大气污染控制工程实验课程存在的问题

随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，环境问题日趋复杂。发达国家经历了近百年的环境污染问题在我国经济发达地区20〜30年内就集中爆发。重点城市群区域出现了煤烟型与机动车尾气污染共存的特殊大气复合污染的类型，光化学烟雾、大气灰霾和酸沉降污染频繁发生，具有明显的局地污染和区域污染相结合、污染物之间相互耦合的特征，如此大规模、综合性的大气复合污染问题在全球也不多见。有效控制城市和区域大气复合污染成为当前国家的重大需求和国际共同关注的热点。为此，培养大气污染控制专业复合型、创新型人才成为当前高校环境专业人才培养的重要任务之一。

“大气污染控制工程”是清华大学环境专业的主干学位课程之一，1999年被评为国家级精品课程，大气污染控制工程教材被评为国家级精品教材。作为配套实验课程，应当紧跟当前大气污染形势以及学科对人才培养的需求，在实验项目与内容设计及优化、实验设备研发、实验教学方法的改进等方面，下大力气对课程加以建设与完善。

1.实验课程存在的问题

“大气污染控制工程”是向学生传授大气污染控制的原理、方法、设备及相关工程计算的主干专业课程，主要内容包括大气污染基础知识、燃烧与大气污染、颗粒物的形成机制、颗粒物的控制技术与设备、汽车尾气排放控制等，其涵盖很多学科领域，如数学、物理、化学、流体力学、气溶胶力学以及气象学等，同时涉及到众多生产行业的污染排放，如冶金、化工、电力、建材、机械等。由于受经费、场地等条件的限制，国内多数高校大气污染控制工程实验课程发展缓慢，存在许多问题需要解决。我校大气污染控制工程实验课程存在的问题主要表现在几个方面。

1.1 缺乏完善的实验课程体系，实验内容单薄

20多年来，我校大气污染控制理论课程的建设与发展一直处于国内领先，然而大气实验课的课程体系一直未得到建立，实验内容相对单薄。早期仅设置了2个实验项目：旋风/布袋除尘实验、湿法脱硫实验。这2个实验主要是通过设定某一工况参数，测定相应的除尘效率、脱硫效率。其不足在于：缺少与理论课重要内容如机动车尾气排放控制相对应的实验项目；未能体现大气污染控制的最新进展与技术；以验证为主，难以调动学生积极性。在大气污染形势如此严峻的现状下，上述单一的实验课程体系及实验内容显然不能满足大气污染控制专业人才培养的需求。

1.2 硬件支持严重不足，难以调动学生学习兴趣

与环境监测实验、环境微生物实验等基础性实验课有所不同，大气污染实验更偏重工程性，更注重培养实践动手能力。培养学生的动手能力、分析问题与解决问题的能力，是大气污染实验课程的重要教学目标之一。然而，大气污染实验所涉及到的仪器设备一般比较昂贵、占地面积较大，导致专用于该实验课程的仪器设备台（套）数严重不足。同时，旋风/布袋除尘实验、湿法脱硫实验运行多年后，设备老化问题严重，故障频发。上述状况严重影响了学生参与实验的积极性。尤其经教学改革后，“大气污染控制工程”成为专业必修课，全年级80多名学生，仅有2台实验设备，顺利开展实验教学的难度很大，教学效果不好，难以实现通过实验使学生掌握有关大气污染控制技术的目标。

1.3 教学方法及手段单一

传统的实验教学方法主要是现场简单讲解实验步骤与仪器设备的使用操作，实验过程主要以验证为主。由于大气污染控制涉及到的原理、计算比较复杂，枯燥的讲解与简单的实验过程往往导致学生参与的积极性不高。同时，由于该门课程面向大三学生，与低年级学生相比，高年级学生对课程的要求更高。要充分调动他们参与实验的积极性，培养对大气污染控制的科研兴趣，需要从教学方法与教学手段上多做工作，不断更新。

2.实验课程的建设

针对上述问题，我们以环境科学与工程实验实践教学中心的建设为契机，结合近10年来我校在大气污染控制方面的科研成果的积累，从实验内容、实验设备、教学方法等方面着手，对大气污染控制工程实验课程进行了大幅度改进与提高。

2.1 增加实验内容，优化实验课程体系

近5年来，我们通过仔细调研，结合理论课的主要内容、我国大气污染的现状，以及控制技术的最新进展，对实验课程体系进行了不断充实与完善。增设了电袋除尘、机动车尾气排放检测、氮氧化物的催化转化、干法脱硫等4个实验项目。这样一来，加上原有的实验项目，基本覆盖了理论课内容的主要知识点，形成了较为完整的大气污染控制实验课程体系。研究表明，工业烟尘排放对大气颗粒物的贡献占一半左右。过去工业烟尘的净化治理主要以电除尘器和布袋除尘器为主，但随着不断加严的工业烟气排放标准的制定，这些传统除尘技术的局限性也日益明显，主要表现在对细小颗粒物的除尘效果不理想。而复合电袋除尘技术则对于粒径范围0.1〜50pm的飞灰颗粒的除尘效率能达到99.99%，因此在工业领域的应用与发展具有很大潜力。清华大学自上世纪80年代开始一直从事大气污染控制相关研究与应用，并开展了大量的电除尘器与布袋除尘器方面的相关研究与设计。为了让学生掌握最新的除尘技术，并促进科研成果转化为实验教学，我们通过反复论证与实验，在有关教学经费的支持下，自2011年开始，在实验课中增加了“电袋除尘实验”这一项目，很受学生欢迎。

机动车尾气排放是中国城市大气颗粒物的另一主要来源。随着城市机动车排放量的快速增加，中国大气污染类型也由过去的煤烟型为主转为煤烟一机动车复合污染型。此外，由于城市规划与复杂工况等因素影响，弄清机动车尾气排放特征、排放因子、排放贡献，成为控制机动车污染的必要前提。根据上述现状，结合清华大学近10年在机动车排放方面的研究成果，我们设计了典型工况下机动车尾气排放特征检测这一实验项目，由学生自己进行操作，采用真实车辆进行测试。同时，与“氮氧化物的催化转化实验”有效结合，使学生不但了解机动车尾气的排放特征，更能掌握尾气的净化控制技术，从而极大提高了学生参与实验的积极性与科研兴趣，成为具有科研成果转化特色的实验项目。

2.2 研发先进的实验设备，增加实验仪器台套数

为了解决实验设备少的局限，一方面，对已有的实验项目，尽力增加设备套数，如除尘实验中所需要的烟尘采样器，由原来的1套增加为3套。另一方面，针对每一项新增实验项目，不但研发相应的实验设备，并购置所需的配套仪器，例如，在研发设计电袋除尘设备的同时，配套购置了所需高低压控制电源；在研发设计氮氧化物催化转化设备的同时，购置了2台烟气分析仪；在增设机动车尾气检测实验项目的同时，购置了所需的尾气检测仪。目前，专用于大气实验的设备及仪器，已由原来的3台（套）增加为现在的13台（套）。这些设备的研发与购置，极大促进了大气实验室的建设，使教学效果焕然一新。

2.3 改进教学方法，使教学手段多样化

通过实验，使学生掌握理论知识并激发学习兴趣、培养科研素养，是实验课程的教学目标之一。为了更好地实现这一目标，我们改进了实验教学方法，通过与科研的有效结合，把相关的科研最新进展融合到每个实验项目中去，进行启发式教学。由于大气污染实验课具有很强的工程性，往往一个项目需要数名学生互相配合才能完成。尽管经过大幅度建设，实验设备的数量显著增加，但相对于学生数量来说，仍然有限。因此，我们采取每个实验项目分小组进行的办法。各小组通过讨论，自己设定工况与参数进行探究性实验。如电袋除尘实验，可以通过改变加料量或者改变二次电压，测定不同参数下的除尘效率；机动车尾气检测实验，则可以探讨发动机转速与尾气排放量与组成特征之间的关系。

实验教学环节则由原来的现场简单演示，改进为先课堂讲解、后现场演示。课堂讲解是通过建立多样化的教学手段，充分利用当前丰富的网络资源，在实验内容、实验步骤的讲解中穿插图片、动画、视频等素材，制成生动的多媒体课件，实现多媒体教学。由于大气实验涉及到的设备及仪器比较多，而且构造复杂，仅靠课堂上有限的时间学生难以全面掌握。因此，课前预习环节尤为重要。通过一些实验模型使学生事先对设备结构及原理有所了解，现场演示时能起到事半功倍的效果。

3.结束语

当前严峻的大气污染形势，无疑对环境专业创新型人才的培养提出了更高要求与挑战，这也是大气污染控制工程及其实验课程建设的良好机遇。一方面，与科研紧密结合，及时将科研成果转化为实验教学，通过增加实验项目，不断完善课程体系。另一方面，通过开发实验设备，提高硬件条件，采用多样化的教学手段，进行启发式教学，充分激发学生的学习兴趣与科研热情，培养创新思维，为我国大气污染控制专业培养更多复合型创新人才。今后我们将充分利用仿真实验教学的优势，采用虚拟仿真与真实实验相结合的方式，使脱硫实验、除尘实验等工程性很强的实验项目更加完善。

作者：段凤魁，郝吉明，王书肖，段雷，贺克斌，马永亮（清华大学环境学院，北京 100084）