環(huán)境類專業(yè)自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的開(kāi)發(fā)與使用

方華 徐德福 張海鷗 韓紅霞

摘 要 針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置存在的問(wèn)題，研制一套多功能污水生物處理實(shí)驗(yàn)裝置，并應(yīng)用于專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。相關(guān)教學(xué)實(shí)踐表明，自制實(shí)驗(yàn)裝置在提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、提高實(shí)驗(yàn)教師業(yè)務(wù)水平、促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等方面有著積極作用，是高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和改革的重要手段。

關(guān)鍵詞 自制實(shí)驗(yàn)裝置；污水生物處理；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；環(huán)境類專業(yè)；實(shí)驗(yàn)室

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）22-0029-03

Abstract Based on the problems of the existing experimental tea-ching devices， a set of multifunctional experimental devices for se-wage biological treatment was made and used in experimental tea-ching. Experimental teaching practices showed the self-made experi-mental devices played an active role in improving the quality of ex-perimental teaching， cultivating students innovative ability， impro-ving the professional level of the experimental teachers and promo-ting the construction of the laboratory. It is an important method of laboratory construction and reform in universities.

Key words self-made experimental device； sewage biological treat-ment； experimental； teaching reform； environmental specialties； lab

1 前言

高等院校是人才培養(yǎng)的主要陣地，實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是高等教育人才培養(yǎng)體系中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。隨著國(guó)家對(duì)高等教育重視和投入的加大，高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)近年來(lái)得到快速發(fā)展。各類教學(xué)實(shí)驗(yàn)室均購(gòu)置了大批實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器、設(shè)備，改善本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件。但市售的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備在功能、使用和維保等方面也存在一定的缺陷，不能完全滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，特別是專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置是任課教師根據(jù)實(shí)際教學(xué)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)需要，自行設(shè)計(jì)、加工（或委托）制作的儀器設(shè)備。這類實(shí)驗(yàn)裝置可操控性強(qiáng)，貼近教學(xué)實(shí)際，并可滿足課程的特別需求。因此，自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置作為解決和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備的重要途徑，更新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與內(nèi)容、提高學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要手段，對(duì)促進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-3]。

本文在分析南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置存在問(wèn)題，及自制實(shí)驗(yàn)裝置作用與意義的基礎(chǔ)上，以污水生物處理實(shí)驗(yàn)為對(duì)象，開(kāi)發(fā)一套多功能自制實(shí)驗(yàn)裝置，并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，獲得很好的教學(xué)成效。通過(guò)總結(jié)相關(guān)成效和經(jīng)驗(yàn)，期望為相關(guān)專業(yè)開(kāi)展自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置工作提供一些借鑒和參考。

2 市售實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置存在的問(wèn)題

南京信息工程大學(xué)一貫高度重視實(shí)踐教學(xué)在人才培養(yǎng)中的重要地位，通過(guò)修訂和完善教學(xué)大綱，環(huán)境類各專業(yè)的實(shí)踐學(xué)時(shí)比例已達(dá)到總學(xué)時(shí)的35%以上；同時(shí)，投入大量資金，購(gòu)置更新大批實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件。學(xué)校環(huán)境科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)中心（以下簡(jiǎn)稱中心）現(xiàn)已建成為江蘇省高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。但在專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)，已有市售教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置尚存在以下問(wèn)題，亟待改善。

適用性和實(shí)用性差，學(xué)用脫節(jié) 中心已有教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置均為直接購(gòu)置的市售成套實(shí)驗(yàn)裝置，部分裝置形式內(nèi)容陳舊，已不能滿足學(xué)科發(fā)展和專業(yè)教學(xué)的新要求；部分裝置提供的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟與課程所用教材和講義不符，造成教師組織教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)困難；部分裝置對(duì)外部環(huán)境要求高，與中心現(xiàn)有場(chǎng)地、器材、公用設(shè)施等無(wú)法匹配，長(zhǎng)期閑置；部分裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工藝過(guò)程設(shè)計(jì)與實(shí)際工程應(yīng)用嚴(yán)重不符，使得學(xué)生所學(xué)與工程實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)。

“模型化”“教具化”現(xiàn)象嚴(yán)重，功能單一 現(xiàn)有市售實(shí)驗(yàn)裝置規(guī)格型號(hào)單一，大部分裝置僅可用于簡(jiǎn)單的教學(xué)演示和觀察，不可實(shí)際操作與模擬運(yùn)行，功能上無(wú)法滿足專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度的要求；幾乎所有的實(shí)驗(yàn)裝置只能進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不能用于新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)拓展，無(wú)法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)廣度的要求和學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)的需要。

價(jià)格高，壽命短，維護(hù)困難 由于環(huán)境類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置市場(chǎng)需求量小，生產(chǎn)廠家少，導(dǎo)致該類實(shí)驗(yàn)裝置存在價(jià)格昂貴、售后服務(wù)不及時(shí)等問(wèn)題。

3 自制實(shí)驗(yàn)裝置的作用與意義

中心現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置存在的上述問(wèn)題已制約了相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高，優(yōu)化配置實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)成為當(dāng)前中心實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要工作內(nèi)容。開(kāi)展實(shí)驗(yàn)裝置的自行設(shè)計(jì)和研制，是解決上述問(wèn)題的重要途徑，并具有以下重要的作用和意義。

提高教學(xué)質(zhì)量 自制實(shí)驗(yàn)裝置可彌補(bǔ)原有裝置設(shè)備的缺陷，性能相對(duì)穩(wěn)定，教師在授課時(shí)能保障其順利進(jìn)行。同時(shí)，自制實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備也可拓寬教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能獲得更多專業(yè)相關(guān)知識(shí)。自制裝置設(shè)備還能做到與時(shí)俱進(jìn)，實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量都具有顯著的作用[4]。

促進(jìn)教師和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員技術(shù)水平和協(xié)作能力的提高 自制實(shí)驗(yàn)裝置研制過(guò)程中，教師與實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員從前期的資料收集、方案設(shè)計(jì)到后期采購(gòu)、制作和調(diào)試，一直通力合作，既增強(qiáng)了合作能力和凝聚力，使實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍成為和諧、創(chuàng)新的團(tuán)隊(duì)；又拓寬了知識(shí)面，提高了理論水平和技術(shù)水平，在實(shí)踐中提升了教學(xué)和科研能力。

提高學(xué)生綜合設(shè)計(jì)及應(yīng)用能力 自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備豐富了學(xué)生課內(nèi)課外實(shí)驗(yàn)，帶動(dòng)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展；同時(shí)，教師在研制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置設(shè)備過(guò)程中，還可帶領(lǐng)學(xué)生參與其中，讓學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放或畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)參與研制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在拓展知識(shí)面的同時(shí)，鍛煉了工程實(shí)踐能力[5]。學(xué)生參與儀器的研制，可以在感性上充分理解儀器的構(gòu)造與功能，在制作過(guò)程中通過(guò)查找相關(guān)材料、尋找問(wèn)題解決途徑，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，也充分發(fā)揮積極性與創(chuàng)造性。

全面推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備的自行研制和使用，可為實(shí)驗(yàn)室補(bǔ)充大批實(shí)用且急需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝備，滿足不同性質(zhì)實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)的需要，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提高，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)室的綜合實(shí)力和影響力。

4 自制實(shí)驗(yàn)裝置的開(kāi)發(fā)與使用

自制實(shí)驗(yàn)裝置的開(kāi)發(fā) 針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置存在的問(wèn)題，中心以專業(yè)核心實(shí)驗(yàn)課程——水污染控制工程實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，選擇該課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)——污水生物處理實(shí)驗(yàn)為對(duì)象，基于“集成度高、功能豐富、便于觀察、可模擬運(yùn)行”的設(shè)計(jì)思路，研制一套可進(jìn)行功能擴(kuò)展的污水生物處理裝置。自制實(shí)驗(yàn)裝置由生物反應(yīng)器、二沉池及附屬配件和連接管路構(gòu)成。其中，長(zhǎng)柱形的生物反應(yīng)器是裝置的核心，總有效容積72升，采用透明有機(jī)玻璃制作；其內(nèi)部通過(guò)預(yù)設(shè)的插槽分為18格體積相同的單元，通過(guò)在插槽中插入插板，可將生物反應(yīng)器自由設(shè)置為不同數(shù)量和容積的反應(yīng)區(qū)域。每個(gè)反應(yīng)區(qū)域可通過(guò)密封蓋板設(shè)置、攪拌裝置和曝氣裝置的啟停，實(shí)現(xiàn)厭氧、缺氧或好氧等不同生物氧化功能。反應(yīng)器外部設(shè)有進(jìn)出水口、進(jìn)氣口、回流口等，通過(guò)與外部的進(jìn)水泵、回流泵、充氧泵的連接，形成反應(yīng)器進(jìn)出水系統(tǒng)、混合液循環(huán)系統(tǒng)、污泥回流系統(tǒng)和曝氣系統(tǒng)?；诖?，生物反應(yīng)器與二沉池連接后，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，自主設(shè)置成多種典型的污水生物處理工藝，主要包括傳統(tǒng)活性污泥法工藝、缺氧—好氧生物脫氮（A/O）工藝和厭氧—缺氧—好氧同步脫氮除磷（A2/O）工藝等，并開(kāi)展針對(duì)實(shí)際或模擬污水的連續(xù)運(yùn)行處理實(shí)驗(yàn)。圖1為自制實(shí)驗(yàn)裝置模擬厭氧—缺氧—好氧同步脫氮除磷（A2/O）工藝流程圖。

自制實(shí)驗(yàn)裝置的使用 通過(guò)對(duì)裝置主體功能結(jié)構(gòu)和連接方式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使本自制污水生物處理實(shí)驗(yàn)裝置具有高度的擴(kuò)展性和豐富的生物處理功能。中心利用該自制實(shí)驗(yàn)裝置，分別面向各年級(jí)本科生的實(shí)驗(yàn)需求，開(kāi)設(shè)不同類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1）面向大二、大三學(xué)生的水污染控制工程實(shí)驗(yàn)和環(huán)境工程學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，開(kāi)設(shè)基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)——傳統(tǒng)活性污泥法處理生活污水實(shí)驗(yàn)，主要實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑榧由顚W(xué)生對(duì)污水生物處理的原理和方法的理解，初步培養(yǎng)進(jìn)行污水生物處理模擬實(shí)驗(yàn)的基本技能。

2）面向大四學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練課程，開(kāi)設(shè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)——缺氧—好氧生物脫氮實(shí)驗(yàn)，主要實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑樽寣W(xué)生熟悉生物脫氮的基本流程，掌握缺氧—好氧生物脫氮工藝的原理和控制方法，提高污水生物處理實(shí)踐技能。

3）面向大學(xué)生課外科技創(chuàng)新活動(dòng)，開(kāi)設(shè)拓展創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)——厭氧—缺氧—好氧工藝同步脫氮除磷實(shí)驗(yàn)，主要實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑樽寣W(xué)生掌握同步生物脫氮除磷工藝的原理、組成和控制方法，培養(yǎng)解決污水處理實(shí)際問(wèn)題和實(shí)踐創(chuàng)新的能力，熟悉復(fù)雜污水生物處理工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

近三年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用表明，中心研制的污水生物處理實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、功能豐富、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，彌補(bǔ)了原有市售實(shí)驗(yàn)裝置的缺陷，大大提高了裝置的實(shí)用性和利用率。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生可以自己動(dòng)手，對(duì)裝置進(jìn)行操作與運(yùn)行，改變了以往在燒杯、試管中的間歇、零碎的實(shí)驗(yàn)方法，使學(xué)生可以形象、生動(dòng)、完整地了解污水處理的工藝過(guò)程，從而大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深、拓寬對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，并增強(qiáng)了今后投身環(huán)境保護(hù)事業(yè)的決心?？傮w來(lái)看，自制實(shí)驗(yàn)裝置的開(kāi)發(fā)應(yīng)用拓寬了教學(xué)內(nèi)容，實(shí)用性好，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和專業(yè)興趣，大大促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次污水生物處理自制實(shí)驗(yàn)裝置的研制，既為中心增加了一批性能可靠、針對(duì)性與適用性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，又滿足了綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性等多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，收到很好的教學(xué)成效，為實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改革提供了有益的借鑒和創(chuàng)新。

隨著我國(guó)高等教育的改革與發(fā)展，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)面臨艱巨的任務(wù)，課程內(nèi)容的不斷創(chuàng)新決定了自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備必然是一項(xiàng)長(zhǎng)期的任務(wù)[6]。各高校要充分認(rèn)識(shí)自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教師和技術(shù)人員綜合能力提高等方面的積極作用，把握一切機(jī)會(huì)，調(diào)動(dòng)教師的積極性，鼓勵(lì)教師研制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，探索自主創(chuàng)新、有特色的自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備之路。

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