細(xì)顆粒物脫除裝置課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法探討

河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院 王夫美 沈伯雄 張 笑 胡振中 張芝昆 許連飛

細(xì)顆粒物是指懸浮于空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5nm的顆粒，是引起霧霾天氣的重要因素，由于細(xì)顆粒物具有較大表面積，易吸附大氣環(huán)境中有毒有害物質(zhì)，并且無法被呼吸系統(tǒng)有效攔截下來而進(jìn)入人體，危害人體健康。大氣細(xì)顆粒物主要來自燃煤、機(jī)動(dòng)車燃料等燃燒源的直接排放，也包括來自其前體物（如二氧化硫、氮氧化物、揮發(fā)性有機(jī)物等）的二次轉(zhuǎn)化粒子。目前已有除塵技術(shù)對(duì)大粒徑顆粒物可以實(shí)現(xiàn)高效脫除，但對(duì)細(xì)顆粒物脫除效率較低。隨著當(dāng)前環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，細(xì)顆粒物排放控制受到了越來越多的關(guān)注，其控制的研究是當(dāng)前環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

“細(xì)顆粒物脫除裝置”課程是河北工業(yè)大學(xué)為環(huán)保設(shè)備工程專業(yè)本科生新開設(shè)的一門專業(yè)限定選修課。通過該課程學(xué)習(xí)，旨在使學(xué)生對(duì)細(xì)顆粒物的控制技術(shù)原理、工藝系統(tǒng)、設(shè)備和發(fā)展具有明確認(rèn)知，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀，加強(qiáng)學(xué)生的獨(dú)立思考和解決問題能力，培養(yǎng)學(xué)生在工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究中的創(chuàng)新能力；為從事本專業(yè)相關(guān)工作奠定良好的基礎(chǔ)。該課程設(shè)置學(xué)時(shí)短、內(nèi)容新、前沿性強(qiáng)。如何在教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的興趣；如何學(xué)好這門課程；怎樣使學(xué)生有效地消化接收到的大量知識(shí)信息；怎樣使學(xué)生切實(shí)掌握所學(xué)知識(shí)點(diǎn)甚至應(yīng)用所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，這是教學(xué)過程中需要關(guān)注的重要問題。為此，筆者針對(duì)細(xì)顆粒物脫除裝置課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)評(píng)價(jià)體系進(jìn)行探討，以期提高本課程教學(xué)質(zhì)量。

一、不斷更新和完善課程內(nèi)容

該課程針對(duì)細(xì)顆粒物的脫除技術(shù)與脫除裝置，重點(diǎn)圍繞改進(jìn)現(xiàn)有除塵技術(shù)和增大細(xì)顆粒物粒徑技術(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)；系統(tǒng)介紹了電袋復(fù)合除塵、濕式靜電除塵、低低溫電除塵與協(xié)同脫除超低排放技術(shù)等改進(jìn)的高效除塵技術(shù)與裝置；以及新型化學(xué)團(tuán)聚、電凝并、蒸汽相變、聲波團(tuán)聚、磁團(tuán)聚與磁分離、熱泳沉積、湍流團(tuán)聚與光團(tuán)聚等預(yù)團(tuán)聚技術(shù)及裝置。該課程的基本教學(xué)要求是了解細(xì)顆粒物來源、形成機(jī)制、污染特征，以及細(xì)顆粒物控制技術(shù)當(dāng)前存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)，掌握細(xì)顆粒物的形成機(jī)制，掌握細(xì)顆粒物控制技術(shù)原理與工藝，熟悉典型的細(xì)顆粒物脫除的除塵器，掌握各類細(xì)顆粒物預(yù)團(tuán)聚原理，了解細(xì)顆粒物預(yù)團(tuán)聚技術(shù)工藝系統(tǒng)。

從目前除塵技術(shù)現(xiàn)狀來看，已有除塵技術(shù)、除塵設(shè)備對(duì)大粒徑顆粒物可以實(shí)現(xiàn)高效脫除，且技術(shù)成熟、工業(yè)應(yīng)用廣泛；然而，針對(duì)細(xì)顆粒物脫除，現(xiàn)有的除塵技術(shù)不僅脫除效率較低，還沒有成熟的脫除技術(shù)。另外，環(huán)境污染防治技術(shù)是不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)課程，新概念、新理論、新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)，為了讓學(xué)生真正掌握所學(xué)的知識(shí)，滿足實(shí)際應(yīng)用需求，因此必須不斷補(bǔ)充、豐富和更新教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)資料，才能確保細(xì)顆粒物防治技術(shù)的時(shí)效性。本課程選用東南大學(xué)楊林軍教授編寫的《燃燒源細(xì)顆粒物污染控制技術(shù)》為基礎(chǔ)教材，該教材于2011年出版，已出版10余年；同時(shí)教研組教師編寫了自編講義與教學(xué)課件。例如，在優(yōu)化現(xiàn)有除塵技術(shù)與設(shè)備裝置方面，增加了靜電旋風(fēng)除塵技術(shù)、低低溫電除塵技術(shù)。大氣污染問題是一個(gè)既有顆粒物污染，又有氣態(tài)污染物污染，還涉及污染排放的綜合性問題，因此，教學(xué)內(nèi)容增加了靜電增強(qiáng)濕式除塵器和新型的多污染協(xié)同脫除超低排放技術(shù)，實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒物與氣態(tài)污染物的協(xié)同脫除。

將課程進(jìn)展、發(fā)展方向和新理論、新觀點(diǎn)、新技術(shù)、新方法，及時(shí)充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容中，不僅拓展了教學(xué)內(nèi)容的深度和廣度，還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，以及增強(qiáng)了其解決環(huán)境問題的社會(huì)責(zé)任感。在課程教學(xué)過程中結(jié)合行業(yè)背景，及時(shí)了解新的相關(guān)政策法規(guī)，重點(diǎn)介紹具有廣闊應(yīng)用前景的控制技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀；對(duì)前沿知識(shí)，有可能存在不系統(tǒng)和不成熟，甚至有一些片面和缺陷等問題，也進(jìn)行了相關(guān)介紹，以此激發(fā)學(xué)生的求知欲望和探索精神。

二、豐富教學(xué)方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性

科學(xué)的教學(xué)方法可以事半功倍，教學(xué)過程除了要滿足條理清楚、層次分明、重點(diǎn)突出等一般課堂教學(xué)要求外，更應(yīng)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性?！凹?xì)顆粒物脫除裝置”課程行業(yè)背景強(qiáng)、前沿性強(qiáng)，涉及新原理、新方法、新技術(shù)等。在教學(xué)中需要靈活運(yùn)用各種教學(xué)手段，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生在顆粒物防治領(lǐng)域的求知欲望和創(chuàng)新意識(shí)。在課堂教學(xué)中應(yīng)避免“滿堂灌”“機(jī)灌”的單一講授法，本課程以工程案例為切入點(diǎn)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容綜合運(yùn)用啟發(fā)式、探究式、參與式、項(xiàng)目化等課堂教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

（一）三維動(dòng)畫演示+工程案例法

教學(xué)中對(duì)細(xì)顆粒物脫除裝置的基本概念、基本原理采用講授教學(xué)；教學(xué)過程配合多媒體、FLASH 動(dòng)畫、視頻教學(xué)等工具，使工程設(shè)備更形象化，基本理論的應(yīng)用更具體化。例如，利用視頻展示了福建龍凈環(huán)保股份有限公司的電袋復(fù)合除塵器，視頻采用三維動(dòng)畫仿真模式演示，詳細(xì)介紹了電袋復(fù)合除塵器的原理、工藝流程、構(gòu)造、應(yīng)用和優(yōu)點(diǎn)等，使學(xué)生對(duì)電袋復(fù)合除塵器的知識(shí)內(nèi)容的理解更加立體化；最后再進(jìn)一步對(duì)大唐350MW 機(jī)組電站的電袋復(fù)合除塵器的工程應(yīng)用案例進(jìn)行講解，再次鞏固理論知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題能力。類似的，針對(duì)近年來發(fā)展較為快速，已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的高效除塵器，如濕式電除塵器、低低溫電除塵器等，采用了類似的典型動(dòng)畫演示+工程應(yīng)用案例的教學(xué)方法；使學(xué)生在具體工程案例的分析中，把所學(xué)的抽象知識(shí)運(yùn)用到解決具體工程問題中，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握；同時(shí)與實(shí)際需求緊密聯(lián)系，也更加有利于學(xué)生對(duì)相關(guān)行業(yè)的總體認(rèn)知。

（二）討論法

學(xué)生作為教學(xué)活動(dòng)主體，學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的主動(dòng)性尤為重要，通過課堂教學(xué)中多設(shè)置討論環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與，并啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生在討論中找到解決問題的途徑及方法，強(qiáng)化教師和學(xué)生之間的互動(dòng)性，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的積極性，有助于提高學(xué)習(xí)效率。例如，在“燃煤煙氣超低排放技術(shù)”章節(jié)，目前國內(nèi)電廠全部完成了超低排放技術(shù)改造，安裝了以濕式靜電除塵器、低低溫電除塵等工藝系統(tǒng)為核心的技術(shù)，并且取得了較好的細(xì)顆粒物脫除效果。通過收集典型超低排放技術(shù)工藝系統(tǒng)，請(qǐng)學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，綜合大氣污染治理知識(shí)，考慮煙氣特點(diǎn)、治理效果、經(jīng)濟(jì)性、設(shè)施運(yùn)行管理等，比較各工藝的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍以及改進(jìn)措施等。在講授蒸汽相變與現(xiàn)有燃煤鍋爐濕法煙氣脫硫技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用案例時(shí)，通過設(shè)置問題，如Na2CO3、CaCO3、NH3·H2O等不同脫硫劑的使用對(duì)添加蒸汽的WFGD系統(tǒng)細(xì)顆粒脫除效率是否有影響？如何影響脫除效果？引導(dǎo)學(xué)生思考，學(xué)生積極發(fā)言，取得了良好的教學(xué)效果。

（三）項(xiàng)目化

針對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的預(yù)團(tuán)聚技術(shù)模塊，目前大部分技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，還未進(jìn)行工程應(yīng)用，在教學(xué)過程中側(cè)重于理論知識(shí)的理解和掌握，并輔以各種教學(xué)手段，強(qiáng)化學(xué)生的理論知識(shí)學(xué)習(xí)。例如，在講述電凝并技術(shù)時(shí)，教研組教師正承擔(dān)電凝并技術(shù)相關(guān)課題，通過鼓勵(lì)學(xué)生參與教師課題，完成了如“噴霧促進(jìn)細(xì)顆粒物交流電凝并實(shí)驗(yàn)研究”“不同預(yù)荷電條件下影響PM2.5凝并效果的因素”“細(xì)顆粒物在交流電場(chǎng)中凝并”等課題研究，在課堂分享研究成果，并鼓勵(lì)寫成科研論文發(fā)表。例如，課程以“第七屆天津市大學(xué)生環(huán)境學(xué)科創(chuàng)新與實(shí)踐能力邀請(qǐng)賽”為契機(jī)，組織班級(jí)多名學(xué)生參加了以“PM2.5與O3協(xié)同治理”為主題的競(jìng)賽項(xiàng)目，該主題與本課程內(nèi)容相吻合，并且契合當(dāng)前多污染協(xié)同治理的社會(huì)需求。在競(jìng)賽準(zhǔn)備過程中，學(xué)生不再紙上談兵，能以實(shí)際問題為研究對(duì)象，學(xué)生提出問題、確定目標(biāo)、分析問題以及提出創(chuàng)新性解決方案；同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)合作能力。通過參與教師科研項(xiàng)目和參加科研競(jìng)賽等這種項(xiàng)目化的教學(xué)方式，此過程中學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)探究式學(xué)習(xí)，完成課本理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐的轉(zhuǎn)換，提高創(chuàng)新思維和現(xiàn)場(chǎng)分析、解決實(shí)際問題的能力，也提高教學(xué)效率。

（四）啟發(fā)式與探究式

教育的本質(zhì)是“授人以魚不如授人以漁”。一個(gè)好的稱職的教師，不僅要給學(xué)生傳授知識(shí)，還要教會(huì)學(xué)生自學(xué)的方法。例如，課程中講述蒸汽相變理論時(shí)，針對(duì)目前文獻(xiàn)研究較多工程應(yīng)用少的特點(diǎn)，教師對(duì)發(fā)表在國際著名期刊Fuel上的文獻(xiàn)研究進(jìn)行學(xué)習(xí)；并安排學(xué)生課后自查文獻(xiàn)資料，分享一篇相關(guān)科學(xué)研究報(bào)道，要求著重闡述研究方法、研究結(jié)論、創(chuàng)新性以及該研究存在的問題或未來研究展望。加強(qiáng)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，同時(shí)引導(dǎo)前沿發(fā)展思考。針對(duì)湍流團(tuán)聚技術(shù)，設(shè)置專題研究，在教師指導(dǎo)學(xué)生自學(xué)Fluent（商用CFD軟件包）的基礎(chǔ)上模擬煙道設(shè)置擾流元件后區(qū)域發(fā)生湍流團(tuán)聚后的流場(chǎng)均勻性的研究。在講述聲波團(tuán)聚時(shí)，分享了我國研發(fā)的先進(jìn)的前瞻性技術(shù)科技成果，開發(fā)的“可調(diào)頻高聲強(qiáng)聲波發(fā)生裝置”“復(fù)合聲波團(tuán)聚高效除塵技術(shù)”，其中以復(fù)合聲波團(tuán)聚技術(shù)為核心的大型燃煤機(jī)組顆粒物高效脫除系統(tǒng)在300MW 機(jī)組得到工程利用，該項(xiàng)技術(shù)彌補(bǔ)了聲波團(tuán)聚領(lǐng)域的實(shí)踐空白。此外，也分享了聲波團(tuán)聚消除火災(zāi)煙霧的研究成果，學(xué)生思維被打開，認(rèn)識(shí)到知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系和交叉滲透，使學(xué)生能融會(huì)貫通；不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，還激發(fā)了學(xué)生投身先進(jìn)技術(shù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

（五）參與式

針對(duì)單一的預(yù)團(tuán)聚技術(shù)脫除效率低、能耗高等缺點(diǎn)，部分科學(xué)家研究復(fù)合預(yù)團(tuán)聚技術(shù)以提高細(xì)顆粒物脫除效果，鑒于本課程學(xué)時(shí)短，復(fù)合預(yù)團(tuán)聚技術(shù)作為本課程的拓展內(nèi)容，采用了翻轉(zhuǎn)課堂“學(xué)生講課式”教學(xué)方法，即讓學(xué)生3—4人一組，全班26人分為8組，每組進(jìn)行15分鐘PPT匯報(bào)，事先擬定“聲場(chǎng)+蒸汽相變”“聲場(chǎng)+電場(chǎng)”“聲波+化學(xué)團(tuán)聚”“聲波+湍流”“荷電+化學(xué)團(tuán)聚”“荷電+湍流”“荷電+蒸汽相變”“化學(xué)團(tuán)聚+湍流團(tuán)聚”等8個(gè)主題，每組一題，要求學(xué)生組內(nèi)合作，查閱相關(guān)資料，每組學(xué)生對(duì)其主題進(jìn)行闡述，講完后教師和全班學(xué)生作為評(píng)委，對(duì)其所講內(nèi)容進(jìn)行提問、點(diǎn)評(píng)及打分。參與式教學(xué)方式不但充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使之自覺學(xué)習(xí)，而且學(xué)生能積累講臺(tái)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作精神。

三、不斷完善評(píng)價(jià)體系

傳統(tǒng)教育以閉卷或開卷考試成績(jī)來評(píng)價(jià)教學(xué)效果、衡量學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度。實(shí)質(zhì)上，單純的期末考試成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系已經(jīng)不能完全反映學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，即使是取得比較理想的成績(jī)，也有可能是短暫的“死知識(shí)”。因此，高質(zhì)量的教學(xué)更注重學(xué)生能力的培養(yǎng)與獲得，因此，原有的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系需要改變。

本課程通過優(yōu)化考核方法，全面準(zhǔn)確地把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。具體采取全方位、多層次的課程考核方式，包括過程考核60%和終期考核40%。高比例的過程考核意味著更注重學(xué)生平時(shí)在教學(xué)活動(dòng)中的表現(xiàn)。在細(xì)顆粒物脫除裝置課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中，過程考評(píng)的重點(diǎn)放在課堂表現(xiàn)和課外學(xué)習(xí)兩個(gè)方面，具體包括平時(shí)課堂表現(xiàn)、課程小論文、課程作業(yè)、自學(xué)部分、課堂展示與匯報(bào)、研究課題等，分別對(duì)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)能力、問題求解能力、創(chuàng)新思維能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

總而言之，隨著社會(huì)的發(fā)展，行業(yè)現(xiàn)狀和需求也在發(fā)生變化，為更好地為社會(huì)培養(yǎng)行業(yè)專業(yè)人才，需要更好地完成本科教學(xué)環(huán)節(jié)。做到相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)手段的與時(shí)俱進(jìn)，不斷優(yōu)化課程的廣度和深度，著眼于國內(nèi)外的先進(jìn)理論和技術(shù)，不斷關(guān)注國家新環(huán)保政策，掌握國內(nèi)外的學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)和技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀。本次細(xì)顆粒物脫除課程，通過多種行之有效的教學(xué)方法和途徑有效地組織教學(xué)活動(dòng)，在河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院2019級(jí)和2020級(jí)環(huán)保設(shè)備工程專業(yè)本科生中完成了兩輪教學(xué)實(shí)施后，引起了學(xué)生極大的學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的教學(xué)效果。