基于虚拟仿真技术的大气污染控制工程教学改革探析

1、    基于虚拟仿真技术的“大气污染控制工程”教学改革探析    朱仁成 梅慧 李顺义 窦明 摘 要：随着信息化和智能化的发展，虚拟仿真技术正逐步融入高等教育教学。随着现代教育不断改革和素质教育不断深入发展，传统教学形式已难以满足“大气污染控制工程”这一课程创新性、实践性、应用性的人才培养需求。首先分析基于培养创新能力和实践能力的“大气污染控制工程”课程教学改革的必要性，其次结合教材，提出可与教材配套的虚拟仿真技术，以便培养学生的自主性和创新实践能力，建立多层次的实践教学平台。关键词：教学改革;“大气污染控制工程”;虚拟仿真随着城市化进程的不断推进、工业

2、结构的日益复杂以及机动车保有量的持续增长，我国环境空气污染特征已由传统煤烟型污染向复合型大气污染转变。对此，中央及地方各级政府迅速作出反应，但大多数区域空气质量与人们的期望仍有较大差距，大气污染治理刻不容缓。严峻的大气环境形势使得政府对大气污染的治理高度重视，为大气污染控制专业人才提供了良好的发展机遇。为满足相关企事业单位的用人需求，毕业生不但要具备扎实的专业知识，还要有一定的实践能力和创新能力，高校人才培养也面临新的严峻挑战。本研究通过探讨现阶段郑州大学在“大气污染控制工程”这门课教学过程中存在的问题，分析虚拟仿真技术在该课程教学改革中应用的必要性和紧迫性，并进一步提出课程中有哪些内容可以通

3、过虚拟仿真技術和课堂教学相结合，有效提升学生对工程技术学习的积极性，培养综合创新实践能力。1    “大气污染控制工程”课程教学改革探索1.1  教学内容改革郑州大学环境类专业使用的教材是由郝吉明、马广大、王书肖主编的大气污染控制工程（第三版），该教材内容详实、结构紧凑、重点突出。近年来，随着我国环境标准的逐步加严和污染治理力度的不断加大，大气污染控制技术也得到了迅猛发展。该教材出版于2010年，距今已有10余年，因此，课程内容更新不及时，对当前大气污染控制领域的热点前沿话题涉及相对较少，例如大气雾霾、pm2.5、vocs和o3等。据预测，至2020年，我国汽车销

4、量将连续12年蝉联世界第一，巨大的汽车保有量在给居民生活带来便利的同时，也给城市大气环境造成了巨大压力，机动车污染控制已成为大气污染控制的重要组成部分，而教材中关于“机动车污染控制”内容设置于第十一章，安排较靠后，易给学生造成该内容不重要的错觉。所以在备课时，授课教师应及时更新有关数据、图表和参考文献，向学生展示最新的国内外研究动态以及对国家相关法律法规、政策措施的基本介绍，为学生日后从事相关工作、进一步深入学习奠定基础。对于环境类专业的学生，发动机知识比较欠缺，在学习机动车污染防治时比较吃力。因此，在讲解汽油机、柴油机污染物的形成过程时，可以利用虚拟仿真技术手段，将污染物形成过程立体化、透明

5、化、具象化，便于老师在课堂上教授内容，也便于学生理解掌握相关知识。1.2  教学方式改革受教学条件限制，传统“大气污染控制工程”的教学方式侧重于课堂理论知识讲解，工程实践环节的课时相对较少，学生对于课堂知识的掌握程度仅体现在课堂作业的完成情况上，所以要提高学生的实践创新能力，首先需要增加实践教学时间。实践教学可以分为两大部分：（1）建立虚拟仿真技术平台，老师带领学生熟悉平台操作，结合具体案例介绍完整的实验过程，之后由学生独立完成虚拟仿真实验或由老师调整实验参数后学生独立完成。（2）实地参观大气治理重点企业，例如火力发电厂、生活垃圾焚烧发电厂、冶金厂等，把虚拟仿真实验中的实验过程和实际

6、工程施工过程相结合，提升学生的综合实践能力。1.3  教学考核方式改革为加强学生实践能力的培养，加入虚拟仿真实验平台后，“大气污染控制工程”课程考核应由平时成绩、实践完成情况和期末考试3个部分组成。平时成绩主要由出勤情况、课堂表现和课堂作业完成质量组成，占总成绩的20%;实践完成情况包括学生独立完成虚拟仿真实验的能力，可自主选择实验题目，通过录屏讲解等方式提交完整的实验视频，然后提交实地参观的实习报告，二者占总成绩的30%;期末考试仍是笔试，占总成绩的50%。2    基于虚拟仿真技术的教学改革必要性分析“大气污染控制工程”是高等学校环境类专业必修的核心课程之一，

7、教学效果直接影响学生对大气污染控制理论知识和工程技能的掌握水平。由于传统的课堂模式和实验教学方法存在诸多问题，往往达不到预期的教学效果。具体表现在以下3个方面：（1）大型教学仪器设备费用高、占地面积大;（2）学生多、仪器少，实际操作机会不够;（3）仪器设备内部结构不能直观感受。随着计算机信息技术的快速发展，虚拟仿真技术已在高等教育中广泛应用。越来越多的高校基于虚拟仿真教学平台，开展实验教学，取得了良好的教学效果。例如北京师范大学钟欣1以二氧化碳吸收与解析实验为例，详细介绍了虚拟仿真实验教学的具体模式：学生根据老师的指导，通过教学平台进入仿真模拟实验，并完成实验数据的收集和处理，然后自主设计实验

8、验证结果。哈尔滨工业大学郭亮等2借助环境监测、水环境规划与污染应急等仿真实验平台，让学生通过虚拟环境中各环节的操作，直观、全面地了解环境监测流程，提高学生对环境突发事件的处置能力。浙江农林大学张艳等3利用垃圾焚烧烟气处理虚仿综合实验，模拟了废气处理的全过程及各个处理工序之间的联系和相互影响，使学生对垃圾焚烧烟气处理工艺有了更真实、更系统的理解。“大气污染控制工程”是一门实践性很强的课程，但受教学场地、仪器设备、教学安全等因素限制，实践教学环节薄弱问题比较突出，不利于学生工程实践能力的培养4。3    虚拟仿真与实验教学相结合的实践探索“大气污染控制与工程”在全书的前8个章节

9、中主要介绍了什么是大气污染、颗粒物和气态污染物产生原因以及污染物控制技术基础，大部分内容都在阐述基本原理和学习相关计算。所以，虚拟仿真技术相关内容安排在第九章（固定源氮氧化物污染控制）、第十章（挥发性有机物污染控制）、第十一章（城市机动车污染控制）等章节。为此，本研究列举3种较成熟、可实现的虚拟仿真技术，以提高学生的学习积极性和动手能力，增强学生的综合实践能力。3.1  烟气脱硫脱硝虚拟仿真工厂以烟气脱硫脱硝虚拟仿真工厂为例5，该虚拟仿真模型以3d形式直观地展示脱硫脱硝设备的运行状态，在对运行过程进行培训时，进一步加深学生对设备结构原理、工艺流程、生产技术的理解，巩固所学理论知识，增

10、强学生的工程设计和实际操作能力。此虚拟仿真技术采用的工艺主要有：针对二氧化硫的石灰法湿法脱硫工艺、针对氮氧化物的选择性催化还原脱硝（scr）技术、针对粉尘去除的电袋除尘技术等。学生熟练操作此虚拟实验系统后，在实地参观电厂烟气处理设备和装置时，更容易明白工艺流程和步骤。3.2  挥发性有机物（vocs）净化及资源化工艺虚拟仿真综合实验以挥发性有机物净化及资源化工艺虚拟仿真综合实验平台为例6，该实验采用固定床吸附器，用颗粒活性炭作为吸附剂，吸附一定浓度的vocs废气，通过一定工况条件下吸附穿透曲线的测定，可计算出动态吸附量、不同床层高度下的保护作用时间、传质区高度和不饱和度等参数，增进学

11、生对吸附放热过程的认识。同时，通过热空气吹脱脱附实验，可加深学生对变温吸附过程的认识。3.3  垃圾焚烧烟气处理虚拟仿真综合实验以浙江工业大学垃圾焚烧烟气处理虚拟仿真综合实验平台为例，该实验主体设计了两组处理工艺，根据处理结果对比工艺优劣，让学生同时掌握两种实际工程的烟气处理技术。第一种碱液吸收脱硫脱酸工艺，在垃圾焚烧炉内喷入尿素溶液，脱除nox之后，烟气按顺序经过降温塔、消石灰储仓、活性炭储仓、袋式除尘器、碱液吸收塔、再热器，然后排放入大气;第二种半干法脱硫脱酸工艺，烟气脱除nox后，按顺序经过降温塔、消石灰储仓、活性炭储仓、半干式脱酸塔、袋式除尘器、再热器，然后排入大气。实验过程

12、中，虚拟仿真平台自动记录实验数据，便于实验结束后的数据整理和方案评价。在整个虚拟仿真实验操作过程中，学生可以通过虚拟仿真技术看到设备的外形和内部结构，使课本上的文字描述立体化、具象化，能够提升学生的学习兴趣，增强学生的自主学习性。此外，机动车污染控制部分废气处理装置的虚拟仿真技术在未来也可以逐渐实现并用于教学实验，包括发动机进气、压缩、燃烧和排气4个循环过程，以及颗粒物捕集、废气催化氧化等尾气污染物净化过程。4    结语为满足社会对环境类专业人才新的需求，“大气污染控制工程”作为培养大气污染控制人才的一门基础核心课程，必须从理论知识和实际应用两个方面来培养。将传统课堂和现

13、代成熟的虚拟仿真技术构建的综合实验平台相结合，满足当代社会对大气治理人才自主学习能力、实践能力和创新能力的需求。因此，推进大气污染控制工程虚拟仿真实验平台建设十分必要。参考文献1钟欣.虚拟仿真教学模式下大气污染控制工程实验教学j.广东化工，2020（48）：161-163.2郭亮，梁宏，刘京，等.基于虚拟仿真技术的市政环境类实验教学j.实验室研究与探索，2015（34）：107-110.3张艳，柳丹，王懿祥，等.垃圾焚烧烟气处理虚仿综合实验的应用j.西南师范大学学报，2020（45）：187-192.4朱仁成，李顺义，金博强，等.基于实践能力培养的大气污染控制工程教学改革探析j.广东化工，20

14、19，17（46）：186-187.5徐冰洁，王慧娟，张新华，等.环境工程专业虚拟仿真实训的教学探索j.高教学刊，2020（28）：112-118.6北京欧倍尔.北京欧倍尔高校合作之同济大学挥发性有机物净化及资源化工艺虚拟仿真综合实验eb/ol.（2020-03-25）2021-02-20.https：/analysis on the teaching reform of “air pollution control project”based on virtual simulation technologyzhu rencheng， mei hui， li shunyi， dou ming（

15、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 dev

16、elopment 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， a