环境工程实验课程的自主设计式改革

谢明波, 刘慧龙

(武汉大学 资源与环境科学学院,武汉 430079)

0 引 言

环境工程专业作为满足人类社会发展对解决环境问题需求而形成的一个集自然科学、技术科学与社会科学为一体的交叉型的综合性专业，是一个理论性、技术性、实践性很强的专业[1]。其知识面涵盖了物理、化学和生物等多个基础学科，辅以大量设备研发与数据分析的技巧，以及环境问题的具体监测手段，对学生综合实践能力提出了更高的要求。分析问题思路与解决问题的办法在课堂中已经掌握得比较全面，但要真正将理论知识应用到实践中还需大量的实验科研经验作为支撑。因此，以巩固课上理论知识，提高动手操作技能，激活创新设计思维，锻炼数据处理与分析能力的环境工程教学实验课程就应运而生。在理论、技术与实践相结合的过程中，他们将环境工程课程中水、气、固体废弃物的处理以及实验基本方法融会贯通。

因此，为了践行环境工程实验课程设立的目的，必须要打破传统实验教学存在的壁垒。本专业教师经过30年的教学改革，旨在用更为科学的综合课程让同学们在实验教学的课堂中得到锻炼，让本校的环境工程专业的实验课程形成一套目的性强的健全体系。

1 传统方法及存在问题

通过整理历年来实验教学经验，对传统实验教学方法进行了一个简单的总结。虽然前期教学改革提出了具体实验环节考核的制度，实验内容也从静态实验向动态试验进行了改变，但是总的来说传统试验教学依然是围绕“教师实验指导书”展开的“授课型”教学模式。“教学实验指导书”为授课老师针对特定实验内容编纂的详细“说明手册”，其中包括详细的实验原理、器材药品以及实验步骤介绍等，老师在课堂中以此书为蓝本进行教学，同学们也依照其中内容操作，记录与分析实验数据。

诚然，此种实验教学方法已存在多年。教学和操作均围绕指导书展开，因为指导书内容固定，教学程序和时间也固定下来，老师能较好地把控实验教学的开展过程。由于其实验步骤详尽，同学在操作中能独立完成实验。

但是，传统教学模式也衍生出许多问题。一些同学过于依赖实验指导书，认为指导书上内容已非常详尽，没有提前预习的必要性，甚至部分同学只在上课前20 min匆匆浏览实验指导书，对实验原理的掌握也只是囫囵吞枣[2]。对实验器材与步骤不熟悉，也使得实验进行不够顺畅，实验时间往往超出常规实验课时。同时一旦实验出现什么问题也不明所以，不知所措,不能尽快解决，学习的效率十分低下。纵观整个实验过程，缺乏主动思考的环节与时间，这样的实验教学是属于典型的填鸭式教学[1]。因此对传统实验教学进行了根源上的改革。

2 环境工程实验教学方案的改革

有别于教学实验指导书，老师提供实验任务书给同学们参考。实验任务书包括方案设计任务书和报告要求两个部分，其中方案设计任务书简单提供实验的目的，已知条件(实验材料和设备、应用的实验原理、需要得到实验结论)，同学们根据此实验指导书自主设计实验步骤以及数据分析方法，撰写实验设计报告。并且在实验结束后根据得到的数据进行分析，总结实验过程中的问题，得出结论[2]，将这些撰写成实验报告；而“报告要求”则详细说明实验报告的撰写内容以及需要注意的要点。(总共上交两份报告：实验设计报告和实验报告)

围绕实验任务书，建立了一种启发性的实验教学模式：自主式实验教学。要完成实验就必须要设计实验，而设计实验就离不开查找资料和请教学习的过程，所以同学们从实验前的资料准备开始就已进入了自主学习。虽然课前需要大量时间思考与设计，但是在做了充分的准备之后，课堂上讨论与操作就变得更有目的性，效率反而大大提高，实验时间缩短不少，同学的热情也更加高涨。同时，带着实验目的去进行设计思考，这也是大学生今后在科研与工作中的一种常态，早日形成这种自主式思维模式可以为今后的学习与工作打下良好基础。

3 环境工程实验教学方案

在确定了环境工程实验教学改革的指导思想和框架后，按照激发同学们思考和创新能力的目标，编写了环境工程实验教学大纲，改革环境工程实验的教学手段和技术方法，制定出新的环境工程实验教学方案[3]，如图1所示。

图1 环境工程实验教学新方案

下面从实验方案设计任务书、设计实验课堂进行方法、实验环节考核制度、实验报告要求以及探究小组反馈机制5个方面来详述实验教学改革的具体内容。

3.1 实验方案设计任务书

以引导同学们进行自主思考为目的而专门编制的方案设计任务书，在以往演示性、操作性、验证性和综合性的实验基础上，开辟出了设计性和可研性实验的新方向。删除了详细的实验步骤描述，转而只给出实验目的以及提供的条件，给同学们留出足够的思考空间。下面以“酸性废水过滤中和实验”的方案设计任务书为例分别说明。该实验是如何操作的[4]。

(1) 介绍实验意义：酸性废水来源广泛，且过滤中和法，以石灰石为原料，治理费用低，出水水质稳定，处理效果好，一直是酸性废水处理广泛采用技术手段。

(2) 给出设计目的及必要的相关知识点：目的是设计一个典型的原理验证实验，要求通过实验得出滤速、石灰石高度、曝气流速与处理后水质的pH之间的关系；知识点：酸碱中和原理。(这个需要同学在课前就查找好资料，充分熟悉石灰石处理酸性废水的化学与物理反应过程，掌握具体的化学反应方程式与物质数量之间的计算方法)

(3) 提供实验的已知条件：实验选用的主体器材，以及相应的测量仪器等。

(4) 提出实验需要完成的任务和要求：①资料查阅，掌握至少一种特定酸性废水的处理工艺，分析其与水质针对性的特点;②设计出石灰石处理酸性废水的实验步骤，通过控制酸性废水滤速，或曝气吹脱流速，得出滤速与处理后pH之间的关系曲线。并控制时间在一个实验单元(3～4 h);③熟悉实验设备操作。

3.2 课堂实验

(1) 老师在课堂实验中的3项工作。① 针对实验设计,用1学时向学生明确实验目的，授予已有实验设备的基本操作方法及特别注意事项，提供一个思考方向作为参考。让学生第2学时的课堂中根据课前所查阅的资料，展开小组讨论，并最终得出一个最佳设计方案提交老师审核和改进；②学生根据上一次课得出的最终设计方案进行实验，老师对学生的操作进行监督，解答学生实验过程中遇到的疑问，并对学生的实验数据进行审核；③明确实验报告要求，要求学生根据实验任务书的要求，将实验步骤具体化、详细化，统计并分析实验中记录的数据，并针对出现的问题进行深入分析，提出改进意见，鼓励学生大胆提出新工艺。

(2) 同学在实验课堂中要完成5项任务。①前期准备：针对提前发放的实验任务书，明确实验目的，上网查阅资料或者翻阅相关书籍了解详细的实验原理(课前完成)。例如，混凝法处理高浊度水设计试验中，各种混凝剂的混凝原理以及混凝过程中产生现象的原因都是需要在课前查阅资料了解的；而在生活污水处理的实验设计中，要求学生对实验室中4套主要的处理工艺——活性污泥法、A/O法、电解法和上流式厌氧污泥床反应器的每个处理单元的构造原理、合适水质、处理效果都要了解清楚，并且要熟练掌握污泥的培养驯化以及仪器的启动条件；②熟悉设备：第1次课的第1学时，跟随老师的讲解熟悉实验设备的操作原理以及技巧，明确注意事项，及时提出不懂的问题。例如，在酸性废水过滤中和实验设计中使用的仪器是由实验室老师与同学共同研发的一种多联环境工程废水处理及废气治理实验教学装置，包括酸性废水的中和吹脱、二氧化硫的活性炭吸附和碱液吸附等多个实验装置组合起来，学生需要对实验装置的整个运行流程、管路的设置与气液流体的走向了解清楚；③讨论设计：第1次课的第2学时，学生分小组讨论，每组4或5人，进行实验方案的设计，并提交一份设计草案于老师审核，根据老师的建议再改进完善，完成一份最终设计方案。例如在混凝法处理高浊度水设计试验中，学生需要根据实际情况，讨论设计预实验来确定合适的混凝剂投加浓度梯度，以减少后期的工作量；④完成实验：第2次课同样以小组为单位，依照设计方案进行实验，对实验中产生的数据进行分析并随时提出问题、调整实验，最终得出一份有研究价值的数据单；⑤撰写报告：除了实验数据分析要具体实事求是之外，还应针对实验数据体现出的问题提出改进意见以及提供新工艺的可能思路。

3.3 实验报告

(1) 在实验报告中可以略写实验目的、实验原理及意义、实验设备及材料，因为在设计报告中已经详细陈述过，不需要重复赘述。

(2) 对于实际的实验操作步骤需要详述，同样以酸性废水过滤中和实验为例：要说明实验中执行的实验步骤：注明其与原设计方案存在的区别，要求详细，包括：①测量中和塔尺寸，石灰石量，预算出水力停留时间；②实验数据记录表；③实验方案中要求有判定当前流速下测定的出水pH稳定性的步骤。

(3) 将重点放在实验结果处理及分析上，包括设计现场实验现象和数据记录表，将要采用的数据处理公式，处理方法，允许误差等。并对实验结果展开讨论，针对结果不理想找出原因，对设计的实验方案进行纠正和补充，这样同学们才能真正对实验产生一个纵向而深入的理解。

(4) 针对实验过程中查找的资料，按规定格式标明参考书目。

3.4 考核与反馈

3.4.1实验成绩考核

为了规范、科学的衡量同学们的实验效果，设立了系统全面的考核制度。从单个实验来讲，考核制度涵盖了实验前的预习情况、实验设计、实验操作、实验数据及实验报告5个大方向，其中分值占比最大的是实验设计、实验数据以及实验报告3个方面[5]，因为实验设计最能体现实验过程中的思考能力与前期投入程度，尤其是对创新点的发掘起很大作用；而实验数据可以反映实验操作的准确性；实验报告可以让老师对同学们的实验有一个整体了解。

3.4.2充分发挥探究小组先试先行的作用

为了验证实验教学改革新方法实行效果，老师在2017年环境工程专业中选出7人成立“探究小组”。探究小组作为沟通桥梁，把老师的任务与要求及时发布下去，并作为同学们一个反馈渠道，把实验中的问题与改进意见及时反映给老师，并协助老师整合其中产生一些教学成果，有助于教学内容的调整[6]。

(1) 探究小组在常规实验课程开展之前，先进行预实验。例如在碱液吸收二氧化硫实验课程开展之前，先有探究小组成员提前设计并实行实验，熟悉实验室自主研发的“组合式环境工程废水处理及废气治理实验教学装置”中的“碱液吸收二氧化硫系统”部分，通过反复实验确定合适的二氧化硫混合比例(合适的二氧化硫流速得到效果更明显的检测效果)，确定装置哪些不必要的管道阀门会对实验过程产生影响(在正式实验开始之前将影响因素排除)，总结实验过程中需要注意的细节。在实验开始时，将探究小组成员分散到各个讨论组中，对同学们讨论进行积极的引导，并辅助同学熟悉实验器材，对实验的细节随时提醒，辅助老师完成实验教学。实验结束后，将同学们实验过程中遇到的流程或者是器材方面的问题进行总结，反馈给老师，协助老师对教学科研成果进行整合。这样，实验的教学改革效果也可以得以体现，同时在老师和同学之间起到沟通作用，教学改革内容也可以随时更新，随时跟进，形成一种良性循环。

(2) 环境工程专业在常规实验课程之余，探究小组还可以开展开放性实验。与课程中的常规实验不同，开放性实验更具有实践性和体验性，以探究小组成员为主，向全校学生发起邀请，一起参与到开放性试验中来。以“食堂污水检测开放性实验”为例，以实验课老师牵头，探究小组成员带志愿者分两队到学校两个不同的食堂采集处理前的废水，在水样采集过程中，带领大家熟悉水样采集的方法，将水样带回实验室测量BOD、COD等数据指标，由实验小组成员带领大家学习各个实验仪器的操作方法，以及对应的分析方法。选择合理的污水处理设备，向大家普及各种不同的处理设备以及相应的处理试用水样和处理效果[7]。经过开放性实验，探究小组成员也学习并掌握了对应的检测仪器以及分析方法，这是在以后的科研或者工作中会经常遇到的，同时实践性强的开放性实验也增强小组成员的实践操作能力，提高了务实意识。

(3) 探究小组还能给实验设备的研发提供一些改进思路。例如在酸性废水和过滤实验中，同学们普遍出现处理效果不理想的现象，探究小组通过讨论发现二氧化碳吹脱塔的填料浮动过大，可能对实验结果产生了较大影响，在查阅资料和讨论过后，提出可以在填料层上增加1层压实网，给填料提供一定向下的压力，减弱因为填料浮动而造成的二氧化碳吹脱不彻底的影响。这些思路可在实验设备的研发中提供参考。

4 实践效果

在实验教学新模式下同学们获益良多。课前的预习环节中，学生不再依赖于以往实验指导说明书，而是自主搜集资料，了解实验原理，在查阅各种不同文献的过程中，进行比对，对整个现有的实验体系有了一个全面的认知，同时也更能发现实验中的局限性以及可以改进突破的创新点，课上的理论知识不仅得到深层次的巩固，并且得到了灵活的运用。同时在熟悉仪器过程中，给同学提供了很多以后工作或者研究中需要用到的仪器使用方法，是很好的学习机会。小组讨论设计让大家的思维都运转起来，每个人的思路都得到了小组其他成员的评价，明确了同学们自己的思维缺陷以及认知不足，是很好的查漏补缺的机会，学生在讨论过程中出现的问题及时得到解决，新的改进思路也可以得到很好的延展。同时，在实验过程中，同学们的动手能力得到锻炼，突发事件的应急处理能力得到提高。在将实验设计方案付诸于实践的过程中会遇到各种困难，同学们独立思考以及互助协作是一个很有意义的过程。实验报告的撰写，提高了同学的数据处理分析能力，从问题中分析可能出现的原因，并针对其原因提出解决的建议及办法，有助于增强独立思考解决问题的能力，也有助于实验教学的完善[8]。

新的探究小组成立使实验教学改革更加可行、稳妥，作为一种全新的反馈机制，同学和老师之间沟通更加方便了，老师的教学任务得到减轻，同学们也有了更大的思维空间与创新余地，同学与老师逐渐成为一个紧密的整体。

5 结 语

到目前为止，教学实验改革涵盖了实验任务书的出台，教学内容自主化，探究小组成立并成功运转，实验教学的新模式已经逐渐形成体系，得到同学们的一致好评。但是在不断地摸索中走出来的新路还需更多的例子来证明其可行性，同时仍存在许多需要改进的地方，在今后的教学中，还要为进一步完善该探索中的实验教学新模式、新体系而继续努力。