《物理性污染控制》工程設(shè)計實踐教學(xué)體系的建立及思考

李厚芬 端 允 溫月麗 閆少輝 陳 曦

太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 晉中 030600

工程教育專業(yè)認證是實現(xiàn)工程教育和工程師資格國際互認的重要基礎(chǔ)。開展工程教育認證工作有利于推進我國工程教育與企業(yè)需求的接軌，提高工程教育人才對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)能力。太原理工大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)于2018年申報了工程教育專業(yè)認證，根據(jù)認證專家的建議，《物理性污染控制》由原來的專業(yè)必修課調(diào)整為專業(yè)核心課，且增設(shè)課程設(shè)計和相關(guān)方向的畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。以上的課程體系的調(diào)整對太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)的發(fā)展意義重大，有助于太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)在原有水污染控制、大氣污染控制和固廢污染控制的學(xué)科基礎(chǔ)上，開辟第四個基于工程實踐能力培養(yǎng)的學(xué)科方向——物理性污染控制，為畢業(yè)生進入相關(guān)行業(yè)從業(yè)提供教育保證。

同時，這是一項挑戰(zhàn)與機會并存的實踐類教學(xué)體系改革，對于《物理性污染控制》教學(xué)團隊來說責(zé)任重大。尤其是在目前的國內(nèi)形勢下，《物理性污染控制》課程的改革在全國來說較為普遍，但絕大多數(shù)都是基于課堂形式的革新，例如教學(xué)模式改革［1］、教學(xué)內(nèi)容與方法改革［2］、案例教學(xué)改革［3］、課堂考核的多元化改革［4］以及少數(shù)針對課程實驗的改革研究［5］。然而，有關(guān)《物理性污染控制》工程設(shè)計環(huán)節(jié)的建立或改革工作鮮有報道，僅在近期才出現(xiàn)了第一篇針對課程設(shè)計的研究論文［6］，而任務(wù)較重的畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)的教學(xué)研究則尚未見諸報道。

一、《物理性污染控制》課程的內(nèi)容與特點

《物理性污染控制》課程主要包括噪聲、振動、電磁輻射、放射性污染、熱和光的污染及控制六方面的內(nèi)容［7］。課程目標是通過課程講授，使學(xué)生了解環(huán)境物理性污染的內(nèi)容和特點，并培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)理論知識降低物理性污染的能力。然而，學(xué)生對該課程所學(xué)理論知識的應(yīng)用能力相對較弱，主要原因為以下兩點：

（1）該課程涉及大量的物理理論及公式，知識點抽象，且課程體系的發(fā)展較晚，教材普遍缺乏工程實例，不利于學(xué)生理論聯(lián)系實際。

（2）該課程目前主要為課堂理論教學(xué)，實踐環(huán)節(jié)少，學(xué)生利用所學(xué)理論知識分析和解決實際工程問題的能力培養(yǎng)還缺乏切實可行的措施。

因此，如何增設(shè)課程設(shè)計和相關(guān)畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)成為難度非常大的改革任務(wù)。

由于《物理性污染控制》在我國環(huán)境工程專業(yè)課程體系中教學(xué)經(jīng)驗較少、實踐環(huán)節(jié)單一，故有必要對太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院近幾年相關(guān)實踐內(nèi)容的設(shè)置和實施情況進行總結(jié)，思考該設(shè)計類實踐體系建立過程中存在的問題，為我國該課程的工程化教育教學(xué)提供案例參考。

二、《物理性污染控制》工程實踐教學(xué)體系的建立及實施方法

（一）理論課堂中增加工程案例模塊

針對實踐教學(xué)改革的目標，《物理性污染控制》課程教學(xué)團隊在理論課堂中增加了工程案例模塊。一方面，授課教師在講授專業(yè)理論過程中增加了工程案例的講解。例如，在吸聲、隔聲和消聲知識點的學(xué)習(xí)過程中，以燃煤電廠或化工廠為例，剖析了實際工程中室內(nèi)外吸聲降噪、隔聲降噪以及進排風(fēng)口消聲降噪的方法案例。另一方面，理論課堂中拿出4學(xué)時讓學(xué)生以小組形式（3～4人/組）做降噪減震的案例匯報。例如，2021年的專題匯報圍繞隔聲墻、隔聲間、隔聲罩和隔聲屏展開，每組學(xué)生根據(jù)關(guān)鍵詞進行為期兩周的文獻調(diào)研和工程案例搜集，之后進行課堂匯報，并由其余小組的打分作為該項活動的成績。課程調(diào)查問卷結(jié)果顯示，100%的學(xué)生認為案例模塊激發(fā)了自己的學(xué)習(xí)興趣，有利于大家對相關(guān)知識和降噪工程方案的學(xué)習(xí)。

（二）課內(nèi)實驗的工程性質(zhì)改革

舊版的《物理性污染控制》大綱中有4學(xué)時的課程實驗，實驗內(nèi)容為校園環(huán)境噪聲的監(jiān)測和校園附近交通噪聲的監(jiān)測。為了提高學(xué)生們思考、分析并解決實際工程性問題的能力，驗證規(guī)律的基礎(chǔ)實驗內(nèi)容被逐漸修改為設(shè)計型實驗。例如，實驗內(nèi)容之一將校園噪聲監(jiān)測換成校園噪聲與振動污染調(diào)查，引導(dǎo)學(xué)生們自主對校園進行布局測點、噪聲與振動監(jiān)測，并進行聲功能區(qū)的分區(qū)、污染情況分析，提出可行的降噪方法。同時交通噪聲監(jiān)測實驗也改為城市交通噪聲污染及吸隔聲屏的應(yīng)用方案設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，加強他們對工程問題的思考及提出相應(yīng)解決方案的能力。

（三）利用實習(xí)提高學(xué)生對實際降噪方案的認識

太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)的學(xué)生在《物理性污染控制》課程前會進行認識實習(xí)和專業(yè)實習(xí)，而在課程學(xué)習(xí)之后又會進行畢業(yè)實習(xí)。為了幫助學(xué)生們將抽象的理論知識和計算公式與工程案例相關(guān)聯(lián)，在課前的實習(xí)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)熱電廠、鋼鐵廠等噪聲污染排放較大的企業(yè)的工藝流程，并關(guān)注噪聲污染較重的環(huán)節(jié)，觀察和剖析其所存在的問題。授課過程中則針對學(xué)生們在實際工程中發(fā)現(xiàn)的問題去討論和學(xué)習(xí)。經(jīng)過理論知識的學(xué)習(xí)后，畢業(yè)實習(xí)期間再通過對工廠所采取的降噪措施進行觀察，再次加深對降噪知識和方案的理解。學(xué)生從實踐中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題到解決問題這個過程，可以很好地鍛煉學(xué)生的工程實踐能力。

（四）邀請企業(yè)導(dǎo)師培訓(xùn)提高學(xué)生對實際降噪方案的設(shè)計能力

為了進一步加強學(xué)生們對實際降噪工程的理解和獨立進行工程設(shè)計的能力，自2018年開始，太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院在每年的《物理性污染控制》課程設(shè)計開始前會邀請企業(yè)導(dǎo)師進行工程設(shè)計的培訓(xùn)，重點給學(xué)生們解析不同的實際降噪工程案例。例如，邀請了上海泛德聲學(xué)工程有限公司和北京市人力資源和社會保障局的兩位工程師對學(xué)生進行培訓(xùn)，學(xué)習(xí)的工程案例包括工廠企業(yè)的廠界降噪、車間降噪、單獨的設(shè)備降噪以及特殊靜音房或靜音箱等的降噪。所學(xué)案例的噪聲源包括發(fā)電廠、換熱站、冷卻塔、五金加工廠、化工廠、光纖企業(yè)、食品廠、地板廠、真空泵、消防泵、碎料機及風(fēng)機等。通過企業(yè)導(dǎo)師的培訓(xùn)，學(xué)生們對如何進行《物理性污染控制》課程設(shè)計和該方向的畢業(yè)設(shè)計有了較為清晰的認識和較大信心。

（五）課程設(shè)計環(huán)節(jié)的制定和實施

由于《物理性污染控制》課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計在兄弟院校中開設(shè)的寥寥無幾，教學(xué)團隊對課程設(shè)計的資料建設(shè)、方案設(shè)計等都存在較大的知識缺陷，尚沒有找到供參考和學(xué)習(xí)的資料。在這種情況下，教學(xué)團隊主要以企業(yè)導(dǎo)師培訓(xùn)過的降噪案例為學(xué)習(xí)對象，設(shè)計的降噪題目多圍繞燃煤電廠、換熱站、冷卻塔、化工廠、五金加工廠等進行。設(shè)計的要求包括降噪方案的確定、降噪構(gòu)件的計算及設(shè)計、消聲器阻力損失、氣流再生噪聲、高頻失效頻率等的核算及經(jīng)濟概預(yù)算。最終設(shè)計圖紙4張，圖紙要求包含吸隔聲、消聲、減振等構(gòu)件的總體平面布置圖及其他如剖面圖和立面圖等。在課程設(shè)計過程中，企業(yè)導(dǎo)師給予一定的指導(dǎo)和答疑。

（六）畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)的制定和實施

相對于課程設(shè)計，畢業(yè)設(shè)計的工作量及細節(jié)設(shè)計要求更高，因此難度更大。因此，在過去幾年的畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中，環(huán)境工程系邀請企業(yè)導(dǎo)師全程參與畢業(yè)設(shè)計，包括學(xué)生的開題、中期答辯、畢業(yè)答辯以及中間的答疑環(huán)節(jié)。畢業(yè)設(shè)計的選題題目與課程設(shè)計相近，設(shè)計的要求包括兩套降噪方案的確定、降噪構(gòu)件的計算及設(shè)計、消聲器阻力損失、氣流再生噪聲、高頻失效頻率等的核算、經(jīng)濟預(yù)算及方案比選等。最終要求設(shè)計圖紙10～15張，圖紙要求包含吸隔聲、消聲、減振等構(gòu)件的總體平面布置圖、降噪構(gòu)件的平面圖、剖面圖及立面圖、吸隔聲結(jié)構(gòu)或消聲器構(gòu)造做法圖等。

自從2018年開展物理性污染控制方向的畢業(yè)設(shè)計以來，通過教學(xué)團隊在以上各方面的努力以及學(xué)生們對該課程體系的認識深入，學(xué)生對該課程的重視程度和認可度逐漸升高。表1中的數(shù)據(jù)顯示，自2018年以來，學(xué)生自主選擇該方向畢業(yè)設(shè)計的人數(shù)占比逐年增多，從最初的7.02%增加到2022年的 21.67%。

表1 2018-2022年《物理性污染控制》畢業(yè)設(shè)計選題情況

三、《物理性污染控制》課程實踐教學(xué)體系存在的問題及解決方法

經(jīng)過近5年的探索和發(fā)展，太原理工大學(xué)環(huán)境工程系《物理性污染控制》教學(xué)團隊在相關(guān)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計方面積累了一定的經(jīng)驗，同時也發(fā)現(xiàn)了諸多有待改進的問題。主要有：

（一）噪聲源以及噪聲數(shù)值的確定較為困難

噪聲源在各工廠和企業(yè)內(nèi)的位置較為分散，分布于不同的廠房或車間，如若將所有噪聲源均考慮在內(nèi)，由于大多數(shù)噪聲源尺寸太小，在廠區(qū)平面圖上不易畫出；且學(xué)生工作量太大，圖紙重點不易突出。另一方面，由于不同噪聲源之間互相影響，噪聲源的相對位置、數(shù)量和噪聲強度一經(jīng)改變，疊加后的噪聲數(shù)值就有所改變，使得任務(wù)書的布置環(huán)節(jié)存在較大困難。因此，教師在布置任務(wù)之前，需要對于噪聲源進行篩選，并對噪聲數(shù)值進行預(yù)核算。

（二）課本上的理論計算公式不適用于實際工程

《物理性污染控制》理論課程的學(xué)習(xí)過程中，以數(shù)值的物理疊加或降噪原理等推算出的公式較多，但在實際工程中采用這些公式計算出來的偏差會較大。例如噪聲源的噪聲向廠界傳播過程中衰減數(shù)值的計算：在《物理性污染控制》的教材中，矩形面聲源的衰減理論值為0 dB，即100 dB的噪聲經(jīng)過上百米的距離衰減后仍然視為100 dB。然而，在工程計算當中顯然不合適。針對以上問題，我們在設(shè)計過程中是采用文獻中的經(jīng)驗公式來計算，計算時需要用到的參數(shù)包括噪聲源的尺寸、聲功率、空氣密度和聲速。

（三）所設(shè)計降噪構(gòu)件的合理性有待提高

由于工程經(jīng)驗較為缺乏，在設(shè)計過程中，學(xué)生偏向于采用課本中計算公式較為明確的簡單降噪結(jié)構(gòu)，使得降噪方案的實際應(yīng)用性有待提高。例如在進排風(fēng)口的消聲器設(shè)計中，學(xué)生偏向于采用理論計算公式較為成熟的直管式消聲器，最終往往由于較高消聲量而設(shè)計出遠超過3米的消聲器，這在實際工程中是不常見的。在隔聲罩的設(shè)計中也存在類似問題，部分學(xué)生為了降噪達標，設(shè)計的鋼板隔聲罩厚度過厚為8毫米以上，而在實際工程中，鋼板的厚度往往要控制在3毫米以內(nèi)。針對以上問題，教師需要在指導(dǎo)過程中及時指正。

（四）設(shè)計的圖紙成果相對簡單

由于降噪設(shè)計的對象多為各工廠和企業(yè)的零散噪聲源，其不像水污染控制工程或大氣污染控制工程那樣具備系統(tǒng)的獨立性。如果學(xué)生僅繪制隔聲構(gòu)件和消聲器的圖紙，則圖紙往往過于簡單。針對該問題，我們要求圖紙成果必須體現(xiàn)吸隔聲或消聲的細節(jié)構(gòu)造做法圖，另外，需要繪制廠區(qū)相關(guān)平面圖。將來也逐漸將地形信息、工藝流程等細節(jié)內(nèi)容納入圖紙當中。

四、結(jié)語

文章以太原理工大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)《物理性污染控制》設(shè)計類實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的發(fā)展為例，討論了《物理性污染控制》設(shè)計類實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實施方法。該校的實際經(jīng)驗表明《物理性污染控制》課程設(shè)計類實踐教學(xué)體系尚存在的問題有噪聲源以及噪聲數(shù)值的確定較為困難、課本上的理論計算公式不適用于實際工程、所設(shè)計降噪構(gòu)件的合理性有待提高以及設(shè)計的圖紙成果相對簡單等。以上可為全國各高校建立該課程實踐體系及相關(guān)改革提供參考。