環(huán)境工程實驗課程的自主設計式改革

謝明波, 劉慧龍

(武漢大學 資源與環(huán)境科學學院,武漢 430079)

0 引 言

環(huán)境工程專業(yè)作為滿足人類社會發(fā)展對解決環(huán)境問題需求而形成的一個集自然科學、技術科學與社會科學為一體的交叉型的綜合性專業(yè)，是一個理論性、技術性、實踐性很強的專業(yè)[1]。其知識面涵蓋了物理、化學和生物等多個基礎學科，輔以大量設備研發(fā)與數(shù)據(jù)分析的技巧，以及環(huán)境問題的具體監(jiān)測手段，對學生綜合實踐能力提出了更高的要求。分析問題思路與解決問題的辦法在課堂中已經掌握得比較全面，但要真正將理論知識應用到實踐中還需大量的實驗科研經驗作為支撐。因此，以鞏固課上理論知識，提高動手操作技能，激活創(chuàng)新設計思維，鍛煉數(shù)據(jù)處理與分析能力的環(huán)境工程教學實驗課程就應運而生。在理論、技術與實踐相結合的過程中，他們將環(huán)境工程課程中水、氣、固體廢棄物的處理以及實驗基本方法融會貫通。

因此，為了踐行環(huán)境工程實驗課程設立的目的，必須要打破傳統(tǒng)實驗教學存在的壁壘。本專業(yè)教師經過30年的教學改革，旨在用更為科學的綜合課程讓同學們在實驗教學的課堂中得到鍛煉，讓本校的環(huán)境工程專業(yè)的實驗課程形成一套目的性強的健全體系。

1 傳統(tǒng)方法及存在問題

通過整理歷年來實驗教學經驗，對傳統(tǒng)實驗教學方法進行了一個簡單的總結。雖然前期教學改革提出了具體實驗環(huán)節(jié)考核的制度，實驗內容也從靜態(tài)實驗向動態(tài)試驗進行了改變，但是總的來說傳統(tǒng)試驗教學依然是圍繞“教師實驗指導書”展開的“授課型”教學模式。“教學實驗指導書”為授課老師針對特定實驗內容編纂的詳細“說明手冊”，其中包括詳細的實驗原理、器材藥品以及實驗步驟介紹等，老師在課堂中以此書為藍本進行教學，同學們也依照其中內容操作，記錄與分析實驗數(shù)據(jù)。

誠然，此種實驗教學方法已存在多年。教學和操作均圍繞指導書展開，因為指導書內容固定，教學程序和時間也固定下來，老師能較好地把控實驗教學的開展過程。由于其實驗步驟詳盡，同學在操作中能獨立完成實驗。

但是，傳統(tǒng)教學模式也衍生出許多問題。一些同學過于依賴實驗指導書，認為指導書上內容已非常詳盡，沒有提前預習的必要性，甚至部分同學只在上課前20 min匆匆瀏覽實驗指導書，對實驗原理的掌握也只是囫圇吞棗[2]。對實驗器材與步驟不熟悉，也使得實驗進行不夠順暢，實驗時間往往超出常規(guī)實驗課時。同時一旦實驗出現(xiàn)什么問題也不明所以，不知所措,不能盡快解決，學習的效率十分低下。縱觀整個實驗過程，缺乏主動思考的環(huán)節(jié)與時間，這樣的實驗教學是屬于典型的填鴨式教學[1]。因此對傳統(tǒng)實驗教學進行了根源上的改革。

2 環(huán)境工程實驗教學方案的改革

有別于教學實驗指導書，老師提供實驗任務書給同學們參考。實驗任務書包括方案設計任務書和報告要求兩個部分，其中方案設計任務書簡單提供實驗的目的，已知條件(實驗材料和設備、應用的實驗原理、需要得到實驗結論)，同學們根據(jù)此實驗指導書自主設計實驗步驟以及數(shù)據(jù)分析方法，撰寫實驗設計報告。并且在實驗結束后根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進行分析，總結實驗過程中的問題，得出結論[2]，將這些撰寫成實驗報告；而“報告要求”則詳細說明實驗報告的撰寫內容以及需要注意的要點。(總共上交兩份報告：實驗設計報告和實驗報告)

圍繞實驗任務書，建立了一種啟發(fā)性的實驗教學模式：自主式實驗教學。要完成實驗就必須要設計實驗，而設計實驗就離不開查找資料和請教學習的過程，所以同學們從實驗前的資料準備開始就已進入了自主學習。雖然課前需要大量時間思考與設計，但是在做了充分的準備之后，課堂上討論與操作就變得更有目的性，效率反而大大提高，實驗時間縮短不少，同學的熱情也更加高漲。同時，帶著實驗目的去進行設計思考，這也是大學生今后在科研與工作中的一種常態(tài)，早日形成這種自主式思維模式可以為今后的學習與工作打下良好基礎。

3 環(huán)境工程實驗教學方案

在確定了環(huán)境工程實驗教學改革的指導思想和框架后，按照激發(fā)同學們思考和創(chuàng)新能力的目標，編寫了環(huán)境工程實驗教學大綱，改革環(huán)境工程實驗的教學手段和技術方法，制定出新的環(huán)境工程實驗教學方案[3]，如圖1所示。

圖1 環(huán)境工程實驗教學新方案

下面從實驗方案設計任務書、設計實驗課堂進行方法、實驗環(huán)節(jié)考核制度、實驗報告要求以及探究小組反饋機制5個方面來詳述實驗教學改革的具體內容。

3.1 實驗方案設計任務書

以引導同學們進行自主思考為目的而專門編制的方案設計任務書，在以往演示性、操作性、驗證性和綜合性的實驗基礎上，開辟出了設計性和可研性實驗的新方向。刪除了詳細的實驗步驟描述，轉而只給出實驗目的以及提供的條件，給同學們留出足夠的思考空間。下面以“酸性廢水過濾中和實驗”的方案設計任務書為例分別說明。該實驗是如何操作的[4]。

(1) 介紹實驗意義：酸性廢水來源廣泛，且過濾中和法，以石灰石為原料，治理費用低，出水水質穩(wěn)定，處理效果好，一直是酸性廢水處理廣泛采用技術手段。

(2) 給出設計目的及必要的相關知識點：目的是設計一個典型的原理驗證實驗，要求通過實驗得出濾速、石灰石高度、曝氣流速與處理后水質的pH之間的關系；知識點：酸堿中和原理。(這個需要同學在課前就查找好資料，充分熟悉石灰石處理酸性廢水的化學與物理反應過程，掌握具體的化學反應方程式與物質數(shù)量之間的計算方法)

(3) 提供實驗的已知條件：實驗選用的主體器材，以及相應的測量儀器等。

(4) 提出實驗需要完成的任務和要求：①資料查閱，掌握至少一種特定酸性廢水的處理工藝，分析其與水質針對性的特點;②設計出石灰石處理酸性廢水的實驗步驟，通過控制酸性廢水濾速，或曝氣吹脫流速，得出濾速與處理后pH之間的關系曲線。并控制時間在一個實驗單元(3～4 h);③熟悉實驗設備操作。

3.2 課堂實驗

(1) 老師在課堂實驗中的3項工作。① 針對實驗設計,用1學時向學生明確實驗目的，授予已有實驗設備的基本操作方法及特別注意事項，提供一個思考方向作為參考。讓學生第2學時的課堂中根據(jù)課前所查閱的資料，展開小組討論，并最終得出一個最佳設計方案提交老師審核和改進；②學生根據(jù)上一次課得出的最終設計方案進行實驗，老師對學生的操作進行監(jiān)督，解答學生實驗過程中遇到的疑問，并對學生的實驗數(shù)據(jù)進行審核；③明確實驗報告要求，要求學生根據(jù)實驗任務書的要求，將實驗步驟具體化、詳細化，統(tǒng)計并分析實驗中記錄的數(shù)據(jù)，并針對出現(xiàn)的問題進行深入分析，提出改進意見，鼓勵學生大膽提出新工藝。

(2) 同學在實驗課堂中要完成5項任務。①前期準備：針對提前發(fā)放的實驗任務書，明確實驗目的，上網查閱資料或者翻閱相關書籍了解詳細的實驗原理(課前完成)。例如，混凝法處理高濁度水設計試驗中，各種混凝劑的混凝原理以及混凝過程中產生現(xiàn)象的原因都是需要在課前查閱資料了解的；而在生活污水處理的實驗設計中，要求學生對實驗室中4套主要的處理工藝——活性污泥法、A/O法、電解法和上流式厭氧污泥床反應器的每個處理單元的構造原理、合適水質、處理效果都要了解清楚，并且要熟練掌握污泥的培養(yǎng)馴化以及儀器的啟動條件；②熟悉設備：第1次課的第1學時，跟隨老師的講解熟悉實驗設備的操作原理以及技巧，明確注意事項，及時提出不懂的問題。例如，在酸性廢水過濾中和實驗設計中使用的儀器是由實驗室老師與同學共同研發(fā)的一種多聯(lián)環(huán)境工程廢水處理及廢氣治理實驗教學裝置，包括酸性廢水的中和吹脫、二氧化硫的活性炭吸附和堿液吸附等多個實驗裝置組合起來，學生需要對實驗裝置的整個運行流程、管路的設置與氣液流體的走向了解清楚；③討論設計：第1次課的第2學時，學生分小組討論，每組4或5人，進行實驗方案的設計，并提交一份設計草案于老師審核，根據(jù)老師的建議再改進完善，完成一份最終設計方案。例如在混凝法處理高濁度水設計試驗中，學生需要根據(jù)實際情況，討論設計預實驗來確定合適的混凝劑投加濃度梯度，以減少后期的工作量；④完成實驗：第2次課同樣以小組為單位，依照設計方案進行實驗，對實驗中產生的數(shù)據(jù)進行分析并隨時提出問題、調整實驗，最終得出一份有研究價值的數(shù)據(jù)單；⑤撰寫報告：除了實驗數(shù)據(jù)分析要具體實事求是之外，還應針對實驗數(shù)據(jù)體現(xiàn)出的問題提出改進意見以及提供新工藝的可能思路。

3.3 實驗報告

(1) 在實驗報告中可以略寫實驗目的、實驗原理及意義、實驗設備及材料，因為在設計報告中已經詳細陳述過，不需要重復贅述。

(2) 對于實際的實驗操作步驟需要詳述，同樣以酸性廢水過濾中和實驗為例：要說明實驗中執(zhí)行的實驗步驟：注明其與原設計方案存在的區(qū)別，要求詳細，包括：①測量中和塔尺寸，石灰石量，預算出水力停留時間；②實驗數(shù)據(jù)記錄表；③實驗方案中要求有判定當前流速下測定的出水pH穩(wěn)定性的步驟。

(3) 將重點放在實驗結果處理及分析上，包括設計現(xiàn)場實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)記錄表，將要采用的數(shù)據(jù)處理公式，處理方法，允許誤差等。并對實驗結果展開討論，針對結果不理想找出原因，對設計的實驗方案進行糾正和補充，這樣同學們才能真正對實驗產生一個縱向而深入的理解。

(4) 針對實驗過程中查找的資料，按規(guī)定格式標明參考書目。

3.4 考核與反饋

3.4.1實驗成績考核

為了規(guī)范、科學的衡量同學們的實驗效果，設立了系統(tǒng)全面的考核制度。從單個實驗來講，考核制度涵蓋了實驗前的預習情況、實驗設計、實驗操作、實驗數(shù)據(jù)及實驗報告5個大方向，其中分值占比最大的是實驗設計、實驗數(shù)據(jù)以及實驗報告3個方面[5]，因為實驗設計最能體現(xiàn)實驗過程中的思考能力與前期投入程度，尤其是對創(chuàng)新點的發(fā)掘起很大作用；而實驗數(shù)據(jù)可以反映實驗操作的準確性；實驗報告可以讓老師對同學們的實驗有一個整體了解。

3.4.2充分發(fā)揮探究小組先試先行的作用

為了驗證實驗教學改革新方法實行效果，老師在2017年環(huán)境工程專業(yè)中選出7人成立“探究小組”。探究小組作為溝通橋梁，把老師的任務與要求及時發(fā)布下去，并作為同學們一個反饋渠道，把實驗中的問題與改進意見及時反映給老師，并協(xié)助老師整合其中產生一些教學成果，有助于教學內容的調整[6]。

(1) 探究小組在常規(guī)實驗課程開展之前，先進行預實驗。例如在堿液吸收二氧化硫實驗課程開展之前，先有探究小組成員提前設計并實行實驗，熟悉實驗室自主研發(fā)的“組合式環(huán)境工程廢水處理及廢氣治理實驗教學裝置”中的“堿液吸收二氧化硫系統(tǒng)”部分，通過反復實驗確定合適的二氧化硫混合比例(合適的二氧化硫流速得到效果更明顯的檢測效果)，確定裝置哪些不必要的管道閥門會對實驗過程產生影響(在正式實驗開始之前將影響因素排除)，總結實驗過程中需要注意的細節(jié)。在實驗開始時，將探究小組成員分散到各個討論組中，對同學們討論進行積極的引導，并輔助同學熟悉實驗器材，對實驗的細節(jié)隨時提醒，輔助老師完成實驗教學。實驗結束后，將同學們實驗過程中遇到的流程或者是器材方面的問題進行總結，反饋給老師，協(xié)助老師對教學科研成果進行整合。這樣，實驗的教學改革效果也可以得以體現(xiàn)，同時在老師和同學之間起到溝通作用，教學改革內容也可以隨時更新，隨時跟進，形成一種良性循環(huán)。

(2) 環(huán)境工程專業(yè)在常規(guī)實驗課程之余，探究小組還可以開展開放性實驗。與課程中的常規(guī)實驗不同，開放性實驗更具有實踐性和體驗性，以探究小組成員為主，向全校學生發(fā)起邀請，一起參與到開放性試驗中來。以“食堂污水檢測開放性實驗”為例，以實驗課老師牽頭，探究小組成員帶志愿者分兩隊到學校兩個不同的食堂采集處理前的廢水，在水樣采集過程中，帶領大家熟悉水樣采集的方法，將水樣帶回實驗室測量BOD、COD等數(shù)據(jù)指標，由實驗小組成員帶領大家學習各個實驗儀器的操作方法，以及對應的分析方法。選擇合理的污水處理設備，向大家普及各種不同的處理設備以及相應的處理試用水樣和處理效果[7]。經過開放性實驗，探究小組成員也學習并掌握了對應的檢測儀器以及分析方法，這是在以后的科研或者工作中會經常遇到的，同時實踐性強的開放性實驗也增強小組成員的實踐操作能力，提高了務實意識。

(3) 探究小組還能給實驗設備的研發(fā)提供一些改進思路。例如在酸性廢水和過濾實驗中，同學們普遍出現(xiàn)處理效果不理想的現(xiàn)象，探究小組通過討論發(fā)現(xiàn)二氧化碳吹脫塔的填料浮動過大，可能對實驗結果產生了較大影響，在查閱資料和討論過后，提出可以在填料層上增加1層壓實網，給填料提供一定向下的壓力，減弱因為填料浮動而造成的二氧化碳吹脫不徹底的影響。這些思路可在實驗設備的研發(fā)中提供參考。

4 實踐效果

在實驗教學新模式下同學們獲益良多。課前的預習環(huán)節(jié)中，學生不再依賴于以往實驗指導說明書，而是自主搜集資料，了解實驗原理，在查閱各種不同文獻的過程中，進行比對，對整個現(xiàn)有的實驗體系有了一個全面的認知，同時也更能發(fā)現(xiàn)實驗中的局限性以及可以改進突破的創(chuàng)新點，課上的理論知識不僅得到深層次的鞏固，并且得到了靈活的運用。同時在熟悉儀器過程中，給同學提供了很多以后工作或者研究中需要用到的儀器使用方法，是很好的學習機會。小組討論設計讓大家的思維都運轉起來，每個人的思路都得到了小組其他成員的評價，明確了同學們自己的思維缺陷以及認知不足，是很好的查漏補缺的機會，學生在討論過程中出現(xiàn)的問題及時得到解決，新的改進思路也可以得到很好的延展。同時，在實驗過程中，同學們的動手能力得到鍛煉，突發(fā)事件的應急處理能力得到提高。在將實驗設計方案付諸于實踐的過程中會遇到各種困難，同學們獨立思考以及互助協(xié)作是一個很有意義的過程。實驗報告的撰寫，提高了同學的數(shù)據(jù)處理分析能力，從問題中分析可能出現(xiàn)的原因，并針對其原因提出解決的建議及辦法，有助于增強獨立思考解決問題的能力，也有助于實驗教學的完善[8]。

新的探究小組成立使實驗教學改革更加可行、穩(wěn)妥，作為一種全新的反饋機制，同學和老師之間溝通更加方便了，老師的教學任務得到減輕，同學們也有了更大的思維空間與創(chuàng)新余地，同學與老師逐漸成為一個緊密的整體。

5 結 語

到目前為止，教學實驗改革涵蓋了實驗任務書的出臺，教學內容自主化，探究小組成立并成功運轉，實驗教學的新模式已經逐漸形成體系，得到同學們的一致好評。但是在不斷地摸索中走出來的新路還需更多的例子來證明其可行性，同時仍存在許多需要改進的地方，在今后的教學中，還要為進一步完善該探索中的實驗教學新模式、新體系而繼續(xù)努力。