細顆粒物脫除裝置課程教學內容及教學方法探討

細顆粒物是指懸浮于空氣中空氣動力學當量直徑≤2.5nm的顆粒，是引起霧霾天氣的重要因素，由于細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，并且無法被呼吸系統(tǒng)有效攔截下來而進入人體，危害人體健康。大氣細顆粒物主要來自燃煤、機動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)性有機物等）的二次轉化粒子。目前已有除塵技術對大粒徑顆粒物可以實現(xiàn)高效脫除，但對細顆粒物脫除效率較低。隨著當前環(huán)保要求的日益嚴格，細顆粒物排放控制受到了越來越多的關注，其控制的研究是當前環(huán)境領域的研究熱點?！凹氼w粒物脫除裝置”課程是河北工業(yè)大學為環(huán)保設備工程專業(yè)本科生新開設的一門專業(yè)限定選修課。通過該課程學習，旨在使學生對細顆粒物的控制技術原理、工藝系統(tǒng)、設備和發(fā)展具有明確認知，結合實際應用現(xiàn)狀，加強學生的獨立思考和解決問題能力，培養(yǎng)學生在工程設計和科學研究中的創(chuàng)新能力；為從事本專業(yè)相關工作奠定良好的基礎。該課程設置學時短、內容新、前沿性強。如何在教學中激發(fā)學生的興趣；如何學好這門課程；怎樣使學生有效地消化接收到的大量知識信息；怎樣使學生切實掌握所學知識點甚至應用所學知識點，這是教學過程中需要關注的重要問題。為此，筆者針對細顆粒物脫除裝置課程的教學內容、教學方法和教學評價體系進行探討，以期提高本課程教學質量。一、不斷更新和完善課程內容該課程針對細顆粒物的脫除技術與脫除裝置，重點圍繞改進現(xiàn)有除塵技術和增大細顆粒物粒徑技術兩個方面進行教學；系統(tǒng)介紹了電袋復合除塵、濕式靜電除塵、低低溫電除塵與協(xié)同脫除超低排放技術等改進的高效除塵技術與裝置；以及新型化學團聚、電凝并、蒸汽相變、聲波團聚、磁團聚與磁分離、熱泳沉積、湍流團聚與光團聚等預團聚技術及裝置。該課程的基本教學要求是了解細顆粒物來源、形成機制、污染特征，以及細顆粒物控制技術當前存在的問題和發(fā)展趨勢，掌握細顆粒物的形成機制，掌握細顆粒物控制技術原理與工藝，熟悉典型的細顆粒物脫除的除塵器，掌握各類細顆粒物預團聚原理，了解細顆粒物預團聚技術工藝系統(tǒng)。從目前除塵技術現(xiàn)狀來看，已有除塵技術、除塵設備對大粒徑顆粒物可以實現(xiàn)高效脫除，且技術成熟、工業(yè)應用廣泛；然而，針對細顆粒物脫除，現(xiàn)有的除塵技術不僅脫除效率較低，還沒有成熟的脫除技術。另外，環(huán)境污染防治技術是不斷發(fā)展的科學技術課程，新概念、新理論、新技術和新工藝不斷涌現(xiàn)，為了讓學生真正掌握所學的知識，滿足實際應用需求，因此必須不斷補充、豐富和更新教學內容與教學資料，才能確保細顆粒物防治技術的時效性。本課程選用東南大學楊林軍教授編寫的《燃燒源細顆粒物污染控制技術》為基礎教材，該教材于2011年出版，已出版10余年；同時教研組教師編寫了自編講義與教學課件。例如，在優(yōu)化現(xiàn)有除塵技術與設備裝置方面，增加了靜電旋風除塵技術、低低溫電除塵技術。大氣污染問題是一個既有顆粒物污染，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，教學內容增加了靜電增強濕式除塵器和新型的多污染協(xié)同脫除超低排放技術，實現(xiàn)細顆粒物與氣態(tài)污染物的協(xié)同脫除。將課程進展、發(fā)展方向和新理論、新觀點、新技術、新方法，及時充實到教學內容中，不僅拓展了教學內容的深度和廣度，還激發(fā)了學生的學習熱情，以及增強了其解決環(huán)境問題的社會責任感。在課程教學過程中結合行業(yè)背景，及時了解新的相關政策法規(guī)，重點介紹具有廣闊應用前景的控制技術及發(fā)展現(xiàn)狀；對前沿知識，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，也進行了相關介紹，以此激發(fā)學生的求知欲望和探索精神。二、豐富教學方法，調動學生的主觀能動性科學的教學方法可以事半功倍，教學過程除了要滿足條理清楚、層次分明、重點突出等一般課堂教學要求外，更應充分調動學生學習的積極性和主動性。“細顆粒物脫除裝置”課程行業(yè)背景強、前沿性強，涉及新原理、新方法、新技術等。在教學中需要靈活運用各種教學手段，充分調動學生的學習積極性，發(fā)揮學生的主觀能動性，激發(fā)學生在顆粒物防治領域的求知欲望和創(chuàng)新意識。在課堂教學中應避免“滿堂灌”“機灌”的單一講授法，本課程以工程案例為切入點，根據教學內容綜合運用啟發(fā)式、探究式、參與式、項目化等課堂教學方法，提高教學質量。（一）三維動畫演示+工程案例法教學中對細顆粒物脫除裝置的基本概念、基本原理采用講授教學；教學過程配合多媒體、FLASH動畫、視頻教學等工具，使工程設備更形象化，基本理論的應用更具體化。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合除塵器，視頻采用三維動畫仿真模式演示，詳細介紹了電袋復合除塵器的原理、工藝流程、構造、應用和優(yōu)點等，使學生對電袋復合除塵器的知識內容的理解更加立體化；最后再進一步對大唐350MW機組電站的電袋復合除塵器的工程應用案例進行講解，再次鞏固理論知識，同時培養(yǎng)學生解決工程問題能力。類似的，針對近年來發(fā)展較為快速，已進入工業(yè)應用的高效除塵器，如濕式電除塵器、低低溫電除塵器等，采用了類似的典型動畫演示+工程應用案例的教學方法；使學生在具體工程案例的分析中，把所學的抽象知識運用到解決具體工程問題中，加強學生對理論知識的理解和掌握；同時與實際需求緊密聯(lián)系，也更加有利于學生對相關行業(yè)的總體認知。（二）討論法學生作為教學活動主體，學生學習知識的主動性尤為重要，通過課堂教學中多設置討論環(huán)節(jié)，鼓勵學生積極參與，并啟發(fā)引導學生在討論中找到解決問題的途徑及方法，強化教師和學生之間的互動性，調動其學習的積極性，有助于提高學習效率。例如，在“燃煤煙氣超低排放技術”章節(jié)，目前國內電廠全部完成了超低排放技術改造，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，并且取得了較好的細顆粒物脫除效果。通過收集典型超低排放技術工藝系統(tǒng)，請學生根據所學知識，綜合大氣污染治理知識，考慮煙氣特點、治理效果、經濟性、設施運行管理等，比較各工藝的優(yōu)缺點、適用范圍以及改進措施等。在講授蒸汽相變與現(xiàn)有燃煤鍋爐濕法煙氣脫硫技術相結合的應用案例時，通過設置問題，如Na2CO3、CaCO3、NH3·H2O等不同脫硫劑的使用對添加蒸汽的WFGD系統(tǒng)細顆粒脫除效率是否有影響？如何影響脫除效果？引導學生思考，學生積極發(fā)言，取得了良好的教學效果。（三）項目化針對教學內容中的預團聚技術模塊，目前大部分技術仍處于實驗研究階段，還未進行工程應用，在教學過程中側重于理論知識的理解和掌握，并輔以各種教學手段，強化學生的理論知識學習。例如，在講述電凝并技術時，教研組教師正承擔電凝并技術相關課題，通過鼓勵學生參與教師課題，完成了如“噴霧促進細顆粒物交流電凝并實驗研究”“不同預荷電條件下影響PM2.5凝并效果的因素”“細顆粒物在交流電場中凝并”等課題研究，在課堂分享研究成果，并鼓勵寫成科研論文發(fā)表。例如，課程以“第七屆天津市大學生環(huán)境學科創(chuàng)新與實踐能力邀請賽”為契機，組織班級多名學生參加了以“PM2.5與O3協(xié)同治理”為主題的競賽項目，該主題與本課程內容相吻合，并且契合當前多污染協(xié)同治理的社會需求。在競賽準備過程中，學生不再紙上談兵，能以實際問題為研究對象，學生提出問題、確定目標、分析問題以及提出創(chuàng)新性解決方案；同時也培養(yǎng)了學生的獨立思考和團隊合作能力。通過參與教師科研項目和參加科研競賽等這種項目化的教學方式，此過程中學生進行主動探究式學習，完成課本理論知識到實際應用實踐的轉換，提高創(chuàng)新思維和現(xiàn)場分析、解決實際問題的能力，也提高教學效率。（四）啟發(fā)式與探究式教育的本質是“授人以魚不如授人以漁”。一個好的稱職的教師，不僅要給學生傳授知識，還要教會學生自學的方法。例如，課程中講述蒸汽相變理論時，針對目前文獻研究較多工程應用少的特點，教師對發(fā)表在國際著名期刊Fuel上的文獻研究進行學習；并安排學生課后自查文獻資料，分享一篇相關科學研究報道，要求著重闡述研究方法、研究結論、創(chuàng)新性以及該研究存在的問題或未來研究展望。加強理論知識的學習，同時引導前沿發(fā)展思考。針對湍流團聚技術，設置專題研究，在教師指導學生自學Fluent（商用CFD軟件包）的基礎上模擬煙道設置擾流元件后區(qū)域發(fā)生湍流團聚后的流場均勻性的研究。在講述聲波團聚時，分享了我國研發(fā)的先進的前瞻性技術科技成果，開發(fā)的“可調頻高聲強聲波發(fā)生裝置”“復合聲波團聚高效除塵技術”，其中以復合聲波團聚技術為核心的大型燃煤機組顆粒物高效脫除系統(tǒng)在300MW機組得到工程利用，該項技術彌補了聲波團聚領域的實踐空白。此外，也分享了聲波團聚消除火災煙霧的研究成果，學生思維被打開，認識到知識的內在聯(lián)系和交叉滲透，使學生能融會貫通；不僅提高了學生學習的興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，還激發(fā)了學生投身先進技術學習的動力。（五）參與式針對單一的預團聚技術脫除效率低、能耗高等缺點，部分科學家研究復合預團聚技術以提高細顆粒物脫除效果，鑒于本課程學時短，復合預團聚技術作為本課程的拓展內容，采用了翻轉課堂“學生講課式”教學方法，即讓學生3—4人一組，全班26人分為8組，每組進行15分鐘PPT匯報，事先擬定“聲場+蒸汽相變”“聲場+電場”“聲波+化學團聚”“聲波+湍流”“荷電+化學團聚”“荷電+湍流”“荷電+蒸汽相變”“化學團聚+湍流團聚”等8個主題，每組一題，要求學生組內合作，查閱相關資料，每組學生對其主題進行闡述，講完后教師和全班學生作為評委，對其所講內容進行提問、點評及打分。參與式教學方式不但充分調動學生的主觀能動性，使之自覺學習，而且學生能積累講臺經驗，發(fā)揮團隊合作精神。三、不斷完善評價體系傳統(tǒng)教育以閉卷或開卷考試成績來評價教學效果、衡量學生對所學知識的掌握程度。實質上，單純的期末考試成績評價體系已經不能完全反映學生的真實學習狀態(tài)，即使是取得比較理想的成績，也有可能是短暫的“死知識”。因此，高質量的教學更注重學生能力的培養(yǎng)與獲得，因此，原有的成績評價體系需要改變。本課程通過優(yōu)化考核方法，全面準確地把握學生的學習情況。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生平時在教學活動中的表現(xiàn)。在細顆粒物脫除裝置課程的教學設計中，過程考評的重點放在課堂表現(xiàn)和課外學習兩個方面，具體包括平時課堂表現(xiàn)、課程小論文、課程作業(yè)、自學部分、課堂展示與匯報、研究課題等，分別對應培養(yǎng)學生的知識學習能力、問題求解能力、創(chuàng)新思維能力和團隊協(xié)作能力。總而言之，隨著社會的發(fā)展，行業(yè)現(xiàn)狀和需求也在