| 标题 | 大气污染控制工程课程体系建设与资源共享 |
| 范文 | 王书肖 摘 要：为了培养高素质的复合型、创新性人才，清华大学持续推进大气污染控制工程的课程体系建设和精品教学资源共享。我们提出了大气污染控制工程理论、大气污染控制工程实验和大气污染控制工程设计“三位一体”的课程体系，从立体化教材体系建设、实验教学体系建设、课程资源共建共享三个方面介绍了大气污染控制工程课程的建设经验，并提出了进一步完善实践教学和创新教学理念的建议。 关键词：大气污染控制工程；课程体系；立体化教材；实验教学；在线课程 我国大气污染物排放总量巨大，以PM2.5和O3為特征的大气污染问题日益突出，大范围重污染天气频发，导致严重的健康风险。大气复合污染防治成为当前国家的重大需求和国际的关注热点。因此，培养大气污染控制专业复合型、创新性人才成为当前高校环境专业人才培养的重要任务之一。 “大气污染控制工程”是高等院校环境工程专业的核心课程，也是环境工程专业本科阶段讲授大气污染控制的唯一课程，是环境工程知识体系的重要组成部分。该课程主要讲授大气污染控制的基本理论、各种控制方法的过程分析及典型控制设备的工艺设计计算，旨在培养学生分析和解决大气环境问题的能力，为学生进行大气污染控制工程设计、科研及技术管理打下坚实的基础。 清华大学“大气污染控制工程”课程于1986年开设。多年来，该课程以研究型教学理念为指导，将理论与实践有机融合，重视培养学生的基本技能、提高学生的理论水平和激发学生的创新能力，并与世界一流大学的教学水平相接轨。在课程建设过程中，教学团队跟踪国际上在大气污染控制工程、大气科学、化学工程等相关领域取得的新进展，不断完善课程内容，形成了大气污染控制工程理论、大气污染控制工程实验和大气污染控制工程设计“三位一体”的课程体系（见图1），力求知识体系完善、教学内容前沿、教学手段多样、教学方法创新。2000年，该课程成为清华大学建设的首批精品课程之一；2004年，该课程被评为全国首门“大气污染控制工程”国家精品课程；2013年，该课程入选国家级精品资源共享课；2015年，清华大学“大气污染控制工程”MOOC课程正式上线。本文介绍“大气污染控制工程”课程在立体化教材体系建设、实验教学体系建设和课程资源共建共享方面的探索，以期提升环境工程专业创新人才培养的质量。 一、服务于教与学的立体化教材体系建设 1.编写高水平教材，不断更新和完善课程内容 高水平教材建设是“大气污染控制工程”课程建设的重要任务。一流的精品课程必须配套一流的教材。 在原国家教委环境工程类专业教材委员会的指导下，1985年郝吉明院士起草了“大气污染控制工程”课程的教学基本要求。随后原国家教委环境工程类专业教材委员会委托郝吉明与马广大主编《大气污染控制工程》教材（供80学时用），并由高等教育出版社于1989年出版。该教材受到普遍好评，1992年获国家教委优秀教材一等奖，并被评为国家级优秀教材。 20世纪90年代末，人们对大气污染的关注已由局地的或区域的污染扩展至全球气候变 化；关注的污染物也不仅只是常规的一次污染物，人们越来越关注二次污染物和一些微量的有毒有害物质对环境和人体健康的影响；大气污染控制技术也由末端控制为主发展为以清洁生产为中心的全过程控制。随着社会和经济的发展，我国大气污染控制的重点逐渐由控制燃煤污染扩展至燃煤和机动车污染控制并重。为满足21世纪教学的需要，充分体现学科的发展和进步，我们对第一版教材作了较大的修改和补充，2002年，《大气污染控制工程》（第二版）作为面向21世纪课程教材出版。该次修订也对教材的体例进行了新的尝试，在简要讨论气态污染物控制技术基础后，以控制主要污染物和主要控制对象为主线展开。2005年，《大气污染控制工程》（第二版）被评为北京高等教育精品教材。 2010年，完成《大气污染控制工程》（第三版）的修订再版。《大气污染控制工程》（第三版）以解决大气复合污染的多维环境问题为核心，以多污染物协同控制和全过程大气污染控制理念为指导（见图2），内容上覆盖了大气污染物的来源、形成过程、传输扩散、控制技术、对气候的影响，体系上形成基础理论、基本原理、颗粒污染物控制和气态污染物控制等几大模块，结构上以主要污染物和污染源控制为主线组织章节。该教材内容新颖、结构合理、适用性强，在国内使用广泛。2011年，《大气污染控制工程》（第三版）被评为国家普通高等教育精品教材、北京高等教育精品教材，2012年该教材获得清华大学优秀教材特等奖。 近年来，大气污染控制技术不断进步，大气污染控制的法规和理论也在不断发展。为紧密配合教育部“十三五”规划教材、“数字化工程”的实施，深化教学改革，2018年我们根据学科发展现状和教学要求再次更新教材内容。本次修订依据我国《大气污染防治法》、各项大气污染物排放标准和《环境空气质量标准》全面更新相关内容；根据学科发展情况，补充了空气质量模型的最新研究进展，修订第四章大气扩散浓度估算模式，增加了颗粒物采样方法和理化特征；基于大气污染防治技术的进步，补充了重点行业超低排放技术进展，强调源头减排和全过程控制，对挥发性有机物排放控制和机动车污染控制做了全面更新；针对全球性环境问题，增加了大气汞污染控制的内容（见图3）。 2.建设立体化教材体系，多方位保障教育教学质量 为使读者更好地理解课程的基本概念和基本理论，攻克课程的重点与难点，完整地掌握大气污染控制工程的系统知识，学会应用大气污染控制的基本原理分析和解决实际问题，配套出版了《大气污染控制工程例题与习题集》，其中每章均包括四部分。第一部分是内容提要，简要介绍该章的主要内容、应掌握的基本概念和基本理论，以及有关的重要计算公式；第二部分为例题，配合各章的教学基本要求，为加深对基本概念和理论的理解，说明基本理论与方法的应用，编写了一些有代表性的例题；第三部分是思考题，除了与教材中的基本概念结合的题目，也包括一些综合性题目，以便于读者独立思考总结，自我检查所学知识的掌握情况；第四部分为习题，可为读者提供自学的内 容，使读者加深对基本知识的掌握和巩固，提高分析和解决问题的能力。 为便于读者自学，配套出版了具有互动性的多媒体教材，即《大气污染控制工程多媒体自学课件》。为了让学生更容易掌握学科的基础概念及实用知识，课程内容配合了多媒体，如录像、互动动画以及仿真小程序等，务求以生动、清晰的方式将复杂的事物简明化、将抽象概念形象化，使知识变得易学易明。课程里面的各个知识点都包含了例题、思考题和自测题，并给出了题目的提示、答案、题解及讨论，目的在于引导学生自己解答问题，从而加深对新概念的了解，同时锻炼解决实际问题的能力。 经过多年努力，本课程已经形成以国家规划教材《大气污染控制工程》为核心教材，配套《大气污染控制工程电子课件》《大气污染控制工程例题与习题集》《大气污染控制工程实验》和《大气污染控制工程多媒体自学课件》，形成了和谐的立体化教材体系。这套教材采用多种表达形式配合的方式，覆盖课程授课前、中、后各个过程及实验和课程设计阶段，力求为从事大气污染控制工程教学工作的教师提供完整的参考，帮助学生更深入地学习这门课程，同时也为自学者提供了非常完备的条件。 目前，随着高等教育大众化和互联网的发展，教育教学已经从课堂延伸到课下、从学校延伸到社会。在此背景下，教学团队启动了《大气污染控制工程》互动式数字化教材建设，以促进学生自主学习和个性化学习为目标，通过二维码将《大气污染控制工程》纸质教材与MOOC教学平台和多媒体自学课件链接，打破纸质教材的局限性，通过网络和信息技术实现知识的无限拓展，利用视频、作业、试卷、论坛、微信等数字资源，将教材、课堂、教学资源融合在一起，实现教育者、学习者等多主体与学习内容的多维度、多层次互动，满足新型人才培养模式的需求。 二、依托于科研实践的实验教学体系建设 大气污染控制工程实验是培养学生动手能力和工程概念的重要环节。通过实验和实践教学，可以加强学生对理论知识的理解和掌握，最终使之学以致用，将所学知识应用于实践。大气污染控制工程实验应紧跟当前大气污染防治的形势，顺应社会对大气污染控制技术人才的需求，激发学生的创新意识，培养学生的实践动手能力。我们结合近十年来清华大学在大气污染控制方面的科研成果积累，从实验内容、实验设备、教学方法等方面着手，建设了先进的实验教学硬件设施，形成了课程必选实验与研究型自主实验相结合的实验教学平台，满足培养自主创新能力的要求。 1.增加实验内容，优化实验课程体系 结合我国大气污染的现状以及控制技术的最新进展，对实验课程体系进行了不断充实与完善。为了充分发挥实验教学的作用，教学团队自主研发了多套实验设备，实现了课堂教学、实验教学和科研实践的有机结合。 煤炭是我国最主要的能源，煤炭燃燒产生大量的二氧化硫、氮氧化物、颗粒物和汞等污染物，是我国大气污染的最主要来源之一。针对燃煤大气污染物排放，我们建立了一维管式沉降炉，用于模拟煤炭燃烧过程，并配备了烟气分析仪、烟气汞在线监测设备等，供学生探究不同煤种燃烧大气污染物排放特征的差异、分析影响燃煤大气污染物排放的关键因素。 机动车尾气排放是中国城市大气污染的另一主要来源。随着城市机动车排放量的快速增加，中国大气污染类型也由过去的煤烟型为主转为煤烟-机动车复合型污染。结合清华大学近年来在机动车车载排放监测方面的研究成果，我们设计了机动车尾气排放特征检测这一实验项目，采用真实车辆进行测试。同时，与“氮氧化物的催化转化实验”有效结合，使学生不但了解机动车尾气的排放特征，更能掌握尾气的净化控制技术，从而极大提高了学生参与实验的积极性与科研兴趣。 研究表明，工业烟尘排放占我国大气颗粒物排放的一半左右。过去工业烟尘的净化治理主要以机械除尘器和电除尘器为主，但随着大气污染物排放标准的不断提高，电袋复合除尘技术在工业领域的应用日益广泛。为了让学生掌握最新的除尘技术，我们在实验课中增加了“电袋除尘器实验”这一项目，将科研成果转化为实验教学，很受学生欢迎。 目前，大气污染控制工程实验课已经增设了电袋除尘器、机动车尾气排放监测、氮氧化物的催化转化、干法脱硫等项目，形成了涵盖移动源与固定源、气态污染物与颗粒污染物、排放特征监测与控制技术的完整实验体系。 2.结合学科前沿，提升学生创新能力 为满足同学的研究兴趣，充分调动同学的学习积极性，对实验教学进行了改革。除必修实验外，还因人施教，结合学科前沿，建立综合型、研究型高水平选修实验。 针对大气颗粒物的理化特征，开设了纳米、亚微米和微米级标准颗粒物发生实验、大气细颗粒物的采样与化学组分分析、大气颗粒物粒径分布实时在线监测、大气颗粒物有机组分实时在线监测、雾霾重污染的实时在线观测与成因分析等选修实验项目。 针对大气污染的重要来源，开设了燃烧源大气污染物排放特征测试、机动车排放的颗粒物数浓度和质量浓度测试、交通排放及大气环境VOCs组分及浓度比较、道路交通环境空气质量观测和人群暴露分析等选修实验。 在教学实验中还鼓励学生自主设计实验，以更好地培养学生的创新性。上述改革取得很好的教学效果，已有多名同学基于自主设计实验发表SCI收录论文。 三、课程资源共建共享 通过精品课程资源的共建共享，丰富和优化课程资源，促进课程资源的应用，是推动精品课程建设可持续发展的有效方式。 1.建设大气污染控制工程教学资源库 2010年，由高等教育出版社发起，清华大学、四川大学、华北电力大学、北京工业大学、西安建筑科技大学 、同济大学等20余所高校参加，建设了“大气污染控制工程”教学资源库。“大气污染控制工程”教学资源库主要包括理论教学资源子库、课程设计资源子库、课程实验资源子库、课程实习资源子库和任课教师信息子库等部分。其中理论教学资源子库包括课程教学基本内容和教学大纲、知识点、教案、电子教案、例题与习题、考试题、参考资料等。各个子库的资源有文本、图表、动画、录像等多种形式，可为高等学校“大气污染控制工程”的教学提供参考和帮助。 2.建设国家精品资源共享课 2013年，清华大学“大气污染控制工程”入选教育部第一批“国家精品资源共享课”，并通过“爱课程”网免费向社会开放。在课程教学中，我们将线上优质课程资源作为课堂教学的重要补充。同时，为更好地满足广大高校师生和社会学习者的学习需求，课程团队积极建设拓展资源，扎实推进信息化教学改革工作，为广大师生提供丰富、稳定的课程学习服务。 3.建设“大气污染控制工程”MOOC课程 为了响应移动互联网时代的学习者需求，2015年清华大学建设了全国首门“大气污染控制工程”MOOC课程。针对MOOC课程上课人数多、课时长度短、学生自主学习等特点，按照“碎片化的资源+整体化的设计”理念进行课程建设。按照大气污染物的排放、污染物在大气中的扩散、大气污染源控制理论与技术、全球性大气环境问题梳理出92个知识点，每个知识点授课时间控制在6～15分钟，新增更多动画和仿真案例，并结合大气污染控制学科的最新进展设置了3个访谈，课程视频总长843分钟，分别开设自主模式和随堂模式，为学习者提供高质量的课程内容和个性化的课程服务，从而达到助教助学的目的。 四、结语与展望 1.进一步完善实践教学环节 大气污染控制工程是国内各高校环境工程专业的主干课程之一，其教学效果直接关系到环境工程专业学生的理论知识水平和工程技能。该课程是一门应用性课程，因此该课程的教学不能局限于理论教学，还需要与实践教学相配合，培养学生运用所学知识解决实际问题的能力。清华大学“大气污染控制工程”已经建立了“理论教学-综合实验-研究型项目训练”的完整教学链。在项目训练部分，引入了大气污染控制領域的热点问题，由学生自选题目开展研究项目，既为学生提供了创新环境，又提高了学生对基础知识的综合运用能力。同时，通过课程设计与毕业设计等实践环节，使学生在解决实际问题过程中加深对理论知识的认识和理解，培养工程实践能力，实现理论与实践相结合。 2.进一步加强精品教学资源共享 近年来，国内大气污染防治学科快速发展，清华大学具有优质的学科资源和科研资源，今后应进一步加大力度，把优质学科资源和科研资源转化为优质教学资源，教学与科研工作的结合，以科研促教学。同时，教育技术条件的重大变化，也让我们必须考虑传统教育如何满足受教育者多样性的学习需求。精品资源共享课或者MOOC课程的建设是一项长期、涉及面非常广的系统工程，如何做好精品课程的不断完善和更新，更好地为师生和社会学习者服务，还需要我们在今后的课程教学实践中不断地进行探索、实践和总结。 3.进一步创新教学理念和模式 传统的线下课程有利于知识的系统传授，师生在课堂上可以面对面互动，但往往受限于授课时间和空间，大班授课难以实现因材施教。而MOOC课程实现了课程资源共享和教学资源开放，解决教什么和学什么的问题，使学生可以随时随地学习，但MOOC课程存在学生学习行为难以监督、学习效果不尽如人意等问题。因此，近年来各高校开始探索线上MOOC在线视频与线下面授、讨论和实验环节相结合的混合式教学模式，同时也引发了传统课堂的教学理念和教学模式改革。“大气污染控制工程”的教学也应顺应时代要求，一方面教师改变“教”的方式，利用MOOC在线视频，通过小班授课实现问题式、体验式、讨论式教学；另一方面，学生也需要改变“学”的方式，要求学生课外学习时间远远大于课堂学习时间。而这两方面的变革也要求改变“考”的方式。总之，在“互联网+”时代如何进一步创新教学理念和模式，不断改进教学方法，拓展环境工程人才培养的宽度和深度，是“大气污染控制工程”课程教学过程中需要不断探索的重要问题。 [责任编辑：余大品] |
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