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(shù)正逐步融入高等教育教學(xué)。隨著現(xiàn)代教育不斷改革和素質(zhì)教育不斷深入發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)形式已難以滿足“大氣污染控制工程”這一課程創(chuàng)新性、實(shí)踐性、應(yīng)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(shí)踐能力的“大氣污染控制工程”課程教學(xué)改革的必要性，其次結(jié)合教材，提出可與教材配套的虛擬仿真技術(shù)，以便培養(yǎng)學(xué)生的自主性和創(chuàng)新實(shí)踐能力，建立多層次的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革;“大氣污染控制工程”;虛擬仿真

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)、工業(yè)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜以及機(jī)動(dòng)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(fù)合型大氣污染轉(zhuǎn)變。對此，中央及地方各級(jí)政府迅速作出反應(yīng)，但大多數(shù)區(qū)域空氣質(zhì)量與人們的期望仍有較大差距，大氣污染治理刻不容緩。嚴(yán)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(jī)遇。為滿足相關(guān)企事業(yè)單位的用人需求，畢業(yè)生不但要具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，還要有一定的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，高校人才培養(yǎng)也面臨新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本研究通過探討現(xiàn)階段鄭州大學(xué)在“大氣污染控制工程”這門課教學(xué)過程中存在的問題，分析虛擬仿真技術(shù)在該課程教學(xué)改革中應(yīng)用的必要性和緊迫性，并進(jìn)一步提出課程中有哪些內(nèi)容可以通過虛擬仿真技術(shù)和課堂教學(xué)相結(jié)合，有效提升學(xué)生對工程技術(shù)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)綜合創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1 ? ?“大氣污染控制工程”課程教學(xué)改革探索

1.1 ?教學(xué)內(nèi)容改革

鄭州大學(xué)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(nèi)容詳實(shí)、結(jié)構(gòu)緊湊、重點(diǎn)突出。近年來，隨著我國環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的逐步加嚴(yán)和污染治理力度的不斷加大，大氣污染控制技術(shù)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(nèi)容更新不及時(shí)，對當(dāng)前大氣污染控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)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(yù)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(shí)，也給城市大氣環(huán)境造成了巨大壓力，機(jī)動(dòng)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(guān)于“機(jī)動(dòng)車污染控制”內(nèi)容設(shè)置于第十一章，安排較靠后，易給學(xué)生造成該內(nèi)容不重要的錯(cuò)覺。所以在備課時(shí)，授課教師應(yīng)及時(shí)更新有關(guān)數(shù)據(jù)、圖表和參考文獻(xiàn)，向?qū)W生展示最新的國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)以及對國家相關(guān)法律法規(guī)、政策措施的基本介紹，為學(xué)生日后從事相關(guān)工作、進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。對于環(huán)境類專業(yè)的學(xué)生，發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)比較欠缺，在學(xué)習(xí)機(jī)動(dòng)車污染防治時(shí)比較吃力。因此，在講解汽油機(jī)、柴油機(jī)污染物的形成過程時(shí)，可以利用虛擬仿真技術(shù)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(nèi)容，也便于學(xué)生理解掌握相關(guān)知識(shí)。

1.2 ?教學(xué)方式改革

受教學(xué)條件限制，傳統(tǒng)“大氣污染控制工程”的教學(xué)方式側(cè)重于課堂理論知識(shí)講解，工程實(shí)踐環(huán)節(jié)的課時(shí)相對較少，學(xué)生對于課堂知識(shí)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(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，首先需要增加實(shí)踐教學(xué)時(shí)間。實(shí)踐教學(xué)可以分為兩大部分：（1）建立虛擬仿真技術(shù)平臺(tái)，老師帶領(lǐng)學(xué)生熟悉平臺(tái)操作，結(jié)合具體案例介紹完整的實(shí)驗(yàn)過程，之后由學(xué)生獨(dú)立完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)或由老師調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)后學(xué)生獨(dú)立完成。（2）實(shí)地參觀大氣治理重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)際工程施工過程相結(jié)合，提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

1.3 ?教學(xué)考核方式改革

為加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，加入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，“大氣污染控制工程”課程考核應(yīng)由平時(shí)成績、實(shí)踐完成情況和期末考試3個(gè)部分組成。平時(shí)成績主要由出勤情況、課堂表現(xiàn)和課堂作業(yè)完成質(zhì)量組成，占總成績的20%;實(shí)踐完成情況包括學(xué)生獨(dú)立完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的能力，可自主選擇實(shí)驗(yàn)題目，通過錄屏講解等方式提交完整的實(shí)驗(yàn)視頻，然后提交實(shí)地參觀的實(shí)習(xí)報(bào)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(shù)的教學(xué)改革必要性分析

“大氣污染控制工程”是高等學(xué)校環(huán)境類專業(yè)必修的核心課程之一，教學(xué)效果直接影響學(xué)生對大氣污染控制理論知識(shí)和工程技能的掌握水平。由于傳統(tǒng)的課堂模式和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法存在諸多問題，往往達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：（1）大型教學(xué)儀器設(shè)備費(fèi)用高、占地面積大;（2）學(xué)生多、儀器少，實(shí)際操作機(jī)會(huì)不夠;（3）儀器設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能直觀感受。

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)已在高等教育中廣泛應(yīng)用。越來越多的高?；谔摂M仿真教學(xué)平臺(tái)，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果。例如北京師范大學(xué)鐘欣[1]以二氧化碳吸收與解析實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體模式：學(xué)生根據(jù)老師的指導(dǎo)，通過教學(xué)平臺(tái)進(jìn)入仿真模擬實(shí)驗(yàn)，并完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和處理，然后自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)郭亮等[2]借助環(huán)境監(jiān)測、水環(huán)境規(guī)劃與污染應(yīng)急等仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓學(xué)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(xué)生對環(huán)境突發(fā)事件的處置能力。浙江農(nóng)林大學(xué)張艷等[3]利用垃圾焚燒煙氣處理虛仿綜合實(shí)驗(yàn)，模擬了廢氣處理的全過程及各個(gè)處理工序之間的聯(lián)系和相互影響，使學(xué)生對垃圾焚燒煙氣處理工藝有了更真實(shí)、更系統(tǒng)的理解?！按髿馕廴究刂乒こ獭笔且婚T實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，但受教學(xué)場地、儀器設(shè)備、教學(xué)安全等因素限制，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱問題比較突出，不利于學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)[4]。

3 ? ?虛擬仿真與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的實(shí)踐探索

“大氣污染控制與工程”在全書的前8個(gè)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(shù)基礎(chǔ)，大部分內(nèi)容都在闡述基本原理和學(xué)習(xí)相關(guān)計(jì)算。所以，虛擬仿真技術(shù)相關(guān)內(nèi)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(jī)物污染控制）、第十一章（城市機(jī)動(dòng)車污染控制）等章節(jié)。為此，本研究列舉3種較成熟、可實(shí)現(xiàn)的虛擬仿真技術(shù)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生的綜合實(shí)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(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在對運(yùn)行過程進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，進(jìn)一步加深學(xué)生對設(shè)備結(jié)構(gòu)原理、工藝流程、生產(chǎn)技術(shù)的理解，鞏固所學(xué)理論知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際操作能力。此虛擬仿真技術(shù)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(shù)、針對粉塵去除的電袋除塵技術(shù)等。學(xué)生熟練操作此虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，在實(shí)地參觀電廠煙氣處理設(shè)備和裝置時(shí)，更容易明白工藝流程和步驟。

3.2 ?揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)

以揮發(fā)性有機(jī)物凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例[6]，該實(shí)驗(yàn)采用固定床吸附器，用顆?；钚蕴孔鳛槲絼?，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(jì)算出動(dòng)態(tài)吸附量、不同床層高度下的保護(hù)作用時(shí)間、傳質(zhì)區(qū)高度和不飽和度等參數(shù)，增進(jìn)學(xué)生對吸附放熱過程的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，通過熱空氣吹脫脫附實(shí)驗(yàn)，可加深學(xué)生對變溫吸附過程的認(rèn)識(shí)。

3.3 ?垃圾焚燒煙氣處理虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)

以浙江工業(yè)大學(xué)垃圾焚燒煙氣處理虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例，該實(shí)驗(yàn)主體設(shè)計(jì)了兩組處理工藝，根據(jù)處理結(jié)果對比工藝優(yōu)劣，讓學(xué)生同時(shí)掌握兩種實(shí)際工程的煙氣處理技術(shù)。第一種堿液吸收脫硫脫酸工藝，在垃圾焚燒爐內(nèi)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(chǔ)倉、活性炭儲(chǔ)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(chǔ)倉、活性炭儲(chǔ)倉、半干式脫酸塔、袋式除塵器、再熱器，然后排入大氣。實(shí)驗(yàn)過程中，虛擬仿真平臺(tái)自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的數(shù)據(jù)整理和方案評價(jià)。在整個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生可以通過虛擬仿真技術(shù)看到設(shè)備的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使課本上的文字描述立體化、具象化，能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性。

此外，機(jī)動(dòng)車污染控制部分廢氣處理裝置的虛擬仿真技術(shù)在未來也可以逐漸實(shí)現(xiàn)并用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣4個(gè)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(jié)語

為滿足社會(huì)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(chǔ)核心課程，必須從理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用兩個(gè)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(shù)構(gòu)建的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合，滿足當(dāng)代社會(huì)對大氣治理人才自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的需求。因此，推進(jìn)大氣污染控制工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)十分必要。

[參考文獻(xiàn)]

[1]鐘欣.虛擬仿真教學(xué)模式下大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)[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(shù)的市政環(huán)境類實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的應(yīng)用[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2020（45）：187-192.

[4]朱仁成，李順義，金博強(qiáng)，等.基于實(shí)踐能力培養(yǎng)的《大氣污染控制工程》教學(xué)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(shí)訓(xùn)的教學(xué)探索[J].高教學(xué)刊，2020（28）：112-118.

[6]北京歐倍爾.北京歐倍爾高校合作之同濟(jì)大學(xué)揮發(fā)性有機(jī)物凈化及資源化工藝虛擬仿真綜合實(shí)驗(yàn)[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(xiàng)目：鄭州大學(xué)2020年度校級(jí)教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于創(chuàng)新和實(shí)踐能力培養(yǎng)的《大氣污染控制工程》教學(xué)改革研究與實(shí)踐”（2020zzuJXLX138）;2019年度河南省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“湖泊富營養(yǎng)化與水華防控虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”

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。