驗，同時也發現了諸多有待改進的問題。主要有：

（一）噪聲源以及噪聲數值的確定較為困難

噪聲源在各工廠和企業內的位置較為分散，分布于不同的廠房或車間，如若將所有噪聲源均考慮在內，由于大多數噪聲源尺寸太小，在廠區平面圖上不易畫出；且學生工作量太大，圖紙重點不易突出。另一方面，由于不同噪聲源之間互相影響，噪聲源的相對位置、數量和噪聲強度一經改變，疊加后的噪聲數值就有所改變，使得任務書的布置環節存在較大困難。因此，教師在布置任務之前，需要對于噪聲源進行篩選，并對噪聲數值進行預核算。

（二）課本上的理論計算公式不適用于實際工程

《物理性污染控制》理論課程的學習過程中，以數值的物理疊加或降噪原理等推算出的公式較多，但在實際工程中采用這些公式計算出來的偏差會較大。例如噪聲源的噪聲向廠界傳播過程中衰減數值的計算：在《物理性污染控制》的教材中，矩形面聲源的衰減理論值為0 dB，即100 dB的噪聲經過上百米的距離衰減后仍然視為100 dB。然而，在工程計算當中顯然不合適。針對以上問題，我們在設計過程中是采用文獻中的經驗公式來計算，計算時需要用到的參數包括噪聲源的尺寸、聲功率、空氣密度和聲速。

（三）所設計降噪構件的合理性有待提高

由于工程經驗較為缺乏，在設計過程中，學生偏向于采用課本中計算公式較為明確的簡單降噪結構，使得降噪方案的實際應用性有待提高。例如在進排風口的消聲器設計中，學生偏向于采用理論計算公式較為成熟的直管式消聲器，最終往往由于較高消聲量而設計出遠超過3米的消聲器，這在實際工程中是不常見的。在隔聲罩的設計中也存在類似問題，部分學生為了降噪達標，設計的鋼板隔聲罩厚度過厚為8毫米以上，而在實際工程中，鋼板的厚度往往要控制在3毫米以內。針對以上問題，教師需要在指導過程中及時指正。

（四）設計的圖紙成果相對簡單

由于降噪設計的對象多為各工廠和企業的零散噪聲源，其不像水污染控制工程或大氣污染控制工程那樣具備系統的獨立性。如果學生僅繪制隔聲構件和消聲器的圖紙，則圖紙往往過于簡單。針對該問題，我們要求圖紙成果必須體現吸隔聲或消聲的細節構造做法圖，另外，需要繪制廠區相關平面圖。將來也逐漸將地形信息、工藝流程等細節內容納入圖紙當中。

四、結語

文章以太原理工大學環境工程專業《物理性污染控制》設計類實踐教學環節的發展為例，討論了《物理性污染控制》設計類實踐教學環節的實施方法。該校的實際經驗表明《物理性污染控制》課程設計類實踐教學體系尚存在的問題有噪聲源以及噪聲數值的確定較為困難、課本上的理論計算公式不適用于實際工程、所設計降噪構件的合理性有待提高以及設計的圖紙成果相對簡單等。以上可為全國各高校建立該課程實踐體系及相關改革提供參考。