水處理技術新型實驗教學模式探討

東北林業大學 孫興濱 胡 陽

水處理實驗是一門基于理論、側重實踐，以實驗為核心的專業主干課程。目的在于培養學生理解水處理技術的基本原理、設計實驗方案以及分析處理數據的基本能力，使學生掌握水處理實驗的一般技能與實驗儀器、設備的基本操作，有助于提高學生解決實驗技術問題的能力以及運用書本知識解釋和解決水污染治理工程實際問題。

本科教學的關鍵是培養學生分析解決問題的能力以及提高學生的綜合素質，理論與實踐相結合的實驗教學是實現這一目標的重要途徑。但是，傳統的課堂授課方法是以學生作為知識傳授的終端，學生通常處于被動接受知識的位置。存在創新意識不強、創新能力欠缺等問題，明顯己不適應當代教育和創新人才培養的要求，難以滿足現代大學生的創新意識和創新能力培養的要求。實驗教學必然要進行改革，在“教”與“學”中找到最佳的結合點，充分發揮教師引導作用，發揮學生主觀能動性，積極調動學生實踐創新意識，使學習成為一種積極、主動的探索過程。

目前，國內各大學的水處理實驗教學在內容和形式上普遍存在內容落后于現實，實驗形式僵化等問題。重理論輕實踐的傳統教學與常規的實驗形式難以提高動態實驗的教學效果，同時阻礙了學生實踐能力和創新能力的發展。我們必須不斷充實和改革教學內容、創新教學形式，讓學生主動地而不是被動地、靈活地而不是機械地、理性地而不是盲目地、系統地而不是孤立地學習。

一、構建新型水處理教學體系

1.精心編寫實驗教材，積極引導學生。針對我校環境科學專業學生的培養目標，在以往開設的實驗教學基礎上，自編了新的實驗教材，側重理論聯系實際，激發學生的主動性和創造性。

本門課程的實驗內容安排由易到難、由簡單到復雜，從開始的混凝實驗到后來復雜一些的生物轉盤實驗，這種循序漸進的教學模式既符合現代一般教學規律，又符合學生自身的特點，使學生由最初對水處理實驗的模糊認識到最終自己能獨立設計實驗方案和獨立進行實驗，對促進課堂的教學效果的提高起到了積極的作用。

開展實驗前學生通過預習實驗指導書，查閱相關的專業書籍，自學先進專業分析儀器的使用和國家標準檢測方法，了解近年來國內外水處理技術方面的新技術、新工藝。在老師的指導下，學生自主開展實驗研究，獨立設計實驗方案，鼓勵方案的多樣性和創新性，養成學生獨立思考和積極進取的科學精神。在實驗過程中抽查學生對操作技能和方案設計等的掌握情況，以點帶面讓學生找到自身存在的問題并加以糾正，強調學生小組討論和協調解決問題。

2.理論聯系實際，打造精品實驗項目。除了充實教學內容之外，還應改進教學手段，優化教學方法，重視實驗課形式，通過基礎驗證性實驗、設計性實驗、綜合性實驗和創新性實驗，來提高學生學習的興趣和互動性。不但能夠強化學生與教師之間的討論，而且能夠激勵學生反思、提高創新意識。

為了更好地把專業上的新技術，新理論、新工藝傳授給學生，使教學的內容更具有實踐性和創新性，同時結合本學校實驗儀器和設備情況，水處理實驗技術課程安排了3 項獨具特色的綜合創新性實驗。

（1）混凝燒杯實驗。學生自行設計混凝實驗，測定原水濁度，為了理論結合實際，實驗原水來自松花江，當天取樣當天測，對現實具有指導意義。

學生可以根據當天江水的濁度設置不同的混凝梯度和混凝時間，觀察礬花的形成過程，加深對混凝理論的理解；混凝實驗不僅可以選擇投加藥劑種類、數量，還可以確定其他混凝最佳條件；結合實驗結果，啟發學生思考“為什么最大投藥量時，混凝效果不一定好”等問題，引導學生對松花江水質污染提出解決方案。

（2）曝氣充氧實驗。引導學生自行設計組裝了曝氣充氧實驗裝置,從實驗中加深理解雙膜理論模型；掌握氧轉移的機理及影響因素；學會圖解法求曝氣設備氧總轉移系數值KLa 方法；了解掌握曝氣設備清水充氧性能的測定方法；思考曝氣在活性污泥生物處理法中的作用；分析曝氣的種類及各自特點。

對實驗方法進行改進，采用間歇非穩態法，即實驗過程中不進水也不出水的清水實驗法對充氧性能進行測定。實驗可以在曝氣筒內進行，首先向曝氣筒內注入清水，將待曝氣水用脫氧劑脫氧到零后開始曝氣。傳統做法是每隔一定時間取水樣測定溶解氧值，一般測出一個水樣的時間大約為1.5 分鐘，而曝氣筒內溶解氧達到飽和的時間大約為4 分鐘，導致所測數據不足，不能達到實驗目的。因此對本實驗進行了改進，將溶解氧測定儀的探頭放在曝氣筒的水面之下，溶解氧儀會隨著曝氣時間的延續而實現在線監測，直到數值不再變化，即溶解氧達到飽和。這一過程用手機拍攝記錄，每個學生可以選擇不同時間間隔的多組數據，進行計算和分析。此方法不僅改變了傳統實驗的復雜繁瑣，而且更加地準確高效。

（3）離子交換除鹽實驗。引導學生根據離子交換裝置圖，搞清楚離子交換設備各管道的功能、各閥門的作用；加深離子交換基本理論的理解；了解并掌握離子交換設備的操作；熟悉離子交換軟化除鹽的過程；思考電導率是如何變化的；啟發學生對實驗存在不足進行進一步的設想。

如果實驗既需軟化水的硬度又要降低水的堿性，則可將OH-型和Na+型離子交換柱串聯使用。利用陰陽樹脂共同工作是目前制取純水的基本方法之一。陽離子樹脂自身可交換的H+離子與水中陽離子交換，去除陽離子。陰離子樹脂官能團中的OH-離子與水中陰離子交換，這樣把兩種交換柱串聯起來，就能夠有效地去除水中絕大部分離子，還可以在兩種交換柱串聯之后，再加一個陰陽樹脂混合柱，從而達到更好的除鹽目的。

3.開展設計性實驗，培養學生綜合能力。開設綜合設計性實驗，能鍛煉學生全面分析研究問題的能力，培養學生的綜合專業技能以及初步的科研能力。同時，針對演示性和驗證性實驗也可以在一定程度上融入設計性環節，給學生提供充分的思考空間，理論與實際相結合，將所學知識系統化，鍛煉學生的創新能力和解決實際問題的能力。開展綜合性實驗，主要設計了以下3 項設計性實驗。

（1）絮凝沉淀和斜板沉淀實驗。引導學生，通過模型的模擬實驗，進一步了解平流沉淀池和斜板沉淀池的構造和工作原理；掌握平流沉淀池和和斜板沉淀池的運行操作方法；了解平流沉淀池和和斜板沉淀池運行的影響因素；分析平流沉淀池和和斜板沉淀池各自的優缺點以及適用情況。

（2）過濾與反沖洗實驗。指導學生對照過濾與反沖洗實驗裝置工藝圖，了解模型及設備的組成與構造；觀察過濾與反沖洗現象，進一步了解過濾及反沖洗原理；掌握實驗操作方法；掌握濾池工作中主要技術參數的測定方法。

（3）活性炭吸附。自行設計活性炭吸附實驗裝置,指導學生通過實驗加深理解活性炭的吸附的基本原理，了解工藝與性能,熟悉操作實驗的全部流程, 掌握活性炭吸附公式中常數的確定方法,并結合實驗結果,啟發學生思考活性炭吸附工藝中吸附等溫線的現實意義。

4.實行開放性實驗，充分利用教學資源。實驗室實行開放式教學，一方面提高了實驗室儀器設備的利用效率，改變了原來實驗課上多人共用一臺儀器，而大量時間儀器空閑的不合理運行模式。另一方面學生能夠自主安排做實驗的時間，以靈活的方式完成實驗理論和實踐學習，增強了學生進行科學實驗的積極性，豐富了實驗知識，提高了學生的科學實驗能力。

實踐表明，我院實行的實驗室開放式教學取得了良好的教學效果，不僅給學生提供了優越和寬松的實驗環境，而且有利于學生動手能力、分析能力與創新能力的提高。開放式實驗教學成為進行專業人才培養和素質教育的最好方式之一。結合學校引進的實驗設備，增設了3 項開放性實驗。

（1）完全混合式活性污泥處理系統的觀測與運行。開放實驗室，學生通過觀察完全混合活性污泥處理系統的運行，加深對其運行特點規律的認識；進一步了解活性污泥生物處理原理、過程和影響因素；確定污泥負荷、污泥齡、溶解氧濃度等運行參數的控制范圍；引導學生思考完全混合活性污泥法的優缺點等問題。

（2）生物轉盤實驗。學生可以自主選擇時間，到實驗室觀摩生物轉盤實驗，使學生進一步認識生物轉盤構造及凈水原理；掌握生物轉盤處理系統的工藝特征；了解生物轉盤處理系統的運行特點和適用情況；了解國內外工業廢水處理應用生物轉盤的具體案例。

（3）SBR 法計算機自動控制系統。通過演示實驗，使學生認識SBR 法計算機自動控制系統的構造及運行過程；了解SBR法的原理和步驟；加深對SBR 法的工藝運行特征的認識；掌握SBR 法與傳統活性污泥法的區別。

二、教學實踐與反饋

新時代的實驗教學應使學生從“被動、封閉、受束縛”的狀態，變成“主動、開放、較自由的狀態”，真正地成為實驗的主人、學習的主體。

這種“自學”與“互動”相輔相成的實驗教學模式，不僅使學生對以前所學專業知識有了綜合靈活應用，同時也使學生的團隊協作、溝通交流等綜合素質得到了很大的提高，培養了獨立解決問題的能力和實事求是的科研工作作風，為學生以后畢業工作和深造打下了堅實的基礎。

學生普遍反映，在新型實驗中，思路得到了開闊，積極性被充分調動，因為他們要自己查閱資料和文獻、獨立設計實驗方案、獨立進行實驗以及獨立分析和解決問題，自己動手做一切與實驗相關的工作，正因為如此，更加考驗學生對整個實驗的理解和掌握。所以學生感動，“做完一個綜合設計性實驗才是學到了真本事，比做十個那種傳統實驗收獲還要大”。

在水污染嚴重的現階段，水處理實驗作為一門啟蒙實踐課程，應與時俱進，注重與實際相結合，具有綜合設計性和創新性，不僅讓學生加深了理論知識的理解，更讓學生接觸到本專業先進儀器，對本領域的前沿知識有所了解。以培養學生的創新意識、觀察能力、動手能力、分析問題和解決問題、設計和研究的能力，為培養富有創新精神、創新思維和實踐能力的跨世紀高素質人才服務。

[1]胡鋒平.《水處理工程》實驗教學改革與教學實踐[J].華東交通大學學報，2006

[2]趙曉波，孫文田，劉淵泓等.水處理實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2009

[3]曹勇鋒，張可方.水處理實驗技術設計性實驗教學的探討[J].實驗科學與技術，2008

[4]趙玉紅，肖長來，段長春.水資源基礎實驗室開放式教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2011

[5]胡 磊，李 軼，倪利曉.水處理實驗技術開放式實驗教學嘗試[J].高等理科教育，2009