“水質工程學”實驗課程教學改革實踐
——以北京林業大學為例

李若愚 曲 丹 孫德智 王毅力

(北京林業大學環境科學與工程學院，北京 100083)

“水質工程學”是給排水科學與工程專業(以下簡稱給排水專業)的一門核心主干課程，也是全國高校給排水和環境工程等相關專業的重點課程。其主要教學任務是讓學生系統了解水的性質、水的特征、水質指標、水體污染危害與水體自凈等基本概念與理論，扎實掌握各種水處理的工程技術與方法以及應用條件，為將來從事水處理的工程設計、科研及運行管理等工作奠定理論和應用基礎[1]。實驗課程是“水質工程學”課程的重要組成部分，是理論聯系實際的關鍵，也是鞏固強化該課程理論知識、鍛煉學生實踐能力、培養學生創新性思維及解決實際環境問題能力的重要環節[2-4]。

一、“水質工程學”實驗課程教學的特點

(一)實驗內容豐富，體現了水處理技術的現狀與發展趨勢

“水質工程學”實驗課程作為給排水專業的核心課程，其實驗內容豐富，涵蓋了多種水處理技術的原理、工藝流程、科研最新成果以及水處理技術的發展趨勢。北京林業大學“水質工程學”實驗課程為40學時，實驗操作內容包括混凝實驗、顆粒自由沉降實驗、過濾實驗、折點加氯消毒實驗、離子交換除鹽/軟化實驗、反滲透除鹽實驗、膜分離過程實驗、活性污泥指標測定實驗、曝氣充氧系數的測定實驗、污泥比阻的測定實驗等。學生在學習完水質工程相關專業知識后，通過實驗課程開展水處理工藝的相關實驗操作，從而學會廢水、給水的水質指標測定方法，掌握自來水廠傳統工藝(混凝、沉淀、過濾、消毒)、除鹽工藝(離子交換、反滲透、膜分離)和廢水處理工藝(污泥指標、曝氣充氧)的相關技術、基本原理、反應過程和計算方法，了解城市給水技術和廢水處理的實際工程技術情況。“水質工程學”實驗課程豐富的實驗內容，體現了水處理技術的現狀與發展趨勢，為學生未來從事相關的科學研究和工程設計奠定理論和實踐基礎。

(二)實驗教學注重學生操作能力和分析解決問題能力的培養

“水質工程學”實驗課程教學圍繞學生的實際操作開展，主要內容有實驗裝置的運行控制、投加藥劑的種類和數量控制、水樣的采集和水樣分析測試等，這些內容全部由學生設計并操作完成。在此過程中學生需要結合理論知識計算和確定實驗裝置的運行參數，控制實驗裝置的運行過程，根據水樣的分析測試結果及時調整實驗裝置的運行參數。這些實際操作既能加強對學生實驗操作能力的訓練，又能使學生在深刻理解理論知識的同時，培養分析問題和運用理論知識解決實際問題的能力。

二、“水質工程學”實驗課程教學存在的問題

(一)實驗指導書內容簡單，實驗操作部分薄弱

“水質工程學”實驗課程原有的實驗指導書內容由實驗目的、實驗原理、實驗裝置和設備、實驗步驟、實驗結果和結果討論6部分組成。其中，實驗原理的相關內容豐富且表述清晰，而實驗的具體操作步驟則陳述簡單，且操作性較弱。學生在進行實驗操作時，由于缺少實驗步驟的詳細準確的表述，學生只能根據自己的理解進行實驗操作，常常出現操作錯誤。而在實驗中一旦產生錯誤的操作，會導致在兩個方面產生不良影響：一是影響學生順利完成實驗，得不到理想的實驗結果，進而影響在實驗結果分析與討論環節的訓練效果；二是實驗誤操作可能還會引發實驗事故，危及學生的人身安全。因此，應改進實驗教學的指導過程，充實指導書中有關實驗步驟的內容，以保證實驗教學的順利進行。

(二)實驗課程考核方式單一，實驗操作過程的考核薄弱

傳統的“水質工程學”實驗課程采取的是平時成績和期末考試成績相結合的考核形式。其中，平時成績主要依據學生的出勤率進行考核。而實驗課程教學要求學生必須親自進行實驗操作，因此學生的出勤率均為全勤，所以依據出勤率計算的平時成績均為滿分；實驗課程的期末考試成績為學生實驗課程的筆試成績。期末考試成績雖然能評價學生對水質工程基本概念、技術方法和實驗操作的理解和掌握情況，但是筆試僅僅是對理論知識的考核，其成績常與學生在實際操作中所體現的能力存在較大的差異。因此，單一的實驗課程考核評價方式無法對學生實際操作能力進行考核。

(三)實驗報告缺少根據實驗結果進行分析和總結的內容

實驗教學改革前，學生完成實驗報告時，會照搬實驗指導書上的實驗原理、實驗步驟和實驗方法等內容，按部就班地完成實驗報告，導致實驗報告千篇一律，難以通過實驗報告的質量區別學生的實驗效果。實驗課程教學缺少基于實驗結果開展的分析訓練，影響了學生實驗綜合能力的提升。

三、“水質工程學”實驗課程教學改革的措施

(一)完善實驗指導書內容，增強實驗步驟的可操作性

為了增強實驗指導書的可操作性，北京林業大學“水質工程學”實驗課程的任課教師將實驗指導書內容進行了重新整合，豐富并細化了實驗指導書中實驗步驟的內容，學生根據實驗步驟進行實驗操作時，需根據實際操作中發現的問題提出改進建議，并說明原因，進而對實驗步驟進行不斷改進。這種對實驗指導書進行適時修改更新的模式，不僅保證了實驗操作過程中的規范性，也保障了實驗操作的安全性。筆者以“離子交換除鹽實驗”為例，說明實驗指導書的豐富和細化情況。

使用離子交換法除鹽裝置對自來水進行除鹽操作實驗首先應繪制H離子交換樹脂軟化出水的水質變化曲線和復床除鹽系統出水水質變化曲線，之后分析出水水質變化規律。具體做法是指導教師首先引導學生在實驗中使用具四氟活塞層析柱填裝離子交換樹脂，通過蠕動泵向層析柱內泵入進水(自來水)，使用燒杯接取軟化出水；之后學生測定出水的pH、硬度和電導率指標，并根據水質指標繪制出水水質曲線，至此完成整個實驗操作。“水質工程學”實驗課程原實驗指導書中部分實驗步驟的內容見圖1。

圖1 “水質工程學”實驗課程原實驗指導書中部分實驗步驟的內容

由于改革前實驗指導書中實驗步驟較為簡單，學生只能根據簡單描述的實驗步驟摸索著進行相關的操作，可能導致出現實驗結果不理想的情況，如滴定時超過滴定終點，接取的出水量滿足不了檢測用量以及離子交換柱未穿透等，最終造成學生在有限的實驗課時內，無法順利取得較為準確的實驗數據，無法保證實驗課程的教學效果。

筆者針對實驗指導書中操作內容簡單的問題，對其進行了豐富和細化，對每個實驗步驟都增加了供學生填寫的“改進意見”和“改進原因”兩部分的內容。同時，學生在完成實驗報告時，需要把對實驗步驟的改進意見和改進原因寫進實驗報告，指導教師將改進意見和改進原因納入實驗報告的考核內容，并對學生的改進意見和改進原因的合理性和創新性進行評價，以激勵學生主動思考，培養其發現問題、解決問題的能力。改革后“水質工程學”實驗課程原實驗指導書中部分實驗步驟的改進方案見圖2。

圖2 “水質工程學”實驗課程原實驗指導書中部分實驗步驟的改進方案

“水質工程學”實驗課程結束后，指導教師將學生提出的關于實驗步驟的改進意見和改進原因進行匯總，將合理性的實驗步驟和改進意見及改進原因充實到實驗指導書中，更新后的實驗指導書可用于下一屆學生的實驗課程教學，從而使實驗指導書得到不斷豐富和完善。

(二)制定貫穿實驗全過程的實驗操作能力考核標準

實驗教學主要圍繞學生實際操作開展，因此在實際操作過程中有充足的時間供指導教師對學生的實際操作能力進行考核。其考核內容主要包括操作的規范性、實驗數據收集的完整性和實驗操作能力等。指導教師不僅要對學生安全操作的規范性進行評價，還要根據實驗操作表現對學生進行評價，并將其作為學生實驗課程的平時成績。對學生實驗操作能力的考核標準彌補了以往實驗教學以出勤率和筆試成績作為考核標準的弊端，達成了實驗課程培養學生實驗操作能力的主要目的。“水質工程學”實驗課程考核中實驗操作能力考核標準見表1。

表1 “水質工程學”實驗課程考核中實驗操作能力考核標準

(三)實驗報告增加結果分析和自我評估兩項內容

北京林業大學“水質工程學”實驗課程要求學生按照實際的操作過程，基于實驗結果和綜合分析結果進行實驗報告的編寫，并用科學語言對實驗過程加以描述和分析。學生撰寫的實驗報告應包含三部分內容:一是本課程規定的實驗報告內容；二是實驗結果分析；三是對實驗操作的自我評估。同時，實驗報告要按規范格式進行書寫。實驗結果分析要求學生依據實際的實驗結果歸納實驗結論，并結合所學的專業知識和查閱的相關文獻信息，分析實驗結果在給排水工程中應用的意義。自我評估要求學生評價本次實驗的完成情況，綜合評估是否達到了實驗目的，如有未達到預期的結果，需分析具體原因并提出改進方法。指導教師在進行實驗報告批改時，對學生結果分析和自我評估的內容進行重點評判后，應給出合理的建議。

四、“水質工程學”實驗課程教學改革的成效

(一)提高了教學質量，鍛煉了學生的創新能力

通過豐富和充實實驗指導書內容，提高了實驗指導書的可操作性，節約了指導教師描述實驗步驟的時間，從而可以更加深入地進行實驗原理及應用方法的講授，提高了實驗課程的教學質量，拓展了實驗教學的深度。

同時，學生在實驗課上能主動思考，積極參與實驗教學，并對在實驗操作過程中發現的問題提出解決的新思路、新方法，提升了創新能力。更新后的實驗指導書制定了實驗操作的規范和標準，降低了學生在實驗操作過程中發生誤操作的可能性，而且減少了學生無效實驗操作的時間，提高了實驗效率，保護了學生在實驗過程中的人身安全，保障了實驗教學的順利開展。

(二)突出了對實驗操作能力的考核，促進了實驗課程教學目的的達成

改革后的“水質工程學”實驗課程考核覆蓋了實驗準備、實驗操作、檢測分析和數據記錄整個過程，對學生的實驗操作能力進行了重點考核。這種考核方式有效解決了實驗課考核方式單一的問題，使學生既能深刻理解實驗課程的教學內容，又凸顯了實驗課程著重對學生實驗操作能力培養的教學目的。

(三)提升了實驗報告的質量，培養了學生的實踐能力

實驗教學改革后，“水質工程學”實驗課程的實驗報告是以實際操作結果為基礎撰寫的，在一定程度上避免了抄襲的現象，實驗報告新增加的實驗結果分析和自我評估兩項內容不僅激發了學生獨立思考和解決實際問題的積極性，而且培養了學生的實踐能力。