基于Jigsaw教學法的環境學科實驗教學實踐

劉 佳, 沈 洪, 盛 力, 唐賢春, 施鼎方, 徐竟成, 黃翔峰

(同濟大學 環境科學與工程學院,環境科學與工程國家實驗教學示范中心, 上海 200092)

環境問題是21世紀的全球性熱點問題,環境污染問題從過去的單一性污染、局部污染發展成為復合性污染和區域性污染。環境學科的發展也呈現了學科交叉跨度大、學科前沿發展快、社會需求多樣等特點,相應要求培養的環境人才具有自主學習能力、實踐創新能力以及應對復雜環境問題所需要的廣闊視野和綜合素質[1]。實驗教學是環境學科提升人才培養質量的重要環節[2],是實現理論知識向復雜問題解決能力轉化的重要途徑[3]。傳統環境實驗教學受教學形式和教學時長所限,實驗課以單元實驗過程的演示和實驗現象結果的驗證為主,實驗教學內容、方式和評價方式限制了學生思維能力、實踐能力、創新能力的培養。

起源于美國著明教學家和社會學家Elliot Aronson(埃利奧特·阿倫德森)的Jigsaw(拼圖課堂)教學模式，是一種基于合作學習環境下的教學模式,通過個人或小組學習特定內容的部分信息成為專家后,將自己掌握的學習經驗及研究成果分享給其他學生,以此完成全班學生對于全部特定內容的學習[4]。多項研究表明,Jigsaw教學模式能夠促進學生積極、自主地參與學習,是一種面向實際復雜問題解決類學科的有效教學方法[5]。目前,Jigsaw教學模式在我國大學英語教學、計算機、臨床醫學[6]等學科中已有實踐應用。

新建設的“剩余污泥減量化項目”來源于污水處理廠剩余污泥厭氧消化工藝的實際問題,面向環境工程、環境科學和給排水科學與工程大四年級學生。學生已具備一定的專業基礎知識以及動手實踐能力,但在自主學習能力、合作學習能力和思辨能力方面尚需培養,因此本實驗探索了以Jigsaw合作式學習模式設計環境學科實驗教學內容,滿足人才培養的需要。

1 實驗教學設計方案

1.1 實驗背景

隨著我國經濟的快速發展以及城鎮化進程的加速,污水處理量和污水處理率不斷增加,隨之而產生的剩余污泥量也與日俱增。剩余污泥目前常用的處理方式主要有填埋、焚燒、厭氧消化等。厭氧消化因其能夠最大限度降解污泥中的有機物，使其轉化為沼氣實現能源化,因而最具社會、經濟和環境優勢[7]。但是在污泥厭氧消化過程中,由于污泥中微生物細胞壁阻礙了有機物的水解,污泥的水解過程是整個厭氧消化過程的限速步驟。采用適當的預處理可以在較短時間內將污泥水解,提高污泥厭氧消化效率[8]。近年來,污泥熱堿聯合處理法在污泥預處理中得到關注。

剩余污泥在熱處理中,高溫促使微生物細胞蛋白質變性,細胞膜上的載體蛋白發生變化,脂質雙分子層溶解產生孔洞,進而細胞內的有機物(蛋白質、脂肪、碳水化合物等)得以釋放[9]。而堿可以減弱污泥中微生物細胞壁對高溫的抵抗力,使細胞受熱時更容易破裂,從而釋放出大量的有機物(如蛋白質、碳水化合物等)[10]。在熱堿處理過程中,污泥的性質會發生改變,有利于后續的污泥處理[11]。研究表明,在熱堿處理過程中對污泥特性影響較大的因素有溫度、pH值、處理時間、污泥濃度、加熱方式、加堿種類等[12]。

本實驗開展要求學生掌握以下目標：

(1) 了解剩余污泥的主要結構特征、物質組成及處理情況。

(2) 了解污泥厭氧消化技術的原理、發展現狀及技術難點。

(3) 掌握剩余污泥熱處理、堿處理及熱堿處理技術的主要原理及反應條件。

(4) 掌握用多種指標來分析和確定實驗結果。

1.2 Jigsaw學習、討論與分享

1.2.1 布置Jigsaw學習討論任務

圍繞實驗主題“剩余污泥減量化”,將研究主題拆分成4個知識點,每個知識點列出3個以上討論要點。

知識點一：剩余污泥處理現狀,討論要點包括上海污泥處理現狀、污泥處理發展趨勢、污泥減量技術類型等；

知識點二：剩余污泥厭氧消化技術,討論要點包括污泥厭氧消化原理、污泥能源化瓶頸、污泥破壁技術等；

知識點三：剩余污泥結構及物質組成,討論要點包括污泥形態、結構、粒徑,胞外聚合物組成及提取方法,胞外聚合物功能等；

知識點四：剩余污泥熱堿預處理,討論要點包括熱堿處理原理、熱堿處理影響因素、處理后評價污泥特性指標等。

1.2.2 個人學習—小組討論—交流展示

在此基礎上將學生分組,每組指定一個知識點,小組的每位學生拿到一篇相關文獻進行個人獨立閱讀10 min,之后進行組內討論10 min,最后在組內形成討論結果制作海報。在交流展示環節,按照知識要點順序每組派一名學生在5 min時間內分享小組討論結果,即圍繞指定的討論要點給出主要結論,并接受其他小組質疑。

1.2.3 教師總結點評并提出實驗方案

每組學生匯報時,教師根據學生匯報結果將課程相關要點摘錄并撰寫在黑板上,如影響實驗效果的溫度、pH、堿投量等實驗條件,待全部小組知識點匯報完成后,將這些要點進一步解釋,同時給出本次實驗中的這些指標的設定值,加強學生對關鍵影響因素的認識。

1.3 剩余污泥減量化實驗操作

(1) 單獨堿處理對剩余污泥減量化/破解率影響研究。考察在常溫條件下,一定堿投加量(1.0 g/L、 3.0 g/L) 條件下,單獨堿處理1.5 h對剩余污泥減量化的處理效果。

(2) 單獨熱處理對剩余污泥減量化/破解率影響研究。考察在70 ℃加熱條件下,單獨加熱條件處理1.5 h對剩余污泥減量化的處理效果。

(3) 熱—堿聯用對剩余污泥減量化/破解率影響研究。考察在70 ℃加熱條件下,一定堿投加量(1.0 g/L、3.0 g/L),熱—堿聯用處理1.5 h對剩余污泥減量化的處理效果。

1.4 減量化效果檢測與評價

對以上條件得到的處理后污泥樣品進行離心,分別得到上清液和污泥剩余殘渣。上清液測定溶解性有機物含量(SCOD),污泥殘渣測定總懸浮物濃度(TSS),然后采用污泥減量程度(RD)和污泥破解程度(DD)來評價熱堿處理效果：

RD(reduction degree)=(TSS0-TSSt)/TSS0*100,TSS0表示原污泥的總懸浮物濃度,TSSt表示污泥預處理破解一段時間t后殘余的懸浮物濃度。

DD(disintegreation degree)=(SCODt-SCOD0)/(TCOD-SCOD0)*100,SCODt表示污泥預處理破解一段時間t后上清液的SCOD；SCOD0表示污泥未破解時上清液SCOD；TCOD表示污泥總COD。

在完成2個指標測定的基礎上,進行實驗結果整理與討論。要求學生描述原始污泥和不同處理方式得到污泥在顏色、粒徑、沉降性能以及過濾后得到的殘渣表觀性能上的差異,同時根據實驗結果分析熱處理、堿處理、熱堿聯合處理3種處理方式的差異,從能量輸入角度為污水廠厭氧效果工藝提出最有實際應用可能性的污泥破壁預處理方法,使其有助于后續污泥厭氧消化工藝。

2 教學實踐效果

開設的剩余污泥減量化實驗項目,將行業需求與科研研究成果綜合到實驗教學內容中,是一項面向大四年級綜合能力提升的新建實驗教學項目。在教學形式中采用Jigsaw教學法,讓學生主動開展學習建立知識體系,通過組間討論和組間互助式學習提高了學生參與度,增強了師生互動,培養了學生的自學和思辨能力；實現了知識點學習和實驗教學操作的有機結合,讓學生對知識點的學習從理論學習、感性認識上升到結果觀察和理性分析階段。本實驗的建設與實踐通過在實驗教學項目選擇、實驗教學內容設計、實驗教學方式等方面的創新,增強了學生的學習興趣、合作式學習能力、科研能力,取得了較好的教學效果。

3 結語

通過剩余污泥減量化實驗項目的建設與實踐,探索了Jigsaw教學法在水處理實驗教學中的應用,在傳統實驗教學方式的基礎上增加了合作式學習模式,強化了學生對理論知識學習、實驗操作技能掌握和實際問題的理解,提高了學生的自學、合作和研究能力。