基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的環(huán)境工程綜合實驗內(nèi)容改革*

熊 玲，陳紹華，程 聰

(中南民族大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

環(huán)境工程專業(yè)是一門應(yīng)用性和實踐性很強的綜合性交叉學(xué)科，本科工程教育的基本定位是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性地“解決復(fù)雜工程問題”的能力，將創(chuàng)新能力培養(yǎng)融入環(huán)境工程專業(yè)實踐教學(xué)全過程，不僅能提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，而且滿足新時期復(fù)合型人才的需求[1]。

培養(yǎng)學(xué)生“解決復(fù)雜工程問題”的能力，體現(xiàn)了環(huán)境工程專業(yè)應(yīng)用性和實踐性的特點，這也是工程教育認證的主要目標[2]。而在環(huán)境工程人才培養(yǎng)過程中，實踐課程是實現(xiàn)“解決復(fù)雜工程問題”的重要載體，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的重要途徑[3-4]。因此，通過實踐教學(xué)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜工程問題能力是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量重要途徑，已成為高校環(huán)境工程專業(yè)亟待解決的人才培養(yǎng)問題。

環(huán)境工程綜合實驗是一門重要的綜合性實驗課程，是將《環(huán)境工程原理》、《水污染控制工程》、《大氣污染控制工程》、《固體廢棄物處理與處置工程》等核心課程的理論知識融于一體后開設(shè)的實驗教學(xué)課程[5]，對學(xué)生創(chuàng)新能力和“解決復(fù)雜工程問題”能力的培養(yǎng)具有重要的作用。我校特別重視環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)，2015年，以環(huán)境工程專業(yè)工程認證和新工科建設(shè)為契機，學(xué)院完成了實驗室資源整合與布局優(yōu)化，打造了支撐本科教學(xué)質(zhì)量提升和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的標準化、規(guī)范化實驗室，并對儀器設(shè)備進行更新?，F(xiàn)有水污染控制工程實驗室、大氣污染控制工程實驗室、固體廢棄物處理與處置實驗室，虛擬仿真實驗室等13個實驗室，總面積達1600 m2，還單獨設(shè)立了300 m2的環(huán)境工程綜合實驗室，實驗室中擁有高效液相色譜儀、原子吸收光譜儀、氣相色譜儀、傅里葉紅外光譜儀、總有機碳測定儀等一批大型儀器。同時對實驗內(nèi)容進行更新，將全國工程應(yīng)用競賽單元和自動化控制程序、無人機監(jiān)測、虛擬仿真等內(nèi)容融于教學(xué)中，并將教師和企業(yè)合作的應(yīng)用科研成果或新的研究方法編寫成綜合實驗內(nèi)容，并出版實驗教材《環(huán)境工程專業(yè)實驗——基礎(chǔ)、綜合&設(shè)計》一部，不僅豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，而且很好地培養(yǎng)了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。近年來，環(huán)境工程專業(yè)在實踐教學(xué)中通過一系列改革與嘗試，已經(jīng)構(gòu)建了一套基于“設(shè)計-研究-創(chuàng)新”循序漸進、多階段式的實驗教學(xué)新體系，極大地促進了學(xué)生創(chuàng)新能力和“解決復(fù)雜工程問題”的能力，這對提高教育質(zhì)量，增強畢業(yè)生的就業(yè)競爭力具有重要的作用。因此，筆者結(jié)合目前學(xué)校環(huán)境工程專業(yè)綜合實驗的教學(xué)實踐，對綜合實驗的內(nèi)容改革以及下一步的設(shè)想進行了探討。

1 環(huán)境工程綜合實驗內(nèi)容改革

1.1 綜合實驗內(nèi)容設(shè)置突出“學(xué)生為主”的原則

綜合實驗內(nèi)容在前期的基礎(chǔ)上進行更新，進一步突出以“學(xué)生為主、教師為輔”的原則。例如生物接觸氧化法處理有機工業(yè)廢水實驗中，改革前，實驗老師把活性污泥準備好，設(shè)備連接好，學(xué)生只是進行實驗操作和水質(zhì)參數(shù)(COD和氨氮)的測定。而進行創(chuàng)新能力培養(yǎng)改革后，活性污泥的取樣與馴化、活性污泥生物相的觀察、污泥沉降比的測定、設(shè)備管道的鏈接、反應(yīng)器的啟動和運行、COD和氨氮的測定都要求學(xué)生自己完成。例如有機污染物的生物降解度的測定，以前是實驗老師把前期工作都準備好，實驗過程中學(xué)生只是利用儀器測定有機污染物的濃度，而進行創(chuàng)新改革后，有機污染物濃度測定方法的選擇和建立、活性污泥的取樣、活性污泥濃度(MLSS)的測定、活性污泥的馴化、培養(yǎng)都要求學(xué)生自己設(shè)計并完成，這樣可以充分調(diào)動學(xué)生實驗的興趣、熱情，增強學(xué)生專業(yè)知識的綜合運用能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1.2 綜合實驗內(nèi)容設(shè)置突出“教學(xué)和科研的統(tǒng)一”

通過將老師承擔的科研項目與綜合實驗相結(jié)合，不僅豐富和更新了實驗內(nèi)容，提高了學(xué)生實驗的積極性，而且提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時又解決教師科研人手不足的問題，還有利于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的申報[6]。例如將國家科技支撐計劃項目“電解錳廢渣資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范”中的相關(guān)研究內(nèi)容轉(zhuǎn)化為綜合實驗內(nèi)容，學(xué)生積極主動參與到實驗過程中，并申報大學(xué)生創(chuàng)新課題，其中一項研究成果《一種高效資源化處理電解錳渣實現(xiàn)減排的方法》獲得湖北省“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎。通過這一類綜合實驗，鍛煉了學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，最終可以實現(xiàn)“教學(xué)帶動科研，科研反哺教學(xué)”，教學(xué)和科研協(xié)調(diào)發(fā)展。

1.3 綜合實驗內(nèi)容設(shè)置突出“創(chuàng)新”的原則

創(chuàng)新性實驗不設(shè)定具體實驗內(nèi)容，沒有預(yù)期實驗結(jié)果，完全由學(xué)生主導(dǎo)，學(xué)生自己查閱相關(guān)資料、設(shè)計實驗方案、選擇合適的設(shè)備單元組成實驗系統(tǒng)、連接系統(tǒng)、設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、調(diào)試系統(tǒng)、并分析和處理實驗數(shù)據(jù)、評價實驗效果，并對實驗進行總結(jié)。在此過程中教師不干預(yù)學(xué)生實驗，只對學(xué)生在實驗中遇到的問題提出建議，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、分析問題、解決問題能力以及創(chuàng)新能力。例如2018年我院從浙江天煌科技實業(yè)有限公司采購了兩臺套全國工程應(yīng)用競賽單元和自動化控制程序供學(xué)生開展創(chuàng)新性綜合實驗使用。該產(chǎn)品主要由供水系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計主要集中在污水處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

污水處理系統(tǒng)包括格柵調(diào)節(jié)池、沉砂池、沉淀池、A2/O生物反應(yīng)池、MBR膜生物反應(yīng)池、SBR-1池、SBR-2池、二沉池、砂濾柱、吸附柱、加藥池、計量泵、曝氣設(shè)備以及自動檢測設(shè)備(溶解氧、氧化還原電位、pH)等設(shè)備單元?？刂葡到y(tǒng)主要由電氣控制柜、漏電保護器、觸摸屏、旋鈕開關(guān)、工作狀態(tài)指示燈、PLC可編程控制器、組態(tài)監(jiān)控軟件等組成。

在綜合實驗時，實驗指導(dǎo)老師只給定廢水中污染物的種類、污染物的濃度以及出水水質(zhì)要求，學(xué)生可以根據(jù)老師給定的污水性質(zhì)以及出水水質(zhì)要求等設(shè)計一套完整的污水處理方案，然后從中選擇其合適的處理單元進行組合，并對設(shè)備單元進行連接，組成污水處理系統(tǒng)，然后通過編制PLC控制程序，以實現(xiàn)對各設(shè)備及單元進行自動控制，最后通過參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)調(diào)試，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，驗證設(shè)計方案是否可行，并通過實驗結(jié)果給出。污水處理系統(tǒng)中不僅可以對設(shè)備單元進行組合、還可以對設(shè)備單元進行改裝，例如有學(xué)生設(shè)計采用“混凝沉淀+MBR”的組合處理工藝對城鎮(zhèn)污水進行深度處理時，首先，將原賽項平臺的SBR-1池改裝成混凝混合池，由于混合所需要的時間很短，在30 s～2 min之間，而原來的SBR-1池橫截面較大，作為混合池后，水深比較淺，原攪拌器攪拌軸過短，因此為了起到好的混合作用，學(xué)生進一步將原攪拌軸進行了加長處理。并根據(jù)混合的需要，對調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速進行適當調(diào)整。其次，將原賽項平臺的SBR-2池改裝成混凝反應(yīng)池而成，并根據(jù)反應(yīng)階段的攪拌機轉(zhuǎn)速的要求，對調(diào)速電機進行轉(zhuǎn)速調(diào)整。再次，將由原賽項平臺的沉砂池進行改裝加入斜板，可以顯著提高了沉淀分離效率，獲得了很好的實驗結(jié)果。該類實驗要求學(xué)生能對A2/O、MBR、SBR生物處理工藝的有很好的理解，通過該類實驗的訓(xùn)練學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新能力都得到了培養(yǎng)。

2 環(huán)境工程綜合實驗改革的進一步設(shè)想

環(huán)境工程綜合實驗由于實驗設(shè)備臺套數(shù)的限制，還是分小組進行(每小組5～6人)，學(xué)生沒有積極參與實驗之中，這不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，可以考慮增加實驗設(shè)備臺套數(shù)或是延長實驗安排時間來，最后實現(xiàn)每小組2人左右。另外，目前環(huán)境工程綜合實驗成績評定方式不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的評價，如何考察學(xué)生的創(chuàng)新能力和“解決復(fù)雜工程問題”的能力是目前環(huán)境工程綜合實驗急需解決的問題。建議綜合實驗成績分兩部分：小組成績和個人成績[7]。小組成績主要考察整個實驗方案的合理性、實驗結(jié)果的可靠性。個人成績主要考察個人在具體方案設(shè)計和實驗操作中承擔的具體任務(wù)。成績評定主要由5～6名老師組成專家組，由學(xué)生答辯(包括實驗方案設(shè)計、實驗方案的把握程度、實驗操作的熟練程度以及實驗結(jié)果的可靠性等方面)，由教師根據(jù)學(xué)生在實驗中的綜合表現(xiàn)給出相應(yīng)成績。

3 結(jié) 語

培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力，發(fā)展以創(chuàng)新能力為核心的全面素質(zhì)教育是當前高校人才培養(yǎng)的核心任務(wù)之一。環(huán)境工程綜合實驗是環(huán)境工程專業(yè)重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實踐能力的重要途徑。我校環(huán)境工程專業(yè)已經(jīng)構(gòu)建了一套基于“設(shè)計-研究-創(chuàng)新”循序漸進、多階段式的實驗教學(xué)新體系，極大地提高了學(xué)生的實驗興趣、創(chuàng)新能力和“解決復(fù)雜工程問題”的能力，這對提高教育質(zhì)量，增強畢業(yè)生的就業(yè)競爭力具有重要的作用。