階梯遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)法在固體廢物處理與處置實(shí)驗(yàn)課中的應(yīng)用與實(shí)踐

＊鄭蘭蘭 郭黎 黃炎杰 高樹梅 趙國華

（1.嘉興學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院 浙江 314001 2.浙江暢維環(huán)境工程有限公司 浙江 314001 3.浙江省環(huán)境工程有限公司 浙江 310012）

據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全國196個(gè)大、中城市2019年一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量為13.8億噸，生活垃圾產(chǎn)生量為23560.2萬噸，由于固體廢棄物處理不當(dāng)所引發(fā)的環(huán)境污染問題，也對社會(huì)生產(chǎn)、人們生活和生態(tài)穩(wěn)定帶來極大影響，加強(qiáng)固體廢物處置利用迫在眉睫[1]。因此，黨中央、國務(wù)院高度重視固體廢物污染環(huán)境防治工作，“十三五”期間，修訂發(fā)布了《固體廢物污染環(huán)境防治法》，創(chuàng)新性開展“無廢城市”建設(shè)，多措并舉推進(jìn)工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域固體廢物減量化、資源化、無害化，固體廢物污染防治水平大幅提升[2]。

隨著科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)不斷快速發(fā)展，社會(huì)對創(chuàng)新型人才的需求越來越多[3]，既要求高校培養(yǎng)的學(xué)生不僅具有深厚的理論專業(yè)知識，同時(shí)為了順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展要求，各大高校也在大力培養(yǎng)科技人才，激發(fā)自主創(chuàng)新能力。這也就要求我們在培養(yǎng)高端型化學(xué)學(xué)科科技人才的前提一定要立足于基礎(chǔ)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΓA(chǔ)專業(yè)技能和科研素養(yǎng)[4]。

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的根本途徑，是理論與實(shí)踐、知識與能力的融合點(diǎn)。以往傳統(tǒng)模式的教學(xué)中，老師介紹實(shí)驗(yàn)的原理、目的、方法步驟，準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)材料，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析結(jié)果，形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告[5-6]。此過程中，學(xué)生難以靈活地運(yùn)用理論知識于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中，不利于學(xué)生的自主思考、探索和創(chuàng)新。這種模式下，學(xué)生雖然獲得了學(xué)分，但忽略了實(shí)驗(yàn)的真正目的和意義，導(dǎo)致學(xué)生缺乏成就感。因此，改變單一的、以演示和驗(yàn)證為主的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)是新時(shí)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趨勢[7]。

1.實(shí)驗(yàn)改革與成效

針對以上傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式地局限性，作者選取了《固體廢物處理與處置》這門實(shí)驗(yàn)課為研究對象，將階梯遞進(jìn)式的綜合性模式引入到《固體廢物處理與處置》這門實(shí)驗(yàn)中，所謂階梯遞進(jìn)是指在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)時(shí)，將其難度設(shè)計(jì)為由易—較難—難的層層遞進(jìn)模式[8]，其優(yōu)點(diǎn)是讓學(xué)生在完成簡單的任務(wù)過程中，看到成就，體驗(yàn)成功，培養(yǎng)和激勵(lì)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性，樹立學(xué)生的信心。在此基礎(chǔ)上，去完成較難的任務(wù)，并適時(shí)對學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)和引導(dǎo)，開展討論，能讓學(xué)生感到自我的不足，有助于激發(fā)自我完善的欲望，啟動(dòng)不斷學(xué)習(xí)的動(dòng)力，從而有效地提高學(xué)生的綜合能力。遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置，目的是讓學(xué)生能夠靈活熟練地掌握從事學(xué)科研究的理論知識和操作技能，以適用環(huán)境工程相關(guān)事業(yè)發(fā)展對人才的新要求[9]。

本課程實(shí)驗(yàn)選取了建筑垃圾的破碎與篩分、污泥脫水性能的測定與表征、餐廚垃圾批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)研究3個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，旨在提高學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識、獨(dú)立解決問題、創(chuàng)新思維、文獻(xiàn)檢索等方面的能力。同時(shí)，可以讓學(xué)生更為深刻地理解生態(tài)文明思想，踐行清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)等生產(chǎn)方式，推動(dòng)形成綠色發(fā)展方式和生活方式[10]。具體改革內(nèi)容如下：

(1)實(shí)驗(yàn)流程及課程目標(biāo)

相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，階梯遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)法會(huì)給學(xué)生較大地獨(dú)立思考空間，例如，自己查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線、分析實(shí)驗(yàn)問題等，通過老師的審核后，最終確定自己感興趣的實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)也會(huì)給學(xué)生更多的動(dòng)手機(jī)會(huì)，例如，獨(dú)立完成自己實(shí)驗(yàn)方案中所涉及的每一步操作及不同儀器的使用等。在此過程中，不僅可以激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性、創(chuàng)造性，還可以鍛煉學(xué)生團(tuán)結(jié)合作、與人溝通的能力。具體地實(shí)驗(yàn)流程與課程目標(biāo)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

(2)階梯式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本課程實(shí)驗(yàn)分別選取了建筑垃圾破碎、污泥脫水性能的測定與表征及餐廚垃圾批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)研究3個(gè)實(shí)驗(yàn)，這3個(gè)實(shí)驗(yàn)所涉及的垃圾均是典型的城市廢棄物，但它們的處理方法卻不一樣，依次為驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性。3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基本目的和內(nèi)容如圖2所示。

圖2 遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目的及內(nèi)容思維導(dǎo)圖

首先，開展的是建筑垃圾破碎篩分實(shí)驗(yàn)，屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，主要讓學(xué)生能夠根據(jù)垃圾的性質(zhì)，初步判斷適合破碎處理的固體垃圾類型，最終確定垃圾破碎及篩分的具體流程，最后根據(jù)篩分?jǐn)?shù)據(jù)分析問題。在此過程中，可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)分析等其它技能，初步激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的積極性及主動(dòng)性。

其次，開展的是設(shè)計(jì)性稍強(qiáng)的污泥脫水性能的測定實(shí)驗(yàn)，老師會(huì)提前給學(xué)生提供一些相關(guān)文獻(xiàn)，供學(xué)生參考。學(xué)生會(huì)根據(jù)指導(dǎo)老師的安排或者自行選擇，按照提供的文獻(xiàn)，分組預(yù)習(xí)，選擇一種或幾種預(yù)處理方法，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程。最終使學(xué)生能夠熟知污泥脫水的各種方法，并借助相關(guān)指標(biāo)初步判斷污泥脫水性能，判別各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。此過程中，學(xué)生可以運(yùn)用所學(xué)的理論知識對實(shí)驗(yàn)給予準(zhǔn)確的判斷、分析、設(shè)計(jì)等，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的成就感，由此很大程度上激發(fā)學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)熱情。

最后，開展的是綜合性強(qiáng)的餐廚垃圾批式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)復(fù)雜程度較大，所涉及的實(shí)驗(yàn)操作及使用儀器較多。該實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕牵孩偻ㄟ^實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，能夠根據(jù)接種物和底物的理化性質(zhì)，設(shè)計(jì)厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的物料比，初步具備實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。②通過實(shí)驗(yàn)操作，能夠借助理化指標(biāo)，初步識別厭氧發(fā)酵的特性，判斷厭氧發(fā)酵過程的穩(wěn)定性。此實(shí)驗(yàn)綜合性難度的加深，涉及多方面的拓展，基于以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生需要將所學(xué)知識理論、查閱文獻(xiàn)能力及實(shí)驗(yàn)技能融會(huì)貫通在一起，通過團(tuán)隊(duì)合作，最大程度地發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性及實(shí)踐操作能力。

(3)調(diào)查與成果

針對本課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn)，作者進(jìn)行了相關(guān)的問卷調(diào)查，如表1所示。

表1 關(guān)于固廢相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)置的調(diào)查問卷及結(jié)果

通過調(diào)查問卷顯示，54.35%的同學(xué)認(rèn)為畢業(yè)幾年后，對餐廚垃圾厭氧發(fā)酵這一實(shí)驗(yàn)會(huì)很有印象，41.3%的同學(xué)認(rèn)為會(huì)有點(diǎn)印象，4.35%認(rèn)為沒有印象，這可能是因?yàn)樗麄冋J(rèn)為以后工作若不涉及這方面，會(huì)很快遺忘，也可能是他們對此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的興趣較小。93.47%同學(xué)認(rèn)為開設(shè)餐廚垃圾厭氧發(fā)酵這一類綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對他們有所幫助，也有2.17%同學(xué)認(rèn)為沒有幫助，這是因?yàn)樗麄冊诓殚單墨I(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等方面欠缺經(jīng)驗(yàn)，也可能是他們沒有真正理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康募八悸返?，針對此問題，我們將加強(qiáng)對學(xué)生查閱文獻(xiàn)、分析問題、實(shí)驗(yàn)操作等多方面能力的培養(yǎng)，同時(shí)會(huì)嚴(yán)格考查學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。86.96%的同學(xué)認(rèn)為餐廚垃圾厭氧發(fā)酵這一實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)比一般常規(guī)實(shí)驗(yàn)更能學(xué)到新的理論知識和實(shí)驗(yàn)技能，13.04%的同學(xué)認(rèn)為兩者差不多，這可能因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)所包含新的理論知識及實(shí)驗(yàn)技能并不是很突出，也可能是這部分學(xué)生在參與相關(guān)的科研實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)接觸到這方面的實(shí)驗(yàn)研究理論及操作等。

2.結(jié)論與展望

本文將階梯遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)法應(yīng)用在《固體廢物處理與處置》實(shí)驗(yàn)課中，利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室資源，將驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性及綜合性3種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较嘟Y(jié)合，最大程度激發(fā)學(xué)生的文獻(xiàn)查閱、實(shí)踐、創(chuàng)新、主觀能動(dòng)性及團(tuán)隊(duì)合作等能力。在此過程中，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生不僅掌握了以上各種能力，還能更深入學(xué)習(xí)到相關(guān)理論知識并掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)技能，同時(shí)高效激發(fā)了學(xué)生的求知欲，已達(dá)到我們的教學(xué)目的。

在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中，我們將繼續(xù)不斷地探索和創(chuàng)新，將由淺入深式綜合性實(shí)驗(yàn)法有效地融入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和自主創(chuàng)新思維為目的，為培養(yǎng)高水平本科人才貢獻(xiàn)微薄之力。