混凝设计性实验在研究性教学中的应用

王淑勤，刘明珠，王可心

（华北电力大学 环境科学与工程学院，河北 保定 071003）

研究性教学模式是近年来大学教学方法改革的重点［1－3］，是创新人才培养的成功模式之一［4－6］。《教育部关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》指出，要积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力。水污染控制工程是环境工程专业中应用性、实践性很强的一门课程，在该课程中进行研究性教学实践已经成为各高校关注的焦点［7－9］。该课程也是华北电力大学环境工程专业的核心课程，2013年的研究性教学试点课程。

目前关于水污染控制工程课程体系改革的研究取得不少进展［10－13］，但是实践环节大多仍局限于传统的教学，教学实验一直以演示性、验证性实验为主［14］，学生主动参与的积极性难以发挥，不利于学生综合素质的提高。为培养学生的实践动手和创新能力，需要对现有的实验项目进行综合性、设计性、创新性改革［15－16］。

为了体现华北电力大学“研究型、国际化”的办学特色，我们不仅更新水污染控制工程课程教学内容，通过案例教学，强化工程应用［11］；还通过强化实践能力训练，提高学生动手能力，取得了较好的教学效果。将“水污染控制实验”中的经典实验——混凝实验作为改革对象，使学生通过方案设计、分析测定、结果讨论等过程，培养他们分析问题和解决问题的能力，从中获得解决现实问题的经验，最终形成自主学习的意识和提高应用能力，将研究性教学实践的改革落到实处。

1 混凝设计性实验的教学安排

1.1 实验安排与指导

（1）实验开始前3～4周，授课过程中详细讲述混凝作用原理、各种混凝剂的特性以及影响混凝效果的各种因素，使学生掌握混凝实验所应具备的理论知识和规律。

（2）实验开始前2～3周录制实验操作、浊度仪的使用视频供学生预习实验，使学生初步了解实验过程、实验循序，仪器使用注意事项。

（3）实验开始前1～2周向学生下达实验任务书，明确实验目的、方法和要求，进行分组制订实验方案。

1.2 实验方案的设计制订

根据学校的实验条件确定实验药品和仪器的类型、数量、实验方法和实验步骤，在研究中培养学生的能力。学生以宿舍为单位分成小组，进行分工协作，设计性实验每3～4人一组，要求学生上网查阅“中国期刊网”、“维普数据库”、“Elsevier”、“Springer”等数据库，仔细查阅与混凝沉淀实验相类似的研究论文［17］，在已有验证性实验［14］基础上事先设计实验方案。学生可选择1种混凝剂、2种水样、3～4个影响因素进行实验，也可选择2种混凝剂、1种水样、3～4个影响因素进行实验，确定实验用的混凝剂种类、影响因素、实验顺序和操作步骤，给出实验记录表格，要求各组之间充分交流，避免重复和抄袭，实验方案确定后交任课教师批改修正。

1.3 实验方案的实施与指导

实验过程中任课教师现场考察每组学生的实验操作，及时纠正不规范的操作步骤。学生首先对原水的浊度、pH值等指标进行测定，以浊度去除为对象，依照自己拟定的实验方案，进行混凝实验。实验过程中不仅要及时测定剩余浊度，还引导学生及时观察和记录水样颜色的变化、矾花的大小和密实程度、形成沉淀物的多少，必要时进行拍照对比，强化学生对混凝效果的感性认识，引导学生用规范的语言描述混凝现象，提高分析表达能力。

实验过程中发现异常现象时，任课教师及时帮助学生分析原因，修改实验步骤和操作顺序，使处理后的水质达到清澈干净；做好原始数据记录，以便实验结束后进行分析总结。允许不同组别之间测试结果有差异，只要数据合理，能够找到设计方案中的最佳实验条件，实验就达到目的。如果找不到最佳实验条件，允许学生反复探索，将实验内容与解决实际问题紧密联系起来，激发学生进行科学研究的兴趣，鼓励学生的创新性思维。

1.4 实验考核与成绩评定

为凸显实验教学环节在人才培养计划中的地位［12－13］，该课程的考核相应进行了调整，实验课成绩占课程结业成绩的20%；在实验成绩评定中，实验操作考核占40%，实验预习和设计报告占20%，实验数据分析和实验现象记录以及思考题等占40%。

2 实验现象的观察分析

引导学生“在实验中研究，在研究中实验”，提高学生实验的主动性和积极性，在实验中进一步促进学生对专业知识的理解和掌握，提高学生的归纳总结、类比分析能力。

2.1 不同土质的混凝效果分析

来自燃煤电厂电除尘器第3电场的粉煤灰呈灰色，含有很多固体氧化物，成分复杂，粒度不一；呈黄色的天然黏土中也含有粒度不一的多种物质，因此水力冲灰水和含有黏土的水中悬浮物和胶体含量均高，利用混凝剂可以有效降低水的浊度，但两者残余色度不同。有些组对比了两者的混凝效果，如图1所示。

图1 粉煤灰左侧和黏土右侧的混凝效果

2.2 不同混凝剂的混凝效果分析

众多混凝剂中铁盐和铝盐最常用，但是两者颜色不同，形成的矾花粒度、密度均不同，前者明显粗大，但是上清液有残余黄色，后者矾花细小不易下沉，但是上清液无颜色。学生对比了铁盐和铝盐的混凝效果，见图2。

图2 铁盐左侧和铝盐右侧的混凝效果

2.3 实验条件对混凝效果的影响

温度、投加方式、pH值不同混凝效果明显不一样。适当加热有利于混凝剂与胶体混合、加快扩散，形成粗大密实的矾花。有些学生组设计的加热对铁盐混凝效果的影响见图3。

图3 升高温度对铁盐的混凝效果的影响

混凝剂投加方式一般有2种，一种为固体投加，另一种为液体投加，两者有什么不同，有些组的学生设计实验方案进行对比研究。固体投加产生的钒花大而且多，但是用盐量多；液体投加产生的钒花略小而且少，但是消耗的铝盐明显减少，所以液体投加更经济，更适合工业上大规模应用。通过对比，学生对教材中混凝剂溶液的配制和投加设备一节的理解更深刻了，实现了理论知识和实际问题有机地结合。

pH值对硫酸亚铁的混凝效果有很大影响，如果开始不调节pH值到碱性，只改变投加量，即便搅拌很长时间，也只能观察到绿色的二价铁盐氧化成黄色的三价铁盐，水样仍然很浑浊、无法与水分离。有些组的学生找不到最佳沉降条件，这时需要教师指导学生先调节pH值，然后再适当控制投加量就会产生粗大、密实的矾花，降低水的浊度，见图4。实验启发学生思考，学生理解了二价铁盐只有在碱性条件下先氧化成三价铁盐才能形成带正电的胶体，从而吸附、中和水中带负电的胶体才会有混凝效果的道理。

然而二价铁盐与三价铁盐混凝效果又有哪些区别呢，为此有些组的学生设计实验进行对比研究，同样在碱性条件下三价铁盐形成的矾花粗大密实、易下沉，混凝性能优良，更适合工业上大规模应用，因此学生对教材中常用混凝剂一节的理解更深刻。

助凝剂硅酸钠起到增大矾花粒度、增多矾花数量，提高混凝效果的作用，有些学生设计了如图5所示的硅酸钠提高铝盐效果的实验，效果很明显。

图4 pH值对硫酸亚铁混凝效果的影响（左侧为酸性，右侧为碱性）

通过这些对比实验，学生对混凝的净水机理及影响混凝效果的主要因素有了进一步的感性认识，在反复实验过程中学会了思考，提高动手能力的同时，增强了分析问题和理论联系实际的能力，激发了学生进行科研实验的兴趣。

图5 硅酸钠对铝盐混凝效果的影响

3 实验结果的讨论分析

在设计性实验指导过程中除了引导学生进行定性分析、认真观察水样颜色的变化、培养学生的观察能力外，还要求学生进行定量测定不同工况下水样的剩余浊度，进行记录，实验结束后进行作图分析，总结规律，寻找失败的原因，进一步提高分析问题、解决问题的能力。

3.1 混凝剂最佳投加量的确定

在确定每种混凝剂的最佳投加量时，要求学生至少改变4个工况测定水样的剩余浊度，如果不能得到最佳值，还要增补数据。

在确定氯化铁的最佳投加量时，有些学生采用了0.618法。首先确定氯化铁的最小投加量，然后加入混凝剂的量分别为最小投加量的倍数，根据实验结果，留好去坏，通过测定剩余浊度，来确定氯化铁的投加量对剩余浊度的影响。由图6可以看出，氯化铁的最佳投加量为0.16mL。

图6 氯化铁的投加量对剩余浊度的影响

在确定氯化铝的最佳投加量时，有些学生采用对分法。每次实验都将实验范围缩小一半，直到确定氯化铝的最佳投加量为0.4mL，如图7所示。

图7 氯化铝的投加量对剩余浊度的影响

3.2 混凝剂最佳pH的确定

采用图形表示法对实验结果进行分析简明直观，便于比较，易显出数据中的最高点或最低点、转折点、周期性以及其他奇异性等。

有些学生通过测得的两种混凝剂最佳pH值的柱状图（见图8和图9），可以清晰地看到，氯化铁、氯化铝作为混凝剂时，最佳pH值明显不同，分别为10.0和7.0。因此对教材中常用混凝剂适用范围的理解更深刻、更直观。

图8 pH对氯化铁混凝效果的影响

3.3 混凝剂的最佳投加量与污染物浓度关系的确定

有些组的学生选取了两种不同的土样，研究了氯化铁的最佳投加量与污染物浓度之间的关系，见图10。如果没有得到线性关系，需要分析实验误差，寻找失败的原因，提高分析问题、解决问题的能力。

图9 pH对氯化铝混凝效果的影响

图10 氯化铁的最佳投加量与污染物浓度的关系

4 结束语

通过对传统混凝实验的改革，不仅有利于学生深入掌握混凝、沉淀机理，还培养了学生自主分析、认真观察、解决问题的能力；通过实验数据的对比分析、实验方案的调整实施，使理论与实际联系得更加紧密，使学生掌握的知识更加扎实，提升了学生的创新意识和实践能力。2011、2012级中有些学生参加国家级、省级、校级重点创新项目，在省级创业大赛、校级节能减排大赛，均取得了不错的名次，同时申报专利2项，说明学生的综合能力得到了锻炼和提高。

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