基于案例教学的大气污染控制工程课程改革
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作者:盛重义 何晴 杨柳
[摘 要] 大气污染控制工程作为高等学校环境工程专业的主干课程，在培养学生大气科学素养方面起着重要作用。基于此，提出在课程教学中采用案例教学法，通过弱化书本中章节的分界，选择合适的工程案例进行教学培养学生解决复杂工程问题的能力。在案例中有机结合基础理论应用及工程系统分析，阐明解决复杂工程问题的方法与思路，实现全面提高学生的综合竞争力，为国家培养具备全面技能的环境工程专业人才的目标。
[关键词] 大气污染控制工程;案例教学;课程改革
[基金项目] 2019年度南京师范大学教育教学改革项目“《大气污染控制工程》案例教学法实践与探索——以解决复杂工程问题为培养目标”（181220004652）;2019年度国家自然科学基金项目“燃煤电厂排放CPM相变机理研究及其衍生物对大气PM2.5贡献的环境风洞模拟”（41877469）;2018年度国家自然科学基金项目“燃煤电厂烟道内及近源强处可凝结颗粒物生成特征与转化机理研究”（41771498）
[作者简介] 盛重义（1984—），男，江苏靖江人，工学博士，南京师范大学环境学院副教授，研究方向为环境催化、燃煤烟气治理以及有机废气控制技术;何 晴（1995—），女，安徽安庆人，南京师范大学环境学院2018级环境工程专业硕士研究生，研究方向为大气污染控制理论与技术;杨 柳（1969—），男，江苏泰兴人，工学博士，南京师范大学环境学院教授，研究方向为大气污染控制理论与技术。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）31-0174-03 [收稿日期] 2020-01-17
一、前言
近年来大气污染问题日益突出，严重威胁了公众健康，也成为人类面临的共同挑战。大气污染控制工程课程的授课内容一直紧密结合大气污染控制工程理论、实践和学科发展前沿，重点加强学生的大气科学素养，培养学生分析和解决与大气污染相关问题的能力。
大气污染控制工程是环境工程专业的主干课程。本课程旨在向学生重点介绍大气污染控制的基本内容和原理、主要大气污染物的控制技术和特点、典型工艺的基本计算方法和应用范围以及相关技术的国内外最新研究进展等。本课程不仅关注课堂教学，更重要的是结合课程实验和课程设计等主要教学环节，为学生毕业后从事大气污染控制工程设计、工程应用以及相关的技术管理等工作打下坚实的基础。
目前大气污染控制工程课程教学中存在的主要问题是学生缺乏独立解决复杂工程问题的能力。由于教师在课堂上主要介绍基本理论知识，忽略了这些理论知识的实际应用，难以提高学生的综合素质。此外，教学内容不能做到与时俱进，与现代环境工程专业人才的必备素养与要求有一定的差距，为此不少学者根据自己多年的教学经验，提出了很多教学改进方案。
赵芝清[1]采用以学生为中心的“对分课堂”教学模式，建立基于过程管理的考核模式;黄远东[2]等对大气污染控制工程课程的理论教学、实验教学、课程设计教学等主要方面提出很多改进看法，以期提高课程教学效果;刘忻[3]等提出将成果导向理念应用到课程教学当中去;单凤君[4]等首次提出了“课程组”的教学模式，可以优化教学资源、丰富教学形式，进一步提高教学效果;王金龙[5]等认为要在教学过程中多介绍相关的前沿知识，做到教学的与时俱进。
大气污染控制工程课程的改革势在必行。本文将案例教学法与大气污染控制工程课程相结合，相信基于实际的工程案例、课堂教学能让学生能更加直观且形象地了解不同的工艺路线、工程设计，并从中学习解决复杂工程问题的思路，从而能顺利应用到以后的实际工作中。
二、案例教学法
案例教学法[6]是一种新型的课堂教学模式。教师根据教学目标和内容要求，以教材为根本出发点，通过收集并设计相关的实际案例，让学生置于特定情景并且能更加直观且形象地了解工程实例。这种互动式的教学方法可以在教学过程中充分引导学生对实际案例进行深入分析、广泛讨论和多方面交流，并借以提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。
已有部分学者在课程改革中提出了关于案例教学的想法。如王丽平[7]等对传统的教学模式进行改革，提出案例式研讨教学研究，包括建立案例库、课堂案例式研讨教学和评价体系;邹美玲[8]等采用情境、案例等要素，外加互动、讨论等一系列课堂活动进行课程改革;李娜[9]等提出对课程进行诸如实践教学、案例教学、互动式教学等一系列改革，并尝试评估和优化教学结果。
案例教学法虽有应用，但这种教学方法仍不是大学本科课堂教学的主流方法。换言之，现在的案例教学法还停留在口头，并未落到实处[10]。本文将案例教学应用在大气污染控制工程课程中，就是要打破教材中原有章节的界限，通过筛选、讲授典型的实际工程案例，达到在案例讲解中实现知识融会贯通的效果。
三、案例教学改革方案
本文以南京师范大学环境工程专业课程安排为例，对案例教学改革方案进行设计。
（一）案例素材搜索及设计
围绕实际工程应用，搜索并设计有较高使用价值的经典工程案例，包含复杂工程问题，如废气收集、废气输送、废气体积随温度在系统内的变化、核心治理设备的工艺设计、设备选型、系统控制、投资及运行成本分析等。
例如，烟气脱硫部分在《大气污染控制工程（第三版）》[11]教材中占据了较大的比重，可以将烟气脱硫作为一个单独的版块并展开介绍。
（二）案例教学法试行并筛选调整
结合课程重点章节内容，以“石灰石-石膏法湿法脱硫工艺”为例进行实践，检验新教学方法的效果。在讲授案例时，穿插介绍相关的理论知识。这样不仅可以将知识贯通起来，也可以避免課堂上的枯燥，让学生更有兴趣接受，并做到融会贯通。 烟气脱硫是烟气净化与控制的重要部分。在授课开始时从背景出发，介绍烟气的危害与主要组成部分，并着重讲解烟气中二氧化硫的由来及产生过程，引出烟气脱硫的必须之处。
下面以经典案例“石灰石-石膏法湿法脱硫工艺”为例进行介绍。这里选取了安装在某发电企业的5号机组（200MW）的脱硫装置，根据资料，其基本参数为：烟气量为97.5×104 Nm3/h，年运行时间为5000 h，脱硫效率高于80%。
此处应用的“石灰石-石膏法湿法脱硫工艺”采用石灰石（主要成分为CaCO3）作脱硫剂，在脱硫塔内将石灰石制成浆液与烟气充分接触并混合。在这过程中，烟气中的SO2与浆液中的Ca2+以及鼓入的空气进行化学反应，最终生成脱硫副产品石膏（主要成分为CaSO4·2H2O），从而达到除去SO2的目的[12]。为了让课程更加生动有趣，可以在PPT上以动态流程图作为演示。接着从这个脱硫工艺的几个主要组成部分展开介绍。
在这个工艺流程中，涉及了烟气换热系统、脱硫吸收系统、石灰石浆液制备系统与石膏处理系统等四个主要组成部分。
第一，烟气换热系统。5号机组燃煤烟气经电除尘器、引风机、入口挡板门进入脱硫增压风机，然后进入脱硫系统。经脱硫风机升压后的烟气在烟气换热器（GGH）的吸热侧降温至约100℃进入吸收塔。经洗涤脱硫后烟气温度约为45℃，在GGH的放热侧被加热至约80℃，通过出口挡板门进入烟囱，最终经烟囱排放到大气环境中。
第二，脱硫吸收系统。脱硫吸收系统是烟气脱硫系统的核心部分，在吸收塔内，烟气中的SO2被石灰石浆液洗涤并与浆液中的CaCO3发生反应。在吸收塔底部的循环浆池内被氧化风机鼓入的空气强制氧化，最终生成石膏晶体，由石膏浆泵排送至石膏处理系统。经吸收塔处理后的烟气还会携带大量浆体液滴，液滴中不仅含有水分，还溶有硫酸、硫酸盐、碳酸盐等，如果不除去这些液滴，这些浆体液滴会沉积在吸收塔下游侧设备的表面形成石膏垢，长此以往会加速设备的腐蚀。因此在吸收塔的出口一般会设有除雾器，以除去烟气带出的细小液滴，并保证烟气中液滴含量低于75mg/Nm3。
第三，石灰石浆液制备系统。经石灰石—制粉—制浆—管道输送等步骤将石灰石浆液运至脱硫岛内的浆池中。制备石灰石浆液需要调控好水料比，一般要求石灰石的质量分数在30%左右。根据设计条件，5号机组的脱硫设置中钙硫比为1.05，石灰石用量为4.27t/h。
第四，石膏处理系统。从脱硫吸收塔底部排出的石膏浆液含固量为15%～20%。考虑到固废的运输、贮存和综合利用，还需要对其进行脱水处理。石膏浆液经水力旋流器浓缩至含固量40%后送入真空皮带脱水机，经脱水处理后的石膏含水率不超过10%，然后送入石膏仓库。
开展每个部分的讲解时，除了介绍主要设备的特点、用途以及其中涉及的重要化学机理反应之外，还可拓展到一些烟气常见的净化流程。例如可以介绍电除尘、烟气脱硝等重要技术，为下次课程做好铺垫。
（三）形成完整的案例教学体系
在形成较为成熟的教学方法后，扩展到除尘、脱硝、有机废气治理等其他章节。在教材内容的基础上，引入现在最新的工程案例，让学生在课堂上也能学习到目前主流的工程设计、废气处理等经典案例，逐渐形成一个完整的案例教学系统，从简单到复杂，从落后到先进，通过这样的演示让学生充分学习到大气污染与治理的困难与技术进步。
四、结论
目前大气污染控制工程课程在高校开设面临的主要问题是内容多、课时少，学生很难在有限的教学时间内学到扎实的理论与实际工程知识。而案例教学的优势在于针对性、应用性较强，可以有效地抓取重点内容。将案例教学法与大气污染控制工程课程改革进行有机结合，通过一个个具体的工程案例将教材知识与实际联系起来，有利于学生学习观念的转变、实践理念的增强以及大气专业人才的培养。
参考文献
[1]赵芝清.基于应用型人才培养理念的大气污染控制工程课程改革探索[J].广东化工，2018（6）.
[2]黄远东，张晓东，王冠.大气污染控制工程课程体系建设与教学改革探究[J].教育教学论坛，2018（5）.
[3]刘忻，袁怡，钱飞跃，马三剑，潘杨.成果导向下大气污染控制工程教学改革探索[J].大学教育，2019（3）.
[4]单凤君，贾兰，于常武.应用型本科院校大气污染控制工程课程教学方法探索[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2019（2）.
[5]王金龙，苗蕾.前沿研究加入大气污染控制工程本科教学的启示[J].广东化工，2019（5）.
[6]刘红梅.任务驱动式案例教学法的构建与应用[J].江苏高教，2016（4）.
[7]王丽平，杨珊，罗琨，雷敏，裴习君.大气污染控制工程案例式研讨教学探讨[J].山东化工，2019（11）.
[8]邹美玲，李甲亮，苏秀茹.情境与案例相结合的大气污染控制工程研究[J].广州化工，2018（1）.
[9]李娜，史敏，焦坤灵，张连科，张凯.浅谈环境工程专业大气污染控制工程课程的教学改革与优化[J].教育教学论坛，2017（19）.
[10]郭崇.论本科法学教育中案例教学法之完善[D].长春：吉林大学，2013.
[11]郝吉明，马广大，王书肖.大气污染控制工程[M].（第三版）.北京：高等教育出版社，2010：342-370.
[12]曾庭华，廖永进.连州电厂石灰石/石膏湿法烟氣脱硫工艺流程分析[J].电力环境保护，2001（2）.
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