環(huán)境工程實驗課程的自主設(shè)計式改革

謝明波, 劉慧龍

(武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,武漢 430079)

0 引 言

環(huán)境工程專業(yè)作為滿足人類社會發(fā)展對解決環(huán)境問題需求而形成的一個集自然科學(xué)、技術(shù)科學(xué)與社會科學(xué)為一體的交叉型的綜合性專業(yè)，是一個理論性、技術(shù)性、實踐性很強的專業(yè)[1]。其知識面涵蓋了物理、化學(xué)和生物等多個基礎(chǔ)學(xué)科，輔以大量設(shè)備研發(fā)與數(shù)據(jù)分析的技巧，以及環(huán)境問題的具體監(jiān)測手段，對學(xué)生綜合實踐能力提出了更高的要求。分析問題思路與解決問題的辦法在課堂中已經(jīng)掌握得比較全面，但要真正將理論知識應(yīng)用到實踐中還需大量的實驗科研經(jīng)驗作為支撐。因此，以鞏固課上理論知識，提高動手操作技能，激活創(chuàng)新設(shè)計思維，鍛煉數(shù)據(jù)處理與分析能力的環(huán)境工程教學(xué)實驗課程就應(yīng)運而生。在理論、技術(shù)與實踐相結(jié)合的過程中，他們將環(huán)境工程課程中水、氣、固體廢棄物的處理以及實驗基本方法融會貫通。

因此，為了踐行環(huán)境工程實驗課程設(shè)立的目的，必須要打破傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的壁壘。本專業(yè)教師經(jīng)過30年的教學(xué)改革，旨在用更為科學(xué)的綜合課程讓同學(xué)們在實驗教學(xué)的課堂中得到鍛煉，讓本校的環(huán)境工程專業(yè)的實驗課程形成一套目的性強的健全體系。

1 傳統(tǒng)方法及存在問題

通過整理歷年來實驗教學(xué)經(jīng)驗，對傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法進(jìn)行了一個簡單的總結(jié)。雖然前期教學(xué)改革提出了具體實驗環(huán)節(jié)考核的制度，實驗內(nèi)容也從靜態(tài)實驗向動態(tài)試驗進(jìn)行了改變，但是總的來說傳統(tǒng)試驗教學(xué)依然是圍繞“教師實驗指導(dǎo)書”展開的“授課型”教學(xué)模式?！敖虒W(xué)實驗指導(dǎo)書”為授課老師針對特定實驗內(nèi)容編纂的詳細(xì)“說明手冊”，其中包括詳細(xì)的實驗原理、器材藥品以及實驗步驟介紹等，老師在課堂中以此書為藍(lán)本進(jìn)行教學(xué)，同學(xué)們也依照其中內(nèi)容操作，記錄與分析實驗數(shù)據(jù)。

誠然，此種實驗教學(xué)方法已存在多年。教學(xué)和操作均圍繞指導(dǎo)書展開，因為指導(dǎo)書內(nèi)容固定，教學(xué)程序和時間也固定下來，老師能較好地把控實驗教學(xué)的開展過程。由于其實驗步驟詳盡，同學(xué)在操作中能獨立完成實驗。

但是，傳統(tǒng)教學(xué)模式也衍生出許多問題。一些同學(xué)過于依賴實驗指導(dǎo)書，認(rèn)為指導(dǎo)書上內(nèi)容已非常詳盡，沒有提前預(yù)習(xí)的必要性，甚至部分同學(xué)只在上課前20 min匆匆瀏覽實驗指導(dǎo)書，對實驗原理的掌握也只是囫圇吞棗[2]。對實驗器材與步驟不熟悉，也使得實驗進(jìn)行不夠順暢，實驗時間往往超出常規(guī)實驗課時。同時一旦實驗出現(xiàn)什么問題也不明所以，不知所措,不能盡快解決，學(xué)習(xí)的效率十分低下。縱觀整個實驗過程，缺乏主動思考的環(huán)節(jié)與時間，這樣的實驗教學(xué)是屬于典型的填鴨式教學(xué)[1]。因此對傳統(tǒng)實驗教學(xué)進(jìn)行了根源上的改革。

2 環(huán)境工程實驗教學(xué)方案的改革

有別于教學(xué)實驗指導(dǎo)書，老師提供實驗任務(wù)書給同學(xué)們參考。實驗任務(wù)書包括方案設(shè)計任務(wù)書和報告要求兩個部分，其中方案設(shè)計任務(wù)書簡單提供實驗的目的，已知條件(實驗材料和設(shè)備、應(yīng)用的實驗原理、需要得到實驗結(jié)論)，同學(xué)們根據(jù)此實驗指導(dǎo)書自主設(shè)計實驗步驟以及數(shù)據(jù)分析方法，撰寫實驗設(shè)計報告。并且在實驗結(jié)束后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)實驗過程中的問題，得出結(jié)論[2]，將這些撰寫成實驗報告；而“報告要求”則詳細(xì)說明實驗報告的撰寫內(nèi)容以及需要注意的要點。(總共上交兩份報告：實驗設(shè)計報告和實驗報告)

圍繞實驗任務(wù)書，建立了一種啟發(fā)性的實驗教學(xué)模式：自主式實驗教學(xué)。要完成實驗就必須要設(shè)計實驗，而設(shè)計實驗就離不開查找資料和請教學(xué)習(xí)的過程，所以同學(xué)們從實驗前的資料準(zhǔn)備開始就已進(jìn)入了自主學(xué)習(xí)。雖然課前需要大量時間思考與設(shè)計，但是在做了充分的準(zhǔn)備之后，課堂上討論與操作就變得更有目的性，效率反而大大提高，實驗時間縮短不少，同學(xué)的熱情也更加高漲。同時，帶著實驗?zāi)康娜ミM(jìn)行設(shè)計思考，這也是大學(xué)生今后在科研與工作中的一種常態(tài)，早日形成這種自主式思維模式可以為今后的學(xué)習(xí)與工作打下良好基礎(chǔ)。

3 環(huán)境工程實驗教學(xué)方案

在確定了環(huán)境工程實驗教學(xué)改革的指導(dǎo)思想和框架后，按照激發(fā)同學(xué)們思考和創(chuàng)新能力的目標(biāo)，編寫了環(huán)境工程實驗教學(xué)大綱，改革環(huán)境工程實驗的教學(xué)手段和技術(shù)方法，制定出新的環(huán)境工程實驗教學(xué)方案[3]，如圖1所示。

圖1 環(huán)境工程實驗教學(xué)新方案

下面從實驗方案設(shè)計任務(wù)書、設(shè)計實驗課堂進(jìn)行方法、實驗環(huán)節(jié)考核制度、實驗報告要求以及探究小組反饋機制5個方面來詳述實驗教學(xué)改革的具體內(nèi)容。

3.1 實驗方案設(shè)計任務(wù)書

以引導(dǎo)同學(xué)們進(jìn)行自主思考為目的而專門編制的方案設(shè)計任務(wù)書，在以往演示性、操作性、驗證性和綜合性的實驗基礎(chǔ)上，開辟出了設(shè)計性和可研性實驗的新方向。刪除了詳細(xì)的實驗步驟描述，轉(zhuǎn)而只給出實驗?zāi)康囊约疤峁┑臈l件，給同學(xué)們留出足夠的思考空間。下面以“酸性廢水過濾中和實驗”的方案設(shè)計任務(wù)書為例分別說明。該實驗是如何操作的[4]。

(1) 介紹實驗意義：酸性廢水來源廣泛，且過濾中和法，以石灰石為原料，治理費用低，出水水質(zhì)穩(wěn)定，處理效果好，一直是酸性廢水處理廣泛采用技術(shù)手段。

(2) 給出設(shè)計目的及必要的相關(guān)知識點：目的是設(shè)計一個典型的原理驗證實驗，要求通過實驗得出濾速、石灰石高度、曝氣流速與處理后水質(zhì)的pH之間的關(guān)系；知識點：酸堿中和原理。(這個需要同學(xué)在課前就查找好資料，充分熟悉石灰石處理酸性廢水的化學(xué)與物理反應(yīng)過程，掌握具體的化學(xué)反應(yīng)方程式與物質(zhì)數(shù)量之間的計算方法)

(3) 提供實驗的已知條件：實驗選用的主體器材，以及相應(yīng)的測量儀器等。

(4) 提出實驗需要完成的任務(wù)和要求：①資料查閱，掌握至少一種特定酸性廢水的處理工藝，分析其與水質(zhì)針對性的特點;②設(shè)計出石灰石處理酸性廢水的實驗步驟，通過控制酸性廢水濾速，或曝氣吹脫流速，得出濾速與處理后pH之間的關(guān)系曲線。并控制時間在一個實驗單元(3～4 h);③熟悉實驗設(shè)備操作。

3.2 課堂實驗

(1) 老師在課堂實驗中的3項工作。① 針對實驗設(shè)計,用1學(xué)時向?qū)W生明確實驗?zāi)康?，授予已有實驗設(shè)備的基本操作方法及特別注意事項，提供一個思考方向作為參考。讓學(xué)生第2學(xué)時的課堂中根據(jù)課前所查閱的資料，展開小組討論，并最終得出一個最佳設(shè)計方案提交老師審核和改進(jìn)；②學(xué)生根據(jù)上一次課得出的最終設(shè)計方案進(jìn)行實驗，老師對學(xué)生的操作進(jìn)行監(jiān)督，解答學(xué)生實驗過程中遇到的疑問，并對學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行審核；③明確實驗報告要求，要求學(xué)生根據(jù)實驗任務(wù)書的要求，將實驗步驟具體化、詳細(xì)化，統(tǒng)計并分析實驗中記錄的數(shù)據(jù)，并針對出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入分析，提出改進(jìn)意見，鼓勵學(xué)生大膽提出新工藝。

(2) 同學(xué)在實驗課堂中要完成5項任務(wù)。①前期準(zhǔn)備：針對提前發(fā)放的實驗任務(wù)書，明確實驗?zāi)康?，上網(wǎng)查閱資料或者翻閱相關(guān)書籍了解詳細(xì)的實驗原理(課前完成)。例如，混凝法處理高濁度水設(shè)計試驗中，各種混凝劑的混凝原理以及混凝過程中產(chǎn)生現(xiàn)象的原因都是需要在課前查閱資料了解的；而在生活污水處理的實驗設(shè)計中，要求學(xué)生對實驗室中4套主要的處理工藝——活性污泥法、A/O法、電解法和上流式厭氧污泥床反應(yīng)器的每個處理單元的構(gòu)造原理、合適水質(zhì)、處理效果都要了解清楚，并且要熟練掌握污泥的培養(yǎng)馴化以及儀器的啟動條件；②熟悉設(shè)備：第1次課的第1學(xué)時，跟隨老師的講解熟悉實驗設(shè)備的操作原理以及技巧，明確注意事項，及時提出不懂的問題。例如，在酸性廢水過濾中和實驗設(shè)計中使用的儀器是由實驗室老師與同學(xué)共同研發(fā)的一種多聯(lián)環(huán)境工程廢水處理及廢氣治理實驗教學(xué)裝置，包括酸性廢水的中和吹脫、二氧化硫的活性炭吸附和堿液吸附等多個實驗裝置組合起來，學(xué)生需要對實驗裝置的整個運行流程、管路的設(shè)置與氣液流體的走向了解清楚；③討論設(shè)計：第1次課的第2學(xué)時，學(xué)生分小組討論，每組4或5人，進(jìn)行實驗方案的設(shè)計，并提交一份設(shè)計草案于老師審核，根據(jù)老師的建議再改進(jìn)完善，完成一份最終設(shè)計方案。例如在混凝法處理高濁度水設(shè)計試驗中，學(xué)生需要根據(jù)實際情況，討論設(shè)計預(yù)實驗來確定合適的混凝劑投加濃度梯度，以減少后期的工作量；④完成實驗：第2次課同樣以小組為單位，依照設(shè)計方案進(jìn)行實驗，對實驗中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并隨時提出問題、調(diào)整實驗，最終得出一份有研究價值的數(shù)據(jù)單；⑤撰寫報告：除了實驗數(shù)據(jù)分析要具體實事求是之外，還應(yīng)針對實驗數(shù)據(jù)體現(xiàn)出的問題提出改進(jìn)意見以及提供新工藝的可能思路。

3.3 實驗報告

(1) 在實驗報告中可以略寫實驗?zāi)康?、實驗原理及意義、實驗設(shè)備及材料，因為在設(shè)計報告中已經(jīng)詳細(xì)陳述過，不需要重復(fù)贅述。

(2) 對于實際的實驗操作步驟需要詳述，同樣以酸性廢水過濾中和實驗為例：要說明實驗中執(zhí)行的實驗步驟：注明其與原設(shè)計方案存在的區(qū)別，要求詳細(xì)，包括：①測量中和塔尺寸，石灰石量，預(yù)算出水力停留時間；②實驗數(shù)據(jù)記錄表；③實驗方案中要求有判定當(dāng)前流速下測定的出水pH穩(wěn)定性的步驟。

(3) 將重點放在實驗結(jié)果處理及分析上，包括設(shè)計現(xiàn)場實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)記錄表，將要采用的數(shù)據(jù)處理公式，處理方法，允許誤差等。并對實驗結(jié)果展開討論，針對結(jié)果不理想找出原因，對設(shè)計的實驗方案進(jìn)行糾正和補充，這樣同學(xué)們才能真正對實驗產(chǎn)生一個縱向而深入的理解。

(4) 針對實驗過程中查找的資料，按規(guī)定格式標(biāo)明參考書目。

3.4 考核與反饋

3.4.1實驗成績考核

為了規(guī)范、科學(xué)的衡量同學(xué)們的實驗效果，設(shè)立了系統(tǒng)全面的考核制度。從單個實驗來講，考核制度涵蓋了實驗前的預(yù)習(xí)情況、實驗設(shè)計、實驗操作、實驗數(shù)據(jù)及實驗報告5個大方向，其中分值占比最大的是實驗設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)以及實驗報告3個方面[5]，因為實驗設(shè)計最能體現(xiàn)實驗過程中的思考能力與前期投入程度，尤其是對創(chuàng)新點的發(fā)掘起很大作用；而實驗數(shù)據(jù)可以反映實驗操作的準(zhǔn)確性；實驗報告可以讓老師對同學(xué)們的實驗有一個整體了解。

3.4.2充分發(fā)揮探究小組先試先行的作用

為了驗證實驗教學(xué)改革新方法實行效果，老師在2017年環(huán)境工程專業(yè)中選出7人成立“探究小組”。探究小組作為溝通橋梁，把老師的任務(wù)與要求及時發(fā)布下去，并作為同學(xué)們一個反饋渠道，把實驗中的問題與改進(jìn)意見及時反映給老師，并協(xié)助老師整合其中產(chǎn)生一些教學(xué)成果，有助于教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整[6]。

(1) 探究小組在常規(guī)實驗課程開展之前，先進(jìn)行預(yù)實驗。例如在堿液吸收二氧化硫?qū)嶒炚n程開展之前，先有探究小組成員提前設(shè)計并實行實驗，熟悉實驗室自主研發(fā)的“組合式環(huán)境工程廢水處理及廢氣治理實驗教學(xué)裝置”中的“堿液吸收二氧化硫系統(tǒng)”部分，通過反復(fù)實驗確定合適的二氧化硫混合比例(合適的二氧化硫流速得到效果更明顯的檢測效果)，確定裝置哪些不必要的管道閥門會對實驗過程產(chǎn)生影響(在正式實驗開始之前將影響因素排除)，總結(jié)實驗過程中需要注意的細(xì)節(jié)。在實驗開始時，將探究小組成員分散到各個討論組中，對同學(xué)們討論進(jìn)行積極的引導(dǎo)，并輔助同學(xué)熟悉實驗器材，對實驗的細(xì)節(jié)隨時提醒，輔助老師完成實驗教學(xué)。實驗結(jié)束后，將同學(xué)們實驗過程中遇到的流程或者是器材方面的問題進(jìn)行總結(jié)，反饋給老師，協(xié)助老師對教學(xué)科研成果進(jìn)行整合。這樣，實驗的教學(xué)改革效果也可以得以體現(xiàn)，同時在老師和同學(xué)之間起到溝通作用，教學(xué)改革內(nèi)容也可以隨時更新，隨時跟進(jìn)，形成一種良性循環(huán)。

(2) 環(huán)境工程專業(yè)在常規(guī)實驗課程之余，探究小組還可以開展開放性實驗。與課程中的常規(guī)實驗不同，開放性實驗更具有實踐性和體驗性，以探究小組成員為主，向全校學(xué)生發(fā)起邀請，一起參與到開放性試驗中來。以“食堂污水檢測開放性實驗”為例，以實驗課老師牽頭，探究小組成員帶志愿者分兩隊到學(xué)校兩個不同的食堂采集處理前的廢水，在水樣采集過程中，帶領(lǐng)大家熟悉水樣采集的方法，將水樣帶回實驗室測量BOD、COD等數(shù)據(jù)指標(biāo)，由實驗小組成員帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)各個實驗儀器的操作方法，以及對應(yīng)的分析方法。選擇合理的污水處理設(shè)備，向大家普及各種不同的處理設(shè)備以及相應(yīng)的處理試用水樣和處理效果[7]。經(jīng)過開放性實驗，探究小組成員也學(xué)習(xí)并掌握了對應(yīng)的檢測儀器以及分析方法，這是在以后的科研或者工作中會經(jīng)常遇到的，同時實踐性強的開放性實驗也增強小組成員的實踐操作能力，提高了務(wù)實意識。

(3) 探究小組還能給實驗設(shè)備的研發(fā)提供一些改進(jìn)思路。例如在酸性廢水和過濾實驗中，同學(xué)們普遍出現(xiàn)處理效果不理想的現(xiàn)象，探究小組通過討論發(fā)現(xiàn)二氧化碳吹脫塔的填料浮動過大，可能對實驗結(jié)果產(chǎn)生了較大影響，在查閱資料和討論過后，提出可以在填料層上增加1層壓實網(wǎng)，給填料提供一定向下的壓力，減弱因為填料浮動而造成的二氧化碳吹脫不徹底的影響。這些思路可在實驗設(shè)備的研發(fā)中提供參考。

4 實踐效果

在實驗教學(xué)新模式下同學(xué)們獲益良多。課前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中，學(xué)生不再依賴于以往實驗指導(dǎo)說明書，而是自主搜集資料，了解實驗原理，在查閱各種不同文獻(xiàn)的過程中，進(jìn)行比對，對整個現(xiàn)有的實驗體系有了一個全面的認(rèn)知，同時也更能發(fā)現(xiàn)實驗中的局限性以及可以改進(jìn)突破的創(chuàng)新點，課上的理論知識不僅得到深層次的鞏固，并且得到了靈活的運用。同時在熟悉儀器過程中，給同學(xué)提供了很多以后工作或者研究中需要用到的儀器使用方法，是很好的學(xué)習(xí)機會。小組討論設(shè)計讓大家的思維都運轉(zhuǎn)起來，每個人的思路都得到了小組其他成員的評價，明確了同學(xué)們自己的思維缺陷以及認(rèn)知不足，是很好的查漏補缺的機會，學(xué)生在討論過程中出現(xiàn)的問題及時得到解決，新的改進(jìn)思路也可以得到很好的延展。同時，在實驗過程中，同學(xué)們的動手能力得到鍛煉，突發(fā)事件的應(yīng)急處理能力得到提高。在將實驗設(shè)計方案付諸于實踐的過程中會遇到各種困難，同學(xué)們獨立思考以及互助協(xié)作是一個很有意義的過程。實驗報告的撰寫，提高了同學(xué)的數(shù)據(jù)處理分析能力，從問題中分析可能出現(xiàn)的原因，并針對其原因提出解決的建議及辦法，有助于增強獨立思考解決問題的能力，也有助于實驗教學(xué)的完善[8]。

新的探究小組成立使實驗教學(xué)改革更加可行、穩(wěn)妥，作為一種全新的反饋機制，同學(xué)和老師之間溝通更加方便了，老師的教學(xué)任務(wù)得到減輕，同學(xué)們也有了更大的思維空間與創(chuàng)新余地，同學(xué)與老師逐漸成為一個緊密的整體。

5 結(jié) 語

到目前為止，教學(xué)實驗改革涵蓋了實驗任務(wù)書的出臺，教學(xué)內(nèi)容自主化，探究小組成立并成功運轉(zhuǎn)，實驗教學(xué)的新模式已經(jīng)逐漸形成體系，得到同學(xué)們的一致好評。但是在不斷地摸索中走出來的新路還需更多的例子來證明其可行性，同時仍存在許多需要改進(jìn)的地方，在今后的教學(xué)中，還要為進(jìn)一步完善該探索中的實驗教學(xué)新模式、新體系而繼續(xù)努力。