基于創新訓練的開放式化學實驗教學設計與實踐

吳淑琰 葉陶靈 黃微雅

摘? 要 探索以創新訓練為目的的開放式化學實驗教學過程，教學實踐表明，經過延學課堂知識、尋找研究主題，了解發展趨勢、提出研究假設，設計實驗方案，解決困難疑惑，助推深入探究和拓展創新，學生經歷了一次相對系統完整的課題研究創新訓練。通過開放式實驗學習，綜合運用專業知識和技能解決實際問題，提升了學生的科學創新能力和素養。

關鍵詞 創新訓練;開放式實驗;化學;排水科學與工程;電絮凝技術

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）04-0115-03

Teaching Design and Practice on Open Chemistry Experiment for Purpose of Innovation Training//WU Shuyan， YE Taoling， HUANG Weiya

Abstract This paper explored the open experiment in chemistry tea-

ching with the aim of innovation training. Students experienced a relatively complete and systematic innovation training in project research， through extending classroom knowledge， searching for research topics， reviewing development trends， proposing research hypotheses， designing experimental schemes， solving difficulties and doubts， promoting in-depth exploration and expanding innovation. The teaching practice indicated that students’ scientific innovation ability and quality were improved by applying professional know-ledge and skills to solve practical problems during the open experi-ment learning period.

Key words innovation training; open experiment; chemistry; drai-nage science and engineering; electro flocculation technology

0 前言

創新型人才的培養是國家戰略發展的需要，將大學生的創新創業教育融入人才培養體系，有助于學生的個體成長和全面發展[1-2]?；瘜W是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗是化學教育教學的重要組成部分，可以作為培養學生創新實踐能力的重要教學環節和主要途徑，在高等教育實踐教學體系中占據重要地位[3]。其中，開放式實驗教學尤為注重培養學生的創新思維和創新能力[4]。

浙江水利水電學院給排水科學與工程專業化學實驗教學體系以階梯式螺旋上升的模式全面培養創新應用型人才：普通化學主要以驗證性實驗奠定學科基礎;逐步上升到專業核心課程水分析化學綜合實驗，通過綜合設計性實驗，培養學生綜合解決水分析化學中相關實際問題的能力;最頂端是與專業課銜接的提升型創新訓練實驗，主要面向高年級本科生或化學知識技能基礎較好，有較強創新意識，對科學研究有濃厚興趣，并學有余力的二年級以上本科生，以開放式實驗教學為依托，結合大學生創新實踐團隊項目的模式修取相應學分。目前，創新訓練實驗項目大多來源于專業教師科研項目，創新成果轉化或者學生從課堂教學拓展知識中發現并挖掘有興趣的課題，在專任教師的指導下完成項目[2]。其中課堂知識拓延的課題更貼近學生的知識構架，在導師的指引下，更能激發學生的內在學習驅動力，也更能鍛煉學生的自主創新能力。本文以電化學絮凝技術為拓展知識點的創新訓練項目為例，闡述開放式實驗教學模式的實施過程。

1 延學課堂知識，從身邊尋找研究主題

針對給排水科學與工程專業特征及需求，物理化學作為專業基礎課，授課知識點主要集中在電化學、膠體化學、界面化學以及化學動力學等章節，并以其在水處理中的應用作為延學內容，拓寬學生的知識面，并盡量做到與后續水質工程學專業課程的良好銜接。不同學生從自身的知識構架出發，在教師課堂授課相關知識拓展引導下，某些知識點會與其自身的學習興趣點發生碰撞而萌生探究的想法。

例如，膠體化學是水質工程學課程中關于絮凝的重要化學基礎知識，學生理解了傳統化學試劑鋁鹽或鐵鹽的混合絮凝機理，高年級的學生在探究了原水混凝實驗后，對其機理有了更深入的認識。結合電化學在水處理技術中的應用實例分析，其中以Al、Fe等金屬為陽極的電絮凝技術，混凝過程中無須添加化學試劑，無二次污染的特點，引起部分學生的興趣點：電絮凝技術除了處理污廢水之外，能否凈化一些身邊的微污染水體，使這些水資源得到再生利用呢？

2 了解發展趨勢，提出研究假設

學生最初的原始想法與創新訓練項目仍有較大的差距。在學生能熟練運用學校圖書館電子資源的基礎上，引導他們查閱文獻，了解當前電絮凝技術的應用和發展狀況，并及時向教師反饋和交流，在前人已做工作的基礎上提出問題和假設，并鼓勵他們嘗試撰寫綜述性小論文，也為下一步的實驗方案的設計制定打下基礎。通過查閱文獻，學生發現電絮凝技術是一項比較成熟的技術，在水處理方面的應用也十分廣泛，其中關于雨水的處理凈化引起學生的關注。根據往屆學生課外科技活動關于雨水水質情況的調研數據發現，初期雨水污染較為嚴重，且不同屋面的雨水水質差異較大。雨水是寶貴的淡水資源，收集雨水是解決水資源供需矛盾的重要途徑之一，那么，能否運用電絮凝技術凈化不同屋面的雨水并再生回用呢？這是一個比較有現實意義的課題。

3 設計實驗方案，制定技術路線

確定項目主旨之后，需對課題實施方案的合理性和可行性進行分析。由于其中涉及許多基礎理論知識和實際應用操作，小組成員與指導教師進行了多次交流和探討，對實驗方案進行具體的分析評定和討論。通過仔細分析前期雨水水質調研數據，根據校園范圍內房屋屋面特征，初步篩選三種代表性屋面作為研究對象，分別為瀝青、水泥和種植屋面。依據現有實驗室條件和國家相關水體的水質標準，選取部分水質監測指標，如pH、濁度、CODMn等，作為評價此次雨水水體的指標。對于電絮凝技術中電解時間、電解電壓、電極間距等工藝條件的優化，由于各實驗室條件的差異，教師建議在借鑒他人研究的基礎上，先探索優化自身的工藝條件，再進行模擬凈化調試，并制定了相應的項目實施技術路線方案，如圖1所示。通過完善實驗方案，更加深了學生對給排水科學與工程專業所涉及化學知識的理解。

4 解決困難疑惑，助推深入探究

按照既定實驗方案，向學院預約開放式實驗時間和實驗所需設備與試劑。在自制實驗器材、定做實驗模型器具、購置小型實驗設備的過程中，學生的各項能力都得到淋漓盡致的發揮和鍛煉。實驗探索的過程并非一帆風順，崎嶇的探究之路需要集師生的毅力、韌性和智慧一起克服困難，當面臨的困惑被解答后，豁然開朗，這正是科學探究的魅力所在，也是創新訓練的初衷所在。

例如，由于雨水采集和保存的特殊性、與上課時間的沖突等采樣難問題，每次都以實際屋面初期雨水為受試水體不太切合實際。經過與指導教師討論協商后，對方案進行相應調整，選用模擬雨水進行實驗工藝條件的探索。優化實驗工藝條件完成后，以實際雨水作為受試水體進行凈化模型測試。

模擬雨水配水過程中，最初嘗試采用葡萄糖配置溶液中的CODMn，發現對于可溶解性葡萄糖配置的溶液，其高錳酸鹽指數值在電絮凝前后基本沒有變化。針對這一現象，組員經過討論，認為電絮凝對可溶性的有機物產生的CODMn基本無去除效果，電絮凝能降低水中高錳酸鹽指數，主要是通過絮凝沉淀包裹在懸浮物顆粒中的有機物。

有組員提出：讓水體靜置自然沉降和電絮凝一定時間后再進行沉降，兩者的區別有多大？經過實驗驗證發現，對于膠體懸浮物較多的雨水，自然沉降效果不如電絮凝后沉降。但是，濁度儀測定的數值顯示兩者的差距并不大。細心的組員發現電絮凝沉淀后的上層清液中有一些懸浮的極其細小的絮體顆粒，影響了濁度的測定。再次查閱文獻資料后，得出實際應用中電絮凝—砂濾組合的方法更適合微污染水體的處理，因此嘗試調整凈化工藝，采用電絮凝—砂濾組合工藝。組合工藝的運用使出水水質得到進一步的改善。

直接用砂濾是否也能達到一樣的效果？這是探索過程中的又一個疑惑。實驗發現，直接砂濾的凈化效果和組合工藝相差不大。但是，在凈化懸浮物、膠體物質較多的水體時，若直接砂濾，濾柱水頭損失增速加快，需增加濾柱的反沖洗頻率;若改用組合工藝，先電絮凝并經過一定時間沉淀后的水體，再進入砂濾柱，相較于直接過濾，濾柱水頭損失增速減緩。

5 凈化實際水體，拓展創新應用范圍

在確定優化實驗工藝條件之后，就三種典型屋面實際雨水進行電絮凝—砂濾組合工藝凈化處理，發現對于較清潔的種植屋面或長時連續屋面雨水，出水經過簡單的自然沉降或直接砂濾，便能達到城市污水再生利用的城市雜用水水質標準;對于初期或短時暴雨沖刷后的水泥和瀝青屋面雨水，其中含有的泥沙和膠體物質更多，利用電絮凝和砂濾組合工藝能更有效地凈化水質。

通過對電絮凝工藝實驗條件的探究以及自然沉降、直接砂濾和電絮凝—砂濾組合工藝的比較，實際處理效果的經驗總結和實驗結論，使學生對各類屋面雨水水體的凈化有了更深入的認識，并提出后續可根據雨水—太陽能聯合利用模式建立屋面雨水收集、凈化及供水等一體化的綜合雨水利用系統。

針對電絮凝工藝清潔、易操作、節約占地、投資運行費用少等特點[5]，學生認為除了凈化屋面雨水之外，還可以根據需要進一步拓展其應用范圍。針對目前浙江省農村飲用水提升工程中遇到的一些技術問題，如絮凝劑人工添加不及時，山區單村供水工程的溪坑水源水隨水文季節變化，水質濁度變化大，絮凝劑投加量未能及時變更等問題，能否通過智能化電絮凝技術得到一定的改善？學生經過調研和文獻查閱，將其應用到農村水源水凈化適用性研究的項目，已被立項為校級大學生創新創業訓練計劃項目。

6 結束語

從文獻資料查閱到實驗方案設計，逐步深入探究，遇到困難后再次查閱文獻，調整思路解決疑惑，拓展創新應用范圍，鞏固成果和知識，使學生經歷了一次相對完整系統的課題研究創新訓練。這不僅是對專業知識和技能的綜合運用，也調動了學習的主動性，提高了學生綜合解決實際問題的能力，使其科學創新能力和素養得到訓練和提升。開放式實驗教學不同于以往的實驗教學，教學周期長、跨度大，教學主題更為深入復雜，需要教師具備非常充足的專業知識技能儲備和較強的科研能力。同時，在學生遇到困難時，不但要給予專業知識方面的指導，還要給予心理上的鼓勵和肯定，促使其順利完成項目。因此，教師需要不斷地鞭策自己提升專業學識以及指導學生學習和心理思想發展的技能?！?/p>

參考文獻

[1]鄒艷芳，章立新，高明，等.“大學生創新創業訓練計劃”與實驗教學的協同關系[J].實驗技術與管理，2016（9）：172-174，185.

[2]趙士博，于惠霖，鄭淮遠，等.雙創背景下科研競賽型導師制的研究與探索[J].課程教育研究，2020（17）：233-234.

[3]王玉芹，韓靖，劉婉君，等.通識教育背景下綜合化學實驗教學體系的功能拓展[J].化學教育（中英文），2019（14）：

37-40.

[4]金顯春.化學開放式實驗教學在普通化學課中的探索[J].化學教育，2008（10）：55-56.

[5]張瑞，趙霞，李慶維，等.電化學水處理技術的研究及應用進展[J].水處理技術，2019（4）：11-16.

3829501908259