基于虛擬仿真技術的“大氣污染控制工程”教學改革探析

朱仁成 梅慧 李順義 竇明

摘 要：隨著信息化和智能化的發(fā)展，虛擬仿真技術正逐步融入高等教育教學。隨著現(xiàn)代教育不斷改革和素質教育不斷深入發(fā)展，傳統(tǒng)教學形式已難以滿足“大氣污染控制工程”這一課程創(chuàng)新性、實踐性、應用性的人才培養(yǎng)需求。首先分析基于培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實踐能力的“大氣污染控制工程”課程教學改革的必要性，其次結合教材，提出可與教材配套的虛擬仿真技術，以便培養(yǎng)學生的自主性和創(chuàng)新實踐能力，建立多層次的實踐教學平臺。

關鍵詞：教學改革;“大氣污染控制工程”;虛擬仿真

隨著城市化進程的不斷推進、工業(yè)結構的日益復雜以及機動車保有量的持續(xù)增長，我國環(huán)境空氣污染特征已由傳統(tǒng)煤煙型污染向復合型大氣污染轉變。對此，中央及地方各級政府迅速作出反應，但大多數(shù)區(qū)域空氣質量與人們的期望仍有較大差距，大氣污染治理刻不容緩。嚴峻的大氣環(huán)境形勢使得政府對大氣污染的治理高度重視，為大氣污染控制專業(yè)人才提供了良好的發(fā)展機遇。為滿足相關企事業(yè)單位的用人需求，畢業(yè)生不但要具備扎實的專業(yè)知識，還要有一定的實踐能力和創(chuàng)新能力，高校人才培養(yǎng)也面臨新的嚴峻挑戰(zhàn)。本研究通過探討現(xiàn)階段鄭州大學在“大氣污染控制工程”這門課教學過程中存在的問題，分析虛擬仿真技術在該課程教學改革中應用的必要性和緊迫性，并進一步提出課程中有哪些內容可以通過虛擬仿真技術和課堂教學相結合，有效提升學生對工程技術學習的積極性，培養(yǎng)綜合創(chuàng)新實踐能力。

1 ? ?“大氣污染控制工程”課程教學改革探索

1.1 ?教學內容改革

鄭州大學環(huán)境類專業(yè)使用的教材是由郝吉明、馬廣大、王書肖主編的《大氣污染控制工程（第三版）》，該教材內容詳實、結構緊湊、重點突出。近年來，隨著我國環(huán)境標準的逐步加嚴和污染治理力度的不斷加大，大氣污染控制技術也得到了迅猛發(fā)展。該教材出版于2010年，距今已有10余年，因此，課程內容更新不及時，對當前大氣污染控制領域的熱點前沿話題涉及相對較少，例如大氣霧霾、PM2.5、VOCs和O3等。據(jù)預測，至2020年，我國汽車銷量將連續(xù)12年蟬聯(lián)世界第一，巨大的汽車保有量在給居民生活帶來便利的同時，也給城市大氣環(huán)境造成了巨大壓力，機動車污染控制已成為大氣污染控制的重要組成部分，而教材中關于“機動車污染控制”內容設置于第十一章，安排較靠后，易給學生造成該內容不重要的錯覺。所以在備課時，授課教師應及時更新有關數(shù)據(jù)、圖表和參考文獻，向學生展示最新的國內外研究動態(tài)以及對國家相關法律法規(guī)、政策措施的基本介紹，為學生日后從事相關工作、進一步深入學習奠定基礎。對于環(huán)境類專業(yè)的學生，發(fā)動機知識比較欠缺，在學習機動車污染防治時比較吃力。因此，在講解汽油機、柴油機污染物的形成過程時，可以利用虛擬仿真技術手段，將污染物形成過程立體化、透明化、具象化，便于老師在課堂上教授內容，也便于學生理解掌握相關知識。

1.2 ?教學方式改革

受教學條件限制，傳統(tǒng)“大氣污染控制工程”的教學方式側重于課堂理論知識講解，工程實踐環(huán)節(jié)的課時相對較少，學生對于課堂知識的掌握程度僅體現(xiàn)在課堂作業(yè)的完成情況上，所以要提高學生的實踐創(chuàng)新能力，首先需要增加實踐教學時間。實踐教學可以分為兩大部分：（1）建立虛擬仿真技術平臺，老師帶領學生熟悉平臺操作，結合具體案例介紹完整的實驗過程，之后由學生獨立完成虛擬仿真實驗或由老師調整實驗參數(shù)后學生獨立完成。（2）實地參觀大氣治理重點企業(yè)，例如火力發(fā)電廠、生活垃圾焚燒發(fā)電廠、冶金廠等，把虛擬仿真實驗中的實驗過程和實際工程施工過程相結合，提升學生的綜合實踐能力。

1.3 ?教學考核方式改革

為加強學生實踐能力的培養(yǎng)，加入虛擬仿真實驗平臺后，“大氣污染控制工程”課程考核應由平時成績、實踐完成情況和期末考試3個部分組成。平時成績主要由出勤情況、課堂表現(xiàn)和課堂作業(yè)完成質量組成，占總成績的20%;實踐完成情況包括學生獨立完成虛擬仿真實驗的能力，可自主選擇實驗題目，通過錄屏講解等方式提交完整的實驗視頻，然后提交實地參觀的實習報告，二者占總成績的30%;期末考試仍是筆試，占總成績的50%。

2 ? ?基于虛擬仿真技術的教學改革必要性分析

“大氣污染控制工程”是高等學校環(huán)境類專業(yè)必修的核心課程之一，教學效果直接影響學生對大氣污染控制理論知識和工程技能的掌握水平。由于傳統(tǒng)的課堂模式和實驗教學方法存在諸多問題，往往達不到預期的教學效果。具體表現(xiàn)在以下3個方面：（1）大型教學儀器設備費用高、占地面積大;（2）學生多、儀器少，實際操作機會不夠;（3）儀器設備內部結構不能直觀感受。

隨著計算機信息技術的快速發(fā)展，虛擬仿真技術已在高等教育中廣泛應用。越來越多的高?；谔摂M仿真教學平臺，開展實驗教學，取得了良好的教學效果。例如北京師范大學鐘欣[1]以二氧化碳吸收與解析實驗為例，詳細介紹了虛擬仿真實驗教學的具體模式：學生根據(jù)老師的指導，通過教學平臺進入仿真模擬實驗，并完成實驗數(shù)據(jù)的收集和處理，然后自主設計實驗驗證結果。哈爾濱工業(yè)大學郭亮等[2]借助環(huán)境監(jiān)測、水環(huán)境規(guī)劃與污染應急等仿真實驗平臺，讓學生通過虛擬環(huán)境中各環(huán)節(jié)的操作，直觀、全面地了解環(huán)境監(jiān)測流程，提高學生對環(huán)境突發(fā)事件的處置能力。浙江農(nóng)林大學張艷等[3]利用垃圾焚燒煙氣處理虛仿綜合實驗，模擬了廢氣處理的全過程及各個處理工序之間的聯(lián)系和相互影響，使學生對垃圾焚燒煙氣處理工藝有了更真實、更系統(tǒng)的理解?！按髿馕廴究刂乒こ獭笔且婚T實踐性很強的課程，但受教學場地、儀器設備、教學安全等因素限制，實踐教學環(huán)節(jié)薄弱問題比較突出，不利于學生工程實踐能力的培養(yǎng)[4]。

3 ? ?虛擬仿真與實驗教學相結合的實踐探索

“大氣污染控制與工程”在全書的前8個章節(jié)中主要介紹了什么是大氣污染、顆粒物和氣態(tài)污染物產(chǎn)生原因以及污染物控制技術基礎，大部分內容都在闡述基本原理和學習相關計算。所以，虛擬仿真技術相關內容安排在第九章（固定源氮氧化物污染控制）、第十章（揮發(fā)性有機物污染控制）、第十一章（城市機動車污染控制）等章節(jié)。為此，本研究列舉3種較成熟、可實現(xiàn)的虛擬仿真技術，以提高學生的學習積極性和動手能力，增強學生的綜合實踐能力。

3.1 ?煙氣脫硫脫硝虛擬仿真工廠

以煙氣脫硫脫硝虛擬仿真工廠為例[5]，該虛擬仿真模型以3D形式直觀地展示脫硫脫硝設備的運行狀態(tài)，在對運行過程進行培訓時，進一步加深學生對設備結構原理、工藝流程、生產(chǎn)技術的理解，鞏固所學理論知識，增強學生的工程設計和實際操作能力。此虛擬仿真技術采用的工藝主要有：針對二氧化硫的石灰法濕法脫硫工藝、針對氮氧化物的選擇性催化還原脫硝（SCR）技術、針對粉塵去除的電袋除塵技術等。學生熟練操作此虛擬實驗系統(tǒng)后，在實地參觀電廠煙氣處理設備和裝置時，更容易明白工藝流程和步驟。

3.2 ?揮發(fā)性有機物（VOCs）凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實驗

以揮發(fā)性有機物凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實驗平臺為例[6]，該實驗采用固定床吸附器，用顆粒活性炭作為吸附劑，吸附一定濃度的VOCs廢氣，通過一定工況條件下吸附穿透曲線的測定，可計算出動態(tài)吸附量、不同床層高度下的保護作用時間、傳質區(qū)高度和不飽和度等參數(shù)，增進學生對吸附放熱過程的認識。同時，通過熱空氣吹脫脫附實驗，可加深學生對變溫吸附過程的認識。

3.3 ?垃圾焚燒煙氣處理虛擬仿真綜合實驗

以浙江工業(yè)大學垃圾焚燒煙氣處理虛擬仿真綜合實驗平臺為例，該實驗主體設計了兩組處理工藝，根據(jù)處理結果對比工藝優(yōu)劣，讓學生同時掌握兩種實際工程的煙氣處理技術。第一種堿液吸收脫硫脫酸工藝，在垃圾焚燒爐內噴入尿素溶液，脫除NOx之后，煙氣按順序經(jīng)過降溫塔、消石灰儲倉、活性炭儲倉、袋式除塵器、堿液吸收塔、再熱器，然后排放入大氣;第二種半干法脫硫脫酸工藝，煙氣脫除NOx后，按順序經(jīng)過降溫塔、消石灰儲倉、活性炭儲倉、半干式脫酸塔、袋式除塵器、再熱器，然后排入大氣。實驗過程中，虛擬仿真平臺自動記錄實驗數(shù)據(jù)，便于實驗結束后的數(shù)據(jù)整理和方案評價。在整個虛擬仿真實驗操作過程中，學生可以通過虛擬仿真技術看到設備的外形和內部結構，使課本上的文字描述立體化、具象化，能夠提升學生的學習興趣，增強學生的自主學習性。

此外，機動車污染控制部分廢氣處理裝置的虛擬仿真技術在未來也可以逐漸實現(xiàn)并用于教學實驗，包括發(fā)動機進氣、壓縮、燃燒和排氣4個循環(huán)過程，以及顆粒物捕集、廢氣催化氧化等尾氣污染物凈化過程。

4 ? ?結語

為滿足社會對環(huán)境類專業(yè)人才新的需求，“大氣污染控制工程”作為培養(yǎng)大氣污染控制人才的一門基礎核心課程，必須從理論知識和實際應用兩個方面來培養(yǎng)。將傳統(tǒng)課堂和現(xiàn)代成熟的虛擬仿真技術構建的綜合實驗平臺相結合，滿足當代社會對大氣治理人才自主學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的需求。因此，推進大氣污染控制工程虛擬仿真實驗平臺建設十分必要。

[參考文獻]

[1]鐘欣.虛擬仿真教學模式下大氣污染控制工程實驗教學[J].廣東化工，2020（48）：161-163.

[2]郭亮，梁宏，劉京，等.基于虛擬仿真技術的市政環(huán)境類實驗教學[J].實驗室研究與探索，2015（34）：107-110.

[3]張艷，柳丹，王懿祥，等.垃圾焚燒煙氣處理虛仿綜合實驗的應用[J].西南師范大學學報，2020（45）：187-192.

[4]朱仁成，李順義，金博強，等.基于實踐能力培養(yǎng)的《大氣污染控制工程》教學改革探析[J].廣東化工，2019，17（46）：186-187.

[5]徐冰潔，王慧娟，張新華，等.環(huán)境工程專業(yè)虛擬仿真實訓的教學探索[J].高教學刊，2020（28）：112-118.

[6]北京歐倍爾.北京歐倍爾高校合作之同濟大學揮發(fā)性有機物凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實驗[EB/OL].（2020-03-25）[2021-02-20].https：//www.sohu.com/a/382986656_731014.

Analysis on the teaching reform of “Air Pollution Control Project”

based on virtual simulation technology

Zhu Rencheng， Mei Hui， Li Shunyi， Dou Ming

（College of Ecology and Environment， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract：With the development of information and intelligence， virtual simulation technology is gradually integrated into higher education teaching. With the continuous reform of modern education and the continuous development of quality education， the traditional teaching form has been difficult to meet the innovative， practical and applied talent training needs of the course of “Air pollution Control Project”. Firstly， this paper analyzes the necessity of teaching reform of ?“Air Pollution Control Project” course based on cultivating innovative ability and practical ability， and then puts forward virtual simulation technology which can be matched with teaching material in order to cultivate students autonomy and innovative practical ability， and establish a multi-level practical teaching platform.

Key words：teaching reform; “Air Pollution Control Engineering”; virtual simulation

基金項目：鄭州大學2020年度校級教育教學改革研究與實踐項目“基于創(chuàng)新和實踐能力培養(yǎng)的《大氣污染控制工程》教學改革研究與實踐”（2020zzuJXLX138）;2019年度河南省虛擬仿真實驗教學項目“湖泊富營養(yǎng)化與水華防控虛擬仿真實驗”

作者簡介：朱仁成（1989— ），男，河南開封人，副教授，博士;研究方向：大氣污染控制。