细颗粒物脱除装置课程教学内容及教学方法探讨

河北工业大学能源与环境工程学院 王夫美 沈伯雄 张 笑 胡振中 张芝昆 许连飞

细颗粒物是指悬浮于空气中空气动力学当量直径≤2.5nm的颗粒，是引起雾霾天气的重要因素，由于细颗粒物具有较大表面积，易吸附大气环境中有毒有害物质，并且无法被呼吸系统有效拦截下来而进入人体，危害人体健康。大气细颗粒物主要来自燃煤、机动车燃料等燃烧源的直接排放，也包括来自其前体物（如二氧化硫、氮氧化物、挥发性有机物等）的二次转化粒子。目前已有除尘技术对大粒径颗粒物可以实现高效脱除，但对细颗粒物脱除效率较低。随着当前环保要求的日益严格，细颗粒物排放控制受到了越来越多的关注，其控制的研究是当前环境领域的研究热点。

“细颗粒物脱除装置”课程是河北工业大学为环保设备工程专业本科生新开设的一门专业限定选修课。通过该课程学习，旨在使学生对细颗粒物的控制技术原理、工艺系统、设备和发展具有明确认知，结合实际应用现状，加强学生的独立思考和解决问题能力，培养学生在工程设计和科学研究中的创新能力；为从事本专业相关工作奠定良好的基础。该课程设置学时短、内容新、前沿性强。如何在教学中激发学生的兴趣；如何学好这门课程；怎样使学生有效地消化接收到的大量知识信息；怎样使学生切实掌握所学知识点甚至应用所学知识点，这是教学过程中需要关注的重要问题。为此，笔者针对细颗粒物脱除装置课程的教学内容、教学方法和教学评价体系进行探讨，以期提高本课程教学质量。

一、不断更新和完善课程内容

该课程针对细颗粒物的脱除技术与脱除装置，重点围绕改进现有除尘技术和增大细颗粒物粒径技术两个方面进行教学；系统介绍了电袋复合除尘、湿式静电除尘、低低温电除尘与协同脱除超低排放技术等改进的高效除尘技术与装置；以及新型化学团聚、电凝并、蒸汽相变、声波团聚、磁团聚与磁分离、热泳沉积、湍流团聚与光团聚等预团聚技术及装置。该课程的基本教学要求是了解细颗粒物来源、形成机制、污染特征，以及细颗粒物控制技术当前存在的问题和发展趋势，掌握细颗粒物的形成机制，掌握细颗粒物控制技术原理与工艺，熟悉典型的细颗粒物脱除的除尘器，掌握各类细颗粒物预团聚原理，了解细颗粒物预团聚技术工艺系统。

从目前除尘技术现状来看，已有除尘技术、除尘设备对大粒径颗粒物可以实现高效脱除，且技术成熟、工业应用广泛；然而，针对细颗粒物脱除，现有的除尘技术不仅脱除效率较低，还没有成熟的脱除技术。另外，环境污染防治技术是不断发展的科学技术课程，新概念、新理论、新技术和新工艺不断涌现，为了让学生真正掌握所学的知识，满足实际应用需求，因此必须不断补充、丰富和更新教学内容与教学资料，才能确保细颗粒物防治技术的时效性。本课程选用东南大学杨林军教授编写的《燃烧源细颗粒物污染控制技术》为基础教材，该教材于2011年出版，已出版10余年；同时教研组教师编写了自编讲义与教学课件。例如，在优化现有除尘技术与设备装置方面，增加了静电旋风除尘技术、低低温电除尘技术。大气污染问题是一个既有颗粒物污染，又有气态污染物污染，还涉及污染排放的综合性问题，因此，教学内容增加了静电增强湿式除尘器和新型的多污染协同脱除超低排放技术，实现细颗粒物与气态污染物的协同脱除。

将课程进展、发展方向和新理论、新观点、新技术、新方法，及时充实到教学内容中，不仅拓展了教学内容的深度和广度，还激发了学生的学习热情，以及增强了其解决环境问题的社会责任感。在课程教学过程中结合行业背景，及时了解新的相关政策法规，重点介绍具有广阔应用前景的控制技术及发展现状；对前沿知识，有可能存在不系统和不成熟，甚至有一些片面和缺陷等问题，也进行了相关介绍，以此激发学生的求知欲望和探索精神。

二、丰富教学方法，调动学生的主观能动性

科学的教学方法可以事半功倍，教学过程除了要满足条理清楚、层次分明、重点突出等一般课堂教学要求外，更应充分调动学生学习的积极性和主动性。“细颗粒物脱除装置”课程行业背景强、前沿性强，涉及新原理、新方法、新技术等。在教学中需要灵活运用各种教学手段，充分调动学生的学习积极性，发挥学生的主观能动性，激发学生在颗粒物防治领域的求知欲望和创新意识。在课堂教学中应避免“满堂灌”“机灌”的单一讲授法，本课程以工程案例为切入点，根据教学内容综合运用启发式、探究式、参与式、项目化等课堂教学方法，提高教学质量。

（一）三维动画演示+工程案例法

教学中对细颗粒物脱除装置的基本概念、基本原理采用讲授教学；教学过程配合多媒体、FLASH 动画、视频教学等工具，使工程设备更形象化，基本理论的应用更具体化。例如，利用视频展示了福建龙净环保股份有限公司的电袋复合除尘器，视频采用三维动画仿真模式演示，详细介绍了电袋复合除尘器的原理、工艺流程、构造、应用和优点等，使学生对电袋复合除尘器的知识内容的理解更加立体化；最后再进一步对大唐350MW 机组电站的电袋复合除尘器的工程应用案例进行讲解，再次巩固理论知识，同时培养学生解决工程问题能力。类似的，针对近年来发展较为快速，已进入工业应用的高效除尘器，如湿式电除尘器、低低温电除尘器等，采用了类似的典型动画演示+工程应用案例的教学方法；使学生在具体工程案例的分析中，把所学的抽象知识运用到解决具体工程问题中，加强学生对理论知识的理解和掌握；同时与实际需求紧密联系，也更加有利于学生对相关行业的总体认知。

（二）讨论法

学生作为教学活动主体，学生学习知识的主动性尤为重要，通过课堂教学中多设置讨论环节，鼓励学生积极参与，并启发引导学生在讨论中找到解决问题的途径及方法，强化教师和学生之间的互动性，调动其学习的积极性，有助于提高学习效率。例如，在“燃煤烟气超低排放技术”章节，目前国内电厂全部完成了超低排放技术改造，安装了以湿式静电除尘器、低低温电除尘等工艺系统为核心的技术，并且取得了较好的细颗粒物脱除效果。通过收集典型超低排放技术工艺系统，请学生根据所学知识，综合大气污染治理知识，考虑烟气特点、治理效果、经济性、设施运行管理等，比较各工艺的优缺点、适用范围以及改进措施等。在讲授蒸汽相变与现有燃煤锅炉湿法烟气脱硫技术相结合的应用案例时，通过设置问题，如Na2CO3、CaCO3、NH3·H2O等不同脱硫剂的使用对添加蒸汽的WFGD系统细颗粒脱除效率是否有影响？如何影响脱除效果？引导学生思考，学生积极发言，取得了良好的教学效果。

（三）项目化

针对教学内容中的预团聚技术模块，目前大部分技术仍处于实验研究阶段，还未进行工程应用，在教学过程中侧重于理论知识的理解和掌握，并辅以各种教学手段，强化学生的理论知识学习。例如，在讲述电凝并技术时，教研组教师正承担电凝并技术相关课题，通过鼓励学生参与教师课题，完成了如“喷雾促进细颗粒物交流电凝并实验研究”“不同预荷电条件下影响PM2.5凝并效果的因素”“细颗粒物在交流电场中凝并”等课题研究，在课堂分享研究成果，并鼓励写成科研论文发表。例如，课程以“第七届天津市大学生环境学科创新与实践能力邀请赛”为契机，组织班级多名学生参加了以“PM2.5与O3协同治理”为主题的竞赛项目，该主题与本课程内容相吻合，并且契合当前多污染协同治理的社会需求。在竞赛准备过程中，学生不再纸上谈兵，能以实际问题为研究对象，学生提出问题、确定目标、分析问题以及提出创新性解决方案；同时也培养了学生的独立思考和团队合作能力。通过参与教师科研项目和参加科研竞赛等这种项目化的教学方式，此过程中学生进行主动探究式学习，完成课本理论知识到实际应用实践的转换，提高创新思维和现场分析、解决实际问题的能力，也提高教学效率。

（四）启发式与探究式

教育的本质是“授人以鱼不如授人以渔”。一个好的称职的教师，不仅要给学生传授知识，还要教会学生自学的方法。例如，课程中讲述蒸汽相变理论时，针对目前文献研究较多工程应用少的特点，教师对发表在国际著名期刊Fuel上的文献研究进行学习；并安排学生课后自查文献资料，分享一篇相关科学研究报道，要求着重阐述研究方法、研究结论、创新性以及该研究存在的问题或未来研究展望。加强理论知识的学习，同时引导前沿发展思考。针对湍流团聚技术，设置专题研究，在教师指导学生自学Fluent（商用CFD软件包）的基础上模拟烟道设置扰流元件后区域发生湍流团聚后的流场均匀性的研究。在讲述声波团聚时，分享了我国研发的先进的前瞻性技术科技成果，开发的“可调频高声强声波发生装置”“复合声波团聚高效除尘技术”，其中以复合声波团聚技术为核心的大型燃煤机组颗粒物高效脱除系统在300MW 机组得到工程利用，该项技术弥补了声波团聚领域的实践空白。此外，也分享了声波团聚消除火灾烟雾的研究成果，学生思维被打开，认识到知识的内在联系和交叉渗透，使学生能融会贯通；不仅提高了学生学习的兴趣，培养学生的创新思维，还激发了学生投身先进技术学习的动力。

（五）参与式

针对单一的预团聚技术脱除效率低、能耗高等缺点，部分科学家研究复合预团聚技术以提高细颗粒物脱除效果，鉴于本课程学时短，复合预团聚技术作为本课程的拓展内容，采用了翻转课堂“学生讲课式”教学方法，即让学生3—4人一组，全班26人分为8组，每组进行15分钟PPT汇报，事先拟定“声场+蒸汽相变”“声场+电场”“声波+化学团聚”“声波+湍流”“荷电+化学团聚”“荷电+湍流”“荷电+蒸汽相变”“化学团聚+湍流团聚”等8个主题，每组一题，要求学生组内合作，查阅相关资料，每组学生对其主题进行阐述，讲完后教师和全班学生作为评委，对其所讲内容进行提问、点评及打分。参与式教学方式不但充分调动学生的主观能动性，使之自觉学习，而且学生能积累讲台经验，发挥团队合作精神。

三、不断完善评价体系

传统教育以闭卷或开卷考试成绩来评价教学效果、衡量学生对所学知识的掌握程度。实质上，单纯的期末考试成绩评价体系已经不能完全反映学生的真实学习状态，即使是取得比较理想的成绩，也有可能是短暂的“死知识”。因此，高质量的教学更注重学生能力的培养与获得，因此，原有的成绩评价体系需要改变。

本课程通过优化考核方法，全面准确地把握学生的学习情况。具体采取全方位、多层次的课程考核方式，包括过程考核60%和终期考核40%。高比例的过程考核意味着更注重学生平时在教学活动中的表现。在细颗粒物脱除装置课程的教学设计中，过程考评的重点放在课堂表现和课外学习两个方面，具体包括平时课堂表现、课程小论文、课程作业、自学部分、课堂展示与汇报、研究课题等，分别对应培养学生的知识学习能力、问题求解能力、创新思维能力和团队协作能力。

总而言之，随着社会的发展，行业现状和需求也在发生变化，为更好地为社会培养行业专业人才，需要更好地完成本科教学环节。做到相关课程教学内容与教学手段的与时俱进，不断优化课程的广度和深度，着眼于国内外的先进理论和技术，不断关注国家新环保政策，掌握国内外的学术动态和技术应用现状。本次细颗粒物脱除课程，通过多种行之有效的教学方法和途径有效地组织教学活动，在河北工业大学能源与环境工程学院2019级和2020级环保设备工程专业本科生中完成了两轮教学实施后，引起了学生极大的学习兴趣，取得了良好的教学效果。