《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》課程教研一體化模式探索

宜堅(jiān)堅(jiān)

揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)力的提高，化石燃料的過度開采使用，人類社會(huì)對生態(tài)環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重，環(huán)境保護(hù)事業(yè)逐漸成為國家和社會(huì)的關(guān)注重點(diǎn)，環(huán)境治理需求不斷上升，環(huán)保產(chǎn)業(yè)也得到了迅速發(fā)展。據(jù)研究分析，環(huán)境保護(hù)行業(yè)的發(fā)展，除了制定法規(guī)、強(qiáng)化管理外，還需依賴于先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和優(yōu)良的專業(yè)裝備。作為環(huán)境專業(yè)（環(huán)境科學(xué)與工程、環(huán)保設(shè)備等）的一門核心課程，《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》詳細(xì)闡述了目前國內(nèi)外各種主要環(huán)境污染末端治理設(shè)備的原理和設(shè)計(jì)問題，來加深學(xué)生對各種環(huán)境污染治理問題的認(rèn)識與理解，滿足目前對環(huán)境污染治理工程實(shí)際對較高層次從業(yè)人才的需要。該課程主要講授的內(nèi)容包括水處理設(shè)備原理與設(shè)計(jì)、大氣污染控制技術(shù)與設(shè)備和環(huán)境污染控制通用配套設(shè)備等方面。通過該課程的講授，將有助于環(huán)境專業(yè)相關(guān)學(xué)生能夠理解學(xué)習(xí)工藝與設(shè)備之間的辯證關(guān)系、促進(jìn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合、學(xué)習(xí)掌握國內(nèi)外先進(jìn)的環(huán)保設(shè)備有關(guān)技術(shù)、培養(yǎng)起科學(xué)的工程概念和理論創(chuàng)新意識。

一、《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》課程教學(xué)現(xiàn)狀及問題

從環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域所涉及的培養(yǎng)體系來看，對環(huán)保設(shè)備專門人才的培養(yǎng)仍處于發(fā)展的起步階段，并存在一系列的問題。例如，學(xué)生對于課程學(xué)習(xí)過分停留在書本知識的掌握，許多環(huán)境專業(yè)學(xué)生到畢業(yè)甚至沒有接觸過環(huán)保設(shè)備的實(shí)體；學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足，不清楚環(huán)保設(shè)備相關(guān)的具體前沿科技和應(yīng)用場景，認(rèn)為所學(xué)知識在將來的就業(yè)上無用武之地；高校教師對學(xué)生的專業(yè)引導(dǎo)不足，而將更多的精力投入到學(xué)術(shù)論文的發(fā)表和科研項(xiàng)目的申請上。如何通過有效的教學(xué)方法改革解決上述問題，是《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》這門課程發(fā)展亟待解決的一大關(guān)鍵問題。因此，本文將以揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生為研究對象，設(shè)計(jì)構(gòu)思一種教學(xué)、實(shí)踐、科研一體化的教學(xué)模式，以期提出一種合理可行的方法解決高等院校在《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》課程中的相關(guān)問題，有望幫助學(xué)生將所學(xué)的課堂知識進(jìn)一步鞏固、促進(jìn)理論學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，并培養(yǎng)和鍛煉繼續(xù)從事科研工作的素養(yǎng)與基礎(chǔ)。

（一）理論教學(xué)方面

《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》課程共有32學(xué)時(shí)，理論內(nèi)容主要有處理設(shè)備原理與設(shè)計(jì)、大氣污染控制技術(shù)與設(shè)備、環(huán)境污染控制通用及配套設(shè)備四大部分。其中大部分時(shí)間用于環(huán)保設(shè)備原理的講解，學(xué)生對于工藝原理和基本結(jié)構(gòu)等知識了解較深。但在固定的學(xué)時(shí)下，學(xué)生很難僅從書本上就學(xué)習(xí)到設(shè)備的操作和運(yùn)行方法。以本課程中重要的知識點(diǎn)離心泵為例，大多數(shù)學(xué)生能簡單說出其工作原理和操作過程中的注意事項(xiàng)，但是卻連動(dòng)手操作甚至認(rèn)識各類設(shè)備的能力都沒有。學(xué)生“被動(dòng)式”“填鴨式”地接受課堂上的知識，這也進(jìn)一步減弱了學(xué)生對于學(xué)習(xí)本課程的興趣。隨著國內(nèi)外的環(huán)保體系的發(fā)展與進(jìn)步以及對外交往的日益增強(qiáng)，環(huán)保設(shè)備也在不斷升級，陳舊的教材也難以滿足教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)的需要，相關(guān)教學(xué)內(nèi)容往往只能靠課程組教師及時(shí)更新，存在一定的局限性，亟待開展有效的方法進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

（二）實(shí)踐教學(xué)方面

《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》課程的實(shí)踐部分目前主要是關(guān)注在課程中的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生掌握環(huán)保設(shè)備中一些典型構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)步驟和基本原則等。該課程教學(xué)中主要存在以下問題：

1.設(shè)計(jì)過程中往往是在教師提供了具體參數(shù)的基礎(chǔ)上完成，使得學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力被削弱。同時(shí)，學(xué)生對于構(gòu)筑物參數(shù)的了解浮于表面，“只知其然，不知其所以然”。學(xué)生們無法因地制宜，根據(jù)場地的變化對構(gòu)筑物進(jìn)行調(diào)整。

2.設(shè)計(jì)過程中對學(xué)生們構(gòu)筑物的圖紙要求僅僅停留在手繪的二維平面圖上，缺少對于例如Auto CAD之類新型繪圖軟件的操作和培訓(xùn)要求。

3.設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，學(xué)生們更加注重計(jì)算環(huán)節(jié)，缺少對于參數(shù)的理解，導(dǎo)致學(xué)生難以理解設(shè)計(jì)的本質(zhì)原理。如何使繁瑣計(jì)算之外的知識單元被學(xué)生們長期保留，是我們應(yīng)該思考的問題。

目前，實(shí)踐教學(xué)的具體內(nèi)容僅僅關(guān)注于設(shè)計(jì)層面仍然存在很大的局限性，學(xué)生的課程設(shè)計(jì)本質(zhì)上還是停留在書面工作，而缺乏對實(shí)際設(shè)備和相關(guān)工作環(huán)境的了解。

（三）科學(xué)研究方面

盡管《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》課程是一個(gè)偏重于工程方面的課程，但是課程中涉及許多重要的基本原理。例如，在基于芬頓法發(fā)展的環(huán)保設(shè)備中，相關(guān)設(shè)備均是建立在芬頓法相關(guān)的基本科學(xué)原理基礎(chǔ)上的，設(shè)備的更新、維護(hù)、升級更是依賴于對基礎(chǔ)理論的理解。然而，單一的課本教學(xué)過于抽象，學(xué)生對設(shè)備的相關(guān)設(shè)計(jì)原理和參數(shù)設(shè)置缺乏個(gè)人理解。這方面能力的提升，需要學(xué)生建立一定的科研思維和掌握一定的科研方法，相關(guān)基本科研素質(zhì)的培養(yǎng)在課程教學(xué)中也占據(jù)了重要地位。同時(shí)，畢業(yè)升學(xué)后繼續(xù)攻讀碩士學(xué)位也已成了大量環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)生的首選，本科階段對相關(guān)科研能力的培養(yǎng)可以為后續(xù)發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

課程學(xué)習(xí)中相關(guān)科研能力和思維鍛煉的不足，使得相關(guān)專業(yè)對知識的掌握仍然存在一些局限性，導(dǎo)致學(xué)生不能夠敏銳地發(fā)現(xiàn)問題也難以找出解決問題的辦法，導(dǎo)致現(xiàn)在的學(xué)生普遍存在“提不出問題也沒有問題”現(xiàn)象。這反映了他們科研思維的缺失，也不利于后續(xù)的個(gè)人發(fā)展。通過本科階段課程學(xué)習(xí)過程中的強(qiáng)化學(xué)生基本科研素養(yǎng)，可能是解決這方面問題的有效途徑。

二、《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》課程中教學(xué)、實(shí)踐、科研一體化教學(xué)的思路

（一）理論教學(xué)建設(shè)

理論教學(xué)是高等教學(xué)教育的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和知識傳播的最主要途徑，理論教學(xué)是影響整體教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。本文中所提出的教學(xué)建設(shè)主要針對兩方面展開，分別是使用教材建設(shè)和軟件操作培訓(xùn)。

1.使用教材建設(shè)

目前《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》使用的教材是高等普通教育“十一五”國家級規(guī)劃教材，側(cè)重講述一些典型污水處理設(shè)備的設(shè)計(jì)和原理，但是教材存在關(guān)聯(lián)性較弱、實(shí)際操作方面內(nèi)容缺乏等問題。為了彌補(bǔ)這方面的短板，本文考慮在原有教材的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步選擇優(yōu)質(zhì)的輔助性教材對相關(guān)缺乏的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和理解相關(guān)原理和設(shè)計(jì)方法，并且能夠與時(shí)俱進(jìn)學(xué)習(xí)到近年來最新技術(shù)進(jìn)展。教材類的選擇主要包括中石化出版社出版的《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》（用于強(qiáng)化相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)知識和補(bǔ)充最新技術(shù)進(jìn)展）、中國建筑工業(yè)出版社出版的《水處理技術(shù)設(shè)備手冊》（用于學(xué)生查詢了解具體設(shè)備的細(xì)化操作方法和原理）等。在保持原教材思路的基礎(chǔ)上，在輔助性教材中選擇具有補(bǔ)充性、時(shí)代性和具有更細(xì)化講解的知識內(nèi)容，對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，有望強(qiáng)化理論教學(xué)質(zhì)量。

2.軟件操作培訓(xùn)

通過軟件設(shè)計(jì)環(huán)保設(shè)備的任務(wù)布置強(qiáng)化學(xué)生設(shè)計(jì)水平和軟件操作能力。指導(dǎo)老師選擇幾種簡單典型的環(huán)保設(shè)備，將學(xué)生分組形成若干個(gè)團(tuán)隊(duì)，指導(dǎo)學(xué)生對環(huán)保設(shè)備進(jìn)行三維繪圖設(shè)計(jì)，并有針對性地提出一些改進(jìn)方案，要求學(xué)生根據(jù)方案調(diào)整相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)，并通過相關(guān)軟件繪圖及說明書附注的方式讓學(xué)生們在課堂上學(xué)習(xí)的知識能夠?qū)W有所用，與現(xiàn)實(shí)接軌，滿足企業(yè)對人才的需要。同時(shí)，增加三維繪圖要求，讓學(xué)生們加強(qiáng)對三維繪圖軟件如CAD等的了解，也進(jìn)一步加深學(xué)生們對于環(huán)保設(shè)備的了解。

（二）理論實(shí)踐建設(shè)

實(shí)踐教學(xué)是在理論教學(xué)建設(shè)基礎(chǔ)上的重要教學(xué)內(nèi)容，可以促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)習(xí)的理論知識有效轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力，是《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》課程教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。為了強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)效果，本文主要提出補(bǔ)充加強(qiáng)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，包括課程設(shè)計(jì)和環(huán)保設(shè)備公司實(shí)習(xí)等。

1.環(huán)保設(shè)備公司實(shí)習(xí)

通過生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)境強(qiáng)化學(xué)生對環(huán)保設(shè)備的具體了解。教授該課程的老師可前往江蘇省宜興市環(huán)保設(shè)備產(chǎn)業(yè)園進(jìn)行調(diào)研與合作，發(fā)現(xiàn)與課本中內(nèi)容相關(guān)性較高的具體環(huán)保設(shè)備和場地，并與廠家協(xié)商帶領(lǐng)學(xué)生到場進(jìn)行為期2～3天的實(shí)地實(shí)習(xí)。在實(shí)習(xí)過程中，主要任務(wù)可以分為以下幾個(gè)方面：（1）跟隨工廠員工進(jìn)行一線生產(chǎn)操作，做到每個(gè)學(xué)生能夠上手操作一次環(huán)保設(shè)備，將抽象的書本知識與實(shí)體設(shè)備相關(guān)聯(lián)；（2）理解環(huán)保設(shè)備運(yùn)行操作過程中每一個(gè)步驟環(huán)節(jié)的原理，嘗試發(fā)現(xiàn)目前產(chǎn)業(yè)化環(huán)保設(shè)備與理論教學(xué)上的差異，并大膽提出一些改進(jìn)方法；（3）將實(shí)習(xí)期間關(guān)于企業(yè)生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行、污染物處理、過程環(huán)節(jié)管理等方面的學(xué)習(xí)所得和認(rèn)為存在的問題形成紙質(zhì)版的實(shí)習(xí)報(bào)告，成為課程考核成績的一部分。

2.課程設(shè)計(jì)

在充分的理論學(xué)習(xí)和環(huán)保公司實(shí)習(xí)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對相關(guān)知識投入到實(shí)際應(yīng)用的能力。通過開設(shè)課程設(shè)計(jì)的方式，鍛煉學(xué)生在簡單的環(huán)保設(shè)備設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和繪圖方面的能力。主要任務(wù)可以歸納為下：針對一個(gè)小型污水處理廠為例，教師提供一個(gè)簡單的環(huán)保設(shè)備初步方案，學(xué)生需要在此基礎(chǔ)上對設(shè)備的部件進(jìn)行合理的構(gòu)建組裝，計(jì)算具體反應(yīng)器尺寸，設(shè)計(jì)配電、供料和進(jìn)出水渠道等，繪制出相關(guān)設(shè)備的三視圖，并附注形成相關(guān)的說明書，完成相關(guān)設(shè)計(jì)。對于進(jìn)一步的培養(yǎng)，可以在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不提供具體參數(shù)，轉(zhuǎn)而提供具體的實(shí)際工程案例，讓學(xué)生們能因地制宜，根據(jù)不同的現(xiàn)實(shí)案例對于構(gòu)筑物進(jìn)行調(diào)整，鍛煉他們將理論設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí)因素靈活結(jié)合的能力。

（三）科研培訓(xùn)建設(shè)

對于在《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》課程中加入科研培養(yǎng)建設(shè)環(huán)節(jié)，主要是基于兩點(diǎn)考慮。第一，環(huán)保設(shè)備的設(shè)計(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)是建立在基礎(chǔ)科學(xué)理論上的，科研思維的培養(yǎng)對于有效發(fā)展學(xué)生辯證思維模式，開拓視野和思路；第二，環(huán)境專業(yè)相關(guān)本科生畢業(yè)后繼續(xù)攻讀碩士學(xué)位已經(jīng)成為許多學(xué)生的首選，因此在本科期間就結(jié)合課程開展相關(guān)科研培養(yǎng)，有利于為學(xué)生提前打好一定基礎(chǔ)。本課程的科研培養(yǎng)建設(shè)主要分為前沿文獻(xiàn)調(diào)研和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作培養(yǎng)兩個(gè)部分。

1.前沿文獻(xiàn)調(diào)研能力培養(yǎng)

在本課程教學(xué)的過程中，一方面，課本知識的內(nèi)容存在一定滯后性；另一方面，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中也存在自主調(diào)研科研文獻(xiàn)能力培養(yǎng)的需要。因此，教師需要教授學(xué)生相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研的能力，系統(tǒng)介紹文獻(xiàn)調(diào)研渠道，如中文數(shù)據(jù)庫的中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫，英文數(shù)據(jù)的Web Of Science、谷歌學(xué)術(shù)等，促進(jìn)學(xué)生掌握如何根據(jù)自己的需求查閱相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)。在教授相關(guān)方法的基礎(chǔ)上，布置一些有關(guān)關(guān)鍵詞和環(huán)保設(shè)備，要求學(xué)生能夠?qū)﹂_創(chuàng)性的經(jīng)典文獻(xiàn)和最新的前沿文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研、歸納和分享。相關(guān)教學(xué)的完成將有助于鍛煉學(xué)生調(diào)研前沿知識、歸納整理素材、形成知識網(wǎng)絡(luò)的能力。

2.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作能力培養(yǎng)

以基于芬頓法的水污染處理環(huán)保設(shè)備為例，介紹環(huán)保設(shè)備運(yùn)行背后的基本科學(xué)原理及設(shè)備參數(shù)條件設(shè)置背后的優(yōu)化思路。在指導(dǎo)老師或?qū)W院相關(guān)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建小試體系，以FeSO4為芬頓試劑、染液和抗生素為目標(biāo)污染物，通過燒杯實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)保設(shè)備運(yùn)行中的降解和檢測分析過程。培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)操作能力，鍛煉學(xué)生對常規(guī)實(shí)驗(yàn)室檢測器材的使用能力。針對復(fù)雜的水體環(huán)境，指導(dǎo)學(xué)生對芬頓反應(yīng)過程中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的嘗試，具體參數(shù)可包括：投料量、初始pH酸堿度、雜質(zhì)離子影響、污染物濃度等。布置學(xué)生相關(guān)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生能夠獨(dú)立完成小試的燒杯實(shí)驗(yàn)的全過程，從而強(qiáng)化對書本知識理論的理解，規(guī)范科研實(shí)驗(yàn)過程中的基本操作，拓展對相關(guān)領(lǐng)域研究方面的視野，提高設(shè)計(jì)研發(fā)和條件優(yōu)化能力。

三、結(jié)論

在本科生的培養(yǎng)過程中，《環(huán)保設(shè)備原理與設(shè)計(jì)》尤為重要。然而，當(dāng)前階段該課程的相關(guān)教學(xué)成果仍然難以滿足實(shí)際發(fā)展需要。通過對課程建設(shè)模式的探索，本文提出一種教學(xué)、實(shí)踐和科研一體化的課程模式改革思路，對未來的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐提出了一些改革規(guī)劃和展望，以期通過該模式的運(yùn)行，取得教學(xué)成果的進(jìn)步，有望促進(jìn)學(xué)生對理論知識的理解、實(shí)踐能力的提升及科研素養(yǎng)的培育。同時(shí)，本文提出的課程改革思路有望對類似課程的改革提供一定的思路和參考。