環(huán)境工程專業(yè)實驗課程改革與實踐

呂綠洲， 林 海， 陳秀枝， 周遠松， 馮 瑞

(北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

環(huán)境工程專業(yè)實驗課程改革與實踐

呂綠洲， 林 海， 陳秀枝， 周遠松， 馮 瑞

(北京科技大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

以北京科技大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)實驗教學(xué)為例，結(jié)合環(huán)境工程實驗課程的基本要求，對實驗課程設(shè)置、實驗內(nèi)容展開討論，探討專業(yè)實驗課程的改革與實踐，明確專業(yè)實驗課程改革實踐過程中的問題。通過多年來專業(yè)實驗課程的改革，豐富了實踐教學(xué)、完善了專業(yè)實驗課程設(shè)計,有效提升了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，為學(xué)生的全面發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

環(huán)境工程； 實驗課程； 教學(xué)改革

環(huán)境工程專業(yè)是理工結(jié)合的多學(xué)科相互滲透的新興學(xué)科[1]。近年來隨著環(huán)境保護和環(huán)境污染預(yù)防及治理的力度不斷加大，專業(yè)教育也在迅速發(fā)展，設(shè)立環(huán)境工程專業(yè)的院校從1977 年的 7 所發(fā)展到 2006年的 258 所，遍布理、工、農(nóng)、林、醫(yī)、管各類學(xué)校[2-4]。環(huán)境工程專業(yè)具有邊緣性、交叉性、綜合性強的特點，在以工程實踐為培養(yǎng)目標的專業(yè)教學(xué)中，實踐教學(xué)尤為重要。我校環(huán)境工程專業(yè)自1996年建立以來，始終堅持特色辦學(xué)之路，緊密結(jié)合礦冶行業(yè)發(fā)展的需求，充分依托學(xué)校已有的冶金、礦業(yè)、材料等學(xué)科群優(yōu)勢，以采礦、冶金等工業(yè)生產(chǎn)過程中的資源開發(fā)利用、污染控制、城市化進程中的環(huán)境問題作為重點研究對象，培養(yǎng)符合社會和行業(yè)發(fā)展需要的高素質(zhì)專業(yè)環(huán)保人才，逐漸形成了自己的專業(yè)特色和學(xué)科優(yōu)勢，建立了較為完善的環(huán)境工程專業(yè)實驗教學(xué)體系。

1 環(huán)境工程實驗課設(shè)置

實驗教學(xué)是學(xué)校教學(xué)工作的重要組成部分，高校開展教學(xué)工作的過程中，必須明確實驗教學(xué)的重要性，只有豐富現(xiàn)有的教學(xué)形式，才能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的積極性[5]。實驗教學(xué)是實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生崗位職業(yè)能力的重要途徑，能夠讓學(xué)生更加主動地參與到教與學(xué)的過程中，理論與實踐有機結(jié)合，有助于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和獨立思考能力，有助于學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)及工作中更好地發(fā)揮自己的才能[6-8]。

發(fā)展至今，我校環(huán)境工程在全國學(xué)科評估中位居前列，環(huán)境工程實驗教學(xué)體系經(jīng)過近20年的建設(shè)與改革，從實驗課程內(nèi)容上的單一與不完善到現(xiàn)如今的全面和規(guī)范，不斷發(fā)展，走向更加系統(tǒng)化、多樣化[9]。

1.1 環(huán)境工程基礎(chǔ)實驗

學(xué)習(xí)和掌握水污染控制工程、大氣污染控制工程和固體廢棄物資源化中常用的技術(shù)、原理和方法。

1.1.1 水污染控制實驗

大氣污染控制實驗開設(shè)4個實驗項目：

(1) 懸浮物自由沉降去除率與沉降時間的關(guān)系確定實驗。通過該實驗掌握自由沉降去除率確定方法，觀察自由沉降過程，了解水樣沉降時間與去除率的關(guān)系。

(2) 混凝脫色實驗。采用直接耐曬翠藍(GB型)，配制水楊濃度為20 mg/L水樣，其中主要顯色成分為氮基、氨基、磺酸基和四氯苯醌等組合而成，了解混凝pH值和混凝劑用量對混凝過程的影響規(guī)律，確定最佳pH值和混凝劑用量。通過該實驗掌握混凝實驗操作過程及色度的測定方法，進一步加深對混凝基礎(chǔ)理論的理解，掌握一般的單因素實驗設(shè)計方法。

(3) 固定床離子交換實驗。以實驗室自來水為給水，觀察離子交換過程中隨時間的變化不同離子交換柱出水的pH值及電導(dǎo)率的變化，進一步了解離子交換的原理和過程，掌握固定床離子交換的實驗方法。

(4) SBR反應(yīng)器污水處理實驗。運行SBR反應(yīng)器，進行SBR反應(yīng)器菌種的培養(yǎng)、馴化，測定反應(yīng)過程中的溶解氧、COD、pH值，觀察活性污泥的生物相，通過整個周期進水期、反應(yīng)期、沉淀期、排水排泥期、閑置期的運行，全面了解SBR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和運行周期，學(xué)會采集工藝設(shè)計參數(shù)。

1.1.2 大氣污染控制實驗

大氣污染控制實驗開設(shè)3個實驗項目：

(1) 吸附法凈化工業(yè)含酸霧氣體實驗。驗證課堂上理論教學(xué)中講授的吸附原理、現(xiàn)象及特點，通過實驗現(xiàn)象的直觀感受，鞏固和加深對理論的理解和認識，了解工業(yè)治理酸氣裝置——吸附器的結(jié)構(gòu)和安裝及學(xué)習(xí)工藝實驗的操作技能，掌握酸氣濃度的測定方法和吸附效率的計算，通過實驗工藝流程的直觀性培養(yǎng)學(xué)生獨立思考問題和解決實際問題的能力。

(2) 旋風除塵器性能測定實驗。通過測定旋風除塵器的風量、除塵器阻力和除塵效率，使學(xué)生掌握除塵器處理風量和除塵效率的測定方法，了解除塵裝置性能的基本參數(shù)是處理風量、阻力、除塵效率、排放濃度和分粒級除塵效率。

(3) 堿液吸收氣體中的二氧化硫?qū)嶒灐２捎锰盍衔账?，利?% NaOH溶液吸收氣體中的SO2。通過實驗可初步了解填料塔的基本結(jié)構(gòu)及其吸收凈化酸霧的工作原理，利用填料塔吸收凈化有害氣體的實驗研究方法，分析填料塔凈化效率的影響因素，掌握實驗中配氣方法、參數(shù)控制(如氣體流速、液體流量等)、取樣方法及各種有關(guān)設(shè)備的操作方法，同時還有助于加深理解在填料塔內(nèi)氣液接觸狀況及吸收過程的基本原理。

1.1.3 固體廢棄物資源化實驗

固體廢棄物資源化實驗開設(shè)4個實驗項目：

(1) 高爐渣制備膠凝材料實驗。高爐渣能否制備膠凝材料的關(guān)鍵是高爐渣的活性，借助超細粉碎激活高爐渣活性，通過試制試塊考察超細粉碎對高爐渣活性的影響。在超細粉碎激活高爐渣活性的基礎(chǔ)上，通過加入石灰等化學(xué)藥劑考察它們對高爐渣活性的影響，比較高爐渣超細粉碎和化學(xué)藥劑激活的優(yōu)勢與劣勢。通過實驗，使學(xué)生掌握高爐渣制備膠凝材料方法、原理，加深對固體廢物制備膠凝材料的理解，掌握有代表性的固體廢物資源化實驗技能。

(2) 粉煤灰浮選提碳實驗。我國熱電廠粉煤灰一般含碳為5%～7%，其中約30%的電廠粉煤灰含碳超過10%。為了充分利用煤炭資源，同時提高粉煤灰的利用檔次，進行粉煤灰提碳實驗，擬通過本實驗熟練掌握浮選法回收固體廢物中有價成分的方法、原理及實驗技能。

(3) 電鍍污泥水泥固化實驗。電鍍污泥含多種重金屬離子，是一種有害固體廢物。為了使這種固體廢物得到無害化處理和資源化利用，途徑之一就是進行固化處理。采用不同配方的水泥、電鍍污泥進行實驗，測定固化體強度，考察固化體中有害重金屬離子浸出情況。通過本實驗，熟練掌握有害固體廢物固化處理的方法、原理及實驗技能。

(4) 廢物熱解及其產(chǎn)物熱值的測定實驗。固體廢物熱值是固體廢物的一個重要化學(xué)指標。固體廢物熱值的大小表明固體廢物的可燃性，其直接影響著固體廢物處理和處置方法的選擇。熱值是分析垃圾燃燒性能、設(shè)計焚燒設(shè)備、選用焚燒處理工藝的重要依據(jù)。本實驗的目的是使學(xué)生掌握固體廢物熱值的測定方法，并熟悉相關(guān)儀器設(shè)備的使用。

1.2 環(huán)境工程微生物學(xué)實驗

環(huán)境工程微生物學(xué)實驗是為了培養(yǎng)環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生的生物實驗技能、配合“環(huán)境工程微生物學(xué)”開設(shè)的一門專業(yè)實驗課。在環(huán)境工程微生物學(xué)的基礎(chǔ)實驗教學(xué)中，主要包括在實驗室完成的基礎(chǔ)實驗教學(xué)課程，如培養(yǎng)基的制備、器皿及培養(yǎng)基的滅菌、顯微鏡的操作、微生物的染色及觀察、微生物的培養(yǎng)及分離等(見表1)，這些都是微生物實驗最基本的操作，學(xué)生必須要扎實掌握。

經(jīng)過多年來的實驗教學(xué)改革，摸索出了適合于環(huán)境工程微生物學(xué)課程特點的“螺旋式”實驗教學(xué)模式。第一步，基礎(chǔ)型實驗，使學(xué)生掌握環(huán)境工程微生物實驗基本的操作方法和實驗技能；第二步，生產(chǎn)實踐型實驗，將科研、生產(chǎn)項目引入實驗教學(xué)，使學(xué)生掌握科研的實驗技巧和思維模式；第三步，創(chuàng)新型實驗，開放實驗室，鼓勵學(xué)生參加科技創(chuàng)新活動[10-12]。

1.3 環(huán)境專業(yè)實驗課程與實踐探索

隨著環(huán)境工程專業(yè)的不斷發(fā)展及師資力量及辦學(xué)條件的不斷提高，結(jié)合我校環(huán)境工程專業(yè)實驗課程特點出發(fā)，為了進一步完善實驗教學(xué)，開設(shè)了研究方法訓(xùn)練實驗。

環(huán)境工程研究與設(shè)計是環(huán)境工程專業(yè)本科生在學(xué)習(xí)完環(huán)境工程專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課之后進行的、以培養(yǎng)實踐能力為主要目的一門綜合實踐性方法課程。研究方法訓(xùn)練實驗是為培養(yǎng)學(xué)生掌握系統(tǒng)的實驗研究方法，配合“環(huán)境工程研究與設(shè)計”中的研究方法而設(shè)置的一門綜合性實驗課，目的是進一步提高學(xué)生靈活運用專業(yè)理論知識進行分析和解決實際科研問題的能力，增強獨立從事科研工作的能力，熟練掌握實驗研究的方法、程序和操作技術(shù)。

1.3.1 半自主設(shè)計實驗——中水回用實驗

半自主設(shè)計實驗只提供一個中水回用實驗的課題供學(xué)生選擇，指導(dǎo)教師只準備好實驗所需要的基本設(shè)備，要求每位學(xué)生通過系統(tǒng)的中水實驗研究，對具體的研究任務(wù)及內(nèi)容，提出合理的工藝流程和最佳的工藝條件，完成預(yù)定的小型實驗技術(shù)指標，獨立編寫一份實驗研究報告。

實驗安排每半天為一個單元，共20個單元，包括文獻資料查閱、方案制訂、實驗儀器設(shè)備和藥品的準備、實驗結(jié)果分析與討論、實驗研究報告的編寫等。實驗項目包括：試驗方案制定與試驗準備、混凝條件試驗、3混凝綜合條件試驗及水樣的制備、O3氧化試驗、樹脂離子交換試驗、中水全流程試驗。

1.3.2 完全自主設(shè)計實驗

在這門實驗當中，淡化教師角色，凸顯學(xué)生作為課程主人的作用。指導(dǎo)教師只規(guī)定大體的課題范圍，學(xué)生根據(jù)自身知識儲備及興趣愛好，選擇實驗方向、查找相關(guān)資料、確定研究課題，將之前學(xué)到的實驗設(shè)計理論知識應(yīng)用于實踐，自主進行實驗的設(shè)計。每個小組人數(shù)控制在3人左右，小組內(nèi)有負責人并明確分工，保證每位學(xué)生的參與度。實驗結(jié)束后，分析數(shù)據(jù)，獨立編寫一份實驗研究報告。

課題選擇—實驗方案設(shè)計—開展實驗—編制實驗研究報告，完全由學(xué)生自主設(shè)計，每年自選課題約10個。如源分離尿液無害化過程影響因素及控制條件研究中尿素因素的影響、基于過氧化氫酶酶活性分析技術(shù)的植物損傷機理研究、從廢舊電路板中提取銅等。

2 實驗課程體系建設(shè)與完善

除了上述3門獨立設(shè)課的專業(yè)主干實驗課，近幾年又完善了多門環(huán)境工程專業(yè)實驗課，其中包括物理污染控制實驗、環(huán)境監(jiān)測實驗、環(huán)境毒理學(xué)實驗、環(huán)境化學(xué)實驗，并在2017版教學(xué)計劃中擬開設(shè)環(huán)境工程原理實驗[13]。

2.1 物理污染控制實驗

通過實驗操作、實驗觀察和實驗結(jié)果的分析，加深學(xué)生對基本概念和基本原理的理解，鞏固課堂教學(xué)中學(xué)到的知識，學(xué)會常用實驗儀器和設(shè)備的使用，培養(yǎng)學(xué)生實際動手能力和解決實際問題的能力。

2.1.1 駐波管法測量材料吸聲系數(shù)實驗

該實驗借助單頻信號發(fā)生器和揚聲器，聆聽各種頻率的純音信號的特征、聲波頻率升高以及降低時聲音變化的特征，確定人耳聽音的頻率范圍。將被測吸聲材料的試件固定在駐波管試件段內(nèi)，在駐波管中測量信號發(fā)聲器發(fā)出的某頻率下聲壓(級)極大值和極小值，計算得到駐波比，從而計算得到該頻率下這種材料的垂直入射吸聲系數(shù)。改變信號頻率，依次測出不同頻率的吸聲系數(shù)。通過實驗，使學(xué)生掌握駐波管法測試材料吸聲系數(shù)的原理，加深對垂直入射吸聲系數(shù)的理解，了解人耳聽覺的頻率范圍，獲得對各種頻率純音的感性認識。

2.1.2 風機噪聲控制效果實驗

通過該實驗了解風機噪聲的來源及控制措施，了解風機噪聲的頻譜特性，并掌握風機進氣噪聲的測定方法，熟悉隔聲措施、消聲措施的控制效果評價量的測定方法及聲級計和頻譜分析儀的使用方法。

2.1.3 生活中電磁輻射和電離輻射的測定

認識生活中的各種電磁輻射，測量手機、電腦等各種電器的輻射值，以加深對生活中各種電磁輻射的認識，并掌握避免或減少電磁輻射的措施。

認識生活中的各種電離輻射，測量北京的本底輻射值，以加深對生活中各種電離輻射的認識，并掌握避免或減少電離輻射的措施。

2.2 環(huán)境監(jiān)測實驗

環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境工程專業(yè)的一門專業(yè)必修主干課，通過水和大氣監(jiān)測實驗，使學(xué)生掌握環(huán)境監(jiān)測的基本原理、方法，并能在以后的實際工作中靈活運用。

2.2.1 廢水監(jiān)測

通過該實驗，使學(xué)生學(xué)會廢水中主要污染物監(jiān)測指標的測定原理、測定方法步驟和測定儀器的使用。具體實驗項目包括：染料廢水中CODcr的測定；水中溶解氧的測定；水中陰/陽離子的測定。

2.2.2 大氣監(jiān)測

根據(jù)課堂學(xué)習(xí)知識，對我校校園的空氣質(zhì)量進行監(jiān)測，要求自行設(shè)計監(jiān)測方案，包括監(jiān)測點的布設(shè)、監(jiān)測方案的制訂、氣樣的采取、主要污染物的檢測、檢測結(jié)果的分析及評價。通過實驗使學(xué)生掌握大氣中主要污染物氮氧化物的測定原理、方法、步驟，以及氮氧化物測定儀器的使用、吸取液制備等；學(xué)會使用粉塵測定儀測定大氣中的PM2.5、PM10。對校園環(huán)境進行監(jiān)測，可以訓(xùn)練學(xué)生環(huán)境監(jiān)測的基本技能，提高學(xué)生相對獨立的實驗工作能力，使學(xué)生初步了解環(huán)境監(jiān)測的一般步驟、環(huán)境監(jiān)測樣品的采樣和保存方法、各指標的分析與監(jiān)測原理、監(jiān)測方法。具體實驗項目包括：大氣中總懸浮顆粒物 PM2.5、PM10的測定；大氣中二氧化氮的測定分析及校園空氣質(zhì)量監(jiān)測評價；基于所測數(shù)據(jù)對校園環(huán)境進行評價。

2.3 環(huán)境毒理學(xué)實驗

通過實驗，使學(xué)生掌握環(huán)境中污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，了解急性毒性實驗的一般操作步驟、毒理學(xué)評價方法，培養(yǎng)學(xué)生的獨立科研能力，并能在以后的實際工作中靈活運用。環(huán)境毒理學(xué)實驗開設(shè)的實驗項目有：光降解鄰苯二甲酸二甲酯的研究；微生物毒性實驗；土壤中重金屬含量的測定。

2.4 環(huán)境化學(xué)實驗

環(huán)境化學(xué)是一門綜合性非常強的學(xué)科，它所涉及的理論知識和實驗技巧范圍非常廣泛。為加深學(xué)生對環(huán)境化學(xué)的理解和認識，開設(shè)了環(huán)境化學(xué)實驗，通過實驗，使學(xué)生得到從事環(huán)境化學(xué)實驗工作的基本技能訓(xùn)練，掌握研究問題的基本方法、手段，培養(yǎng)相關(guān)的數(shù)據(jù)分析處理能力。環(huán)境化學(xué)實驗開設(shè)的實驗內(nèi)容有：環(huán)境中有機物正辛醇—水分配系數(shù)的測定、活性炭吸附法處理廢水、紅外光譜定性分析法、堿度的測定。

3 結(jié)語

通過我校環(huán)境工程專業(yè)近20年來實驗課程的不斷改革與實踐，已形成了系統(tǒng)化的綜合創(chuàng)新實驗課程體系，極大地培養(yǎng)了學(xué)生動手、動腦以及實踐創(chuàng)新能力。實驗課程改革的目的在于使環(huán)境工程專業(yè)課程體系逐步合理化、規(guī)范化、多樣化、現(xiàn)代化，以更好地適應(yīng)人才培養(yǎng)的需求[14]。今后我們將根據(jù)環(huán)境工程教育的發(fā)展方向，不斷發(fā)現(xiàn)實驗課程改革實踐過程中存在的問題，繼續(xù)深化、完善現(xiàn)有的專業(yè)實驗課程設(shè)置，切實為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的綜合功能服務(wù)和綜合素質(zhì)服務(wù)，為培育優(yōu)秀的環(huán)境工程人才提供堅實的保障。

References)

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Reform and practice of experimental course for environmental engineering majors

Lü Lüzhou, Lin Hai, Chen Xiuzhi, Zhou Yuansong, Feng Rui

(School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

By taking the experimental teaching for the environmental engineering majors in University of Science and Technology Beijing as an example, and combined with the basic requirements of the experimental course of the environmental engineering, the experimental course setting and the experimental content are discussed, the reform and practice of the professional experimental course are explored, and the problems in the process of such reform are determined. Through the reform of the professional experimental course for many years, the practical teaching has been enriched and the curriculum design of professional experiment has been improved, which has effectively improved the students’ practical ability and innovative ability, and has laid a solid foundation for their all-round development.

environmental engineering; experimental course; teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.055

G642.423

B

1002-4956(2017)11-0221-04

2017-04-17

北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革項目(JG2015M03)；北京科技大學(xué)教育教學(xué)改革與研究重點項目(JG2012Z03)；北京市支持中央在京高校人才培養(yǎng)共建項目——專業(yè)建設(shè)項目(GJ-201205)

呂綠洲(1981—)，女，河南泌陽，碩士，工程師，主要從事環(huán)境工程實驗教學(xué)及實驗室管理.

E-mailllz0542@163.com