階梯遞進式實驗法在固體廢物處理與處置實驗課中的應用與實踐

＊鄭蘭蘭 郭黎 黃炎杰 高樹梅 趙國華

（1.嘉興學院 生物與化學工程學院 浙江 314001 2.浙江暢維環境工程有限公司 浙江 314001 3.浙江省環境工程有限公司 浙江 310012）

據調查數據顯示，全國196個大、中城市2019年一般工業固體廢物產生量為13.8億噸，生活垃圾產生量為23560.2萬噸，由于固體廢棄物處理不當所引發的環境污染問題，也對社會生產、人們生活和生態穩定帶來極大影響，加強固體廢物處置利用迫在眉睫[1]。因此，黨中央、國務院高度重視固體廢物污染環境防治工作，“十三五”期間，修訂發布了《固體廢物污染環境防治法》，創新性開展“無廢城市”建設，多措并舉推進工業、生活、農業領域固體廢物減量化、資源化、無害化，固體廢物污染防治水平大幅提升[2]。

隨著科學技術、經濟不斷快速發展，社會對創新型人才的需求越來越多[3]，既要求高校培養的學生不僅具有深厚的理論專業知識，同時為了順應時代的發展要求，各大高校也在大力培養科技人才，激發自主創新能力。這也就要求我們在培養高端型化學學科科技人才的前提一定要立足于基礎教學，培養學生的基本實驗能力，基礎專業技能和科研素養[4]。

實踐教學是培養學生創新能力的根本途徑，是理論與實踐、知識與能力的融合點。以往傳統模式的教學中，老師介紹實驗的原理、目的、方法步驟，準備好實驗材料，學生進行實驗，獲得實驗結果，分析結果，形成實驗報告[5-6]。此過程中，學生難以靈活地運用理論知識于實驗實踐中，不利于學生的自主思考、探索和創新。這種模式下，學生雖然獲得了學分，但忽略了實驗的真正目的和意義，導致學生缺乏成就感。因此，改變單一的、以演示和驗證為主的傳統實驗教學形式，開設綜合性實驗是新時期實驗教學的趨勢[7]。

1.實驗改革與成效

針對以上傳統實驗教學模式地局限性，作者選取了《固體廢物處理與處置》這門實驗課為研究對象，將階梯遞進式的綜合性模式引入到《固體廢物處理與處置》這門實驗中，所謂階梯遞進是指在設計實驗任務時，將其難度設計為由易—較難—難的層層遞進模式[8]，其優點是讓學生在完成簡單的任務過程中，看到成就，體驗成功，培養和激勵學生做實驗的積極性，樹立學生的信心。在此基礎上，去完成較難的任務，并適時對學生進行啟發和引導，開展討論，能讓學生感到自我的不足，有助于激發自我完善的欲望，啟動不斷學習的動力，從而有效地提高學生的綜合能力。遞進式實驗項目的設置，目的是讓學生能夠靈活熟練地掌握從事學科研究的理論知識和操作技能，以適用環境工程相關事業發展對人才的新要求[9]。

本課程實驗選取了建筑垃圾的破碎與篩分、污泥脫水性能的測定與表征、餐廚垃圾批式厭氧發酵產沼氣實驗研究3個實驗進行了實驗教學改革，旨在提高學生綜合應用所學知識、獨立解決問題、創新思維、文獻檢索等方面的能力。同時，可以讓學生更為深刻地理解生態文明思想，踐行清潔生產、循環經濟等生產方式，推動形成綠色發展方式和生活方式[10]。具體改革內容如下：

(1)實驗流程及課程目標

相對于傳統實驗，階梯遞進式實驗法會給學生較大地獨立思考空間，例如，自己查閱文獻、設計實驗技術路線、分析實驗問題等，通過老師的審核后，最終確定自己感興趣的實驗方案。同時也會給學生更多的動手機會，例如，獨立完成自己實驗方案中所涉及的每一步操作及不同儀器的使用等。在此過程中，不僅可以激發學生的主觀能動性、創造性，還可以鍛煉學生團結合作、與人溝通的能力。具體地實驗流程與課程目標如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

(2)階梯式實驗內容

本課程實驗分別選取了建筑垃圾破碎、污泥脫水性能的測定與表征及餐廚垃圾批式厭氧發酵產沼氣實驗研究3個實驗，這3個實驗所涉及的垃圾均是典型的城市廢棄物，但它們的處理方法卻不一樣，依次為驗證性、設計性、綜合性。3個實驗項目的基本目的和內容如圖2所示。

圖2 遞進式實驗項目的目的及內容思維導圖

首先，開展的是建筑垃圾破碎篩分實驗，屬于驗證性實驗，主要讓學生能夠根據垃圾的性質，初步判斷適合破碎處理的固體垃圾類型，最終確定垃圾破碎及篩分的具體流程，最后根據篩分數據分析問題。在此過程中，可以培養學生的實驗操作、數據分析等其它技能，初步激發學生對實驗的積極性及主動性。

其次，開展的是設計性稍強的污泥脫水性能的測定實驗，老師會提前給學生提供一些相關文獻，供學生參考。學生會根據指導老師的安排或者自行選擇，按照提供的文獻，分組預習，選擇一種或幾種預處理方法，設計實驗流程。最終使學生能夠熟知污泥脫水的各種方法，并借助相關指標初步判斷污泥脫水性能，判別各種方法的優缺點。此過程中，學生可以運用所學的理論知識對實驗給予準確的判斷、分析、設計等，從而產生較強的成就感，由此很大程度上激發學生的積極性和學習熱情。

最后，開展的是綜合性強的餐廚垃圾批式厭氧發酵產沼氣實驗研究驗，實驗復雜程度較大，所涉及的實驗操作及使用儀器較多。該實驗目的主要是：①通過實驗訓練，能夠根據接種物和底物的理化性質，設計厭氧發酵實驗的物料比，初步具備實驗設計能力。②通過實驗操作，能夠借助理化指標，初步識別厭氧發酵的特性，判斷厭氧發酵過程的穩定性。此實驗綜合性難度的加深，涉及多方面的拓展，基于以上兩個實驗的經驗，學生需要將所學知識理論、查閱文獻能力及實驗技能融會貫通在一起，通過團隊合作，最大程度地發揮自己的主觀能動性及實踐操作能力。

(3)調查與成果

針對本課程開設的實驗，作者進行了相關的問卷調查，如表1所示。

表1 關于固廢相關實驗設置的調查問卷及結果

通過調查問卷顯示，54.35%的同學認為畢業幾年后，對餐廚垃圾厭氧發酵這一實驗會很有印象，41.3%的同學認為會有點印象，4.35%認為沒有印象，這可能是因為他們認為以后工作若不涉及這方面，會很快遺忘，也可能是他們對此實驗內容的興趣較小。93.47%同學認為開設餐廚垃圾厭氧發酵這一類綜合性、設計性實驗對他們有所幫助，也有2.17%同學認為沒有幫助，這是因為他們在查閱文獻、設計實驗等方面欠缺經驗，也可能是他們沒有真正理解實驗目的及思路等，針對此問題，我們將加強對學生查閱文獻、分析問題、實驗操作等多方面能力的培養，同時會嚴格考查學生預習實驗的結果。86.96%的同學認為餐廚垃圾厭氧發酵這一實驗的設計比一般常規實驗更能學到新的理論知識和實驗技能，13.04%的同學認為兩者差不多，這可能因為本實驗所包含新的理論知識及實驗技能并不是很突出，也可能是這部分學生在參與相關的科研實驗中，已經接觸到這方面的實驗研究理論及操作等。

2.結論與展望

本文將階梯遞進式實驗法應用在《固體廢物處理與處置》實驗課中，利用現有的實驗室資源，將驗證性、設計性及綜合性3種實驗模式相結合，最大程度激發學生的文獻查閱、實踐、創新、主觀能動性及團隊合作等能力。在此過程中，發現大多數學生不僅掌握了以上各種能力，還能更深入學習到相關理論知識并掌握相關實驗技能，同時高效激發了學生的求知欲，已達到我們的教學目的。

在今后的實驗教學工作中，我們將繼續不斷地探索和創新，將由淺入深式綜合性實驗法有效地融入本科實驗教學中，以提高學生的實驗操作能力和自主創新思維為目的，為培養高水平本科人才貢獻微薄之力。