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环境工程专业实验教学的改革

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如何在教学中实施素质教育一直是我国高等教育改革的一个重要议题[1]。环境工程是一门实践性很强的专业[2]。由于环境治理问题的日益复杂化和迫切性,新的环境问题不断涌现,因此具备一定的分析和解决实际问题的能力则日愈成为衡量环境工程专业人才素质的重要方面,这对高校环境工程专业人才培养的目标提出了更高的要求[3]。实践性教学环节是提高学生实际能力和综合素质的重要环节,对于大多数地方性高校而言,由于一贯的自身定位和教育投入的相对不高,在提高实践性教学效果方面往往面临着较大的困难。实验教学是实践性教学环节的重要组成部分,具有理论结合实践并具有形象性和生动化的特点[4]。环境工程专业实验是环境工程专业本科生的必修课程,其目标是培养学生环境工程专业实验技能和提高专业综合素质。常州大学环境工程专业实验室结合近年环境工程专业新形势,以提高学生实际操作能力和锻炼学生创新能力为导向,结合地方工业产业特征,进行了一系列环境工程专业创新实验教学改革与实践,过程中获得了一定的效果和经验。

一、现有实验教学问题的分析

1.部分实验内容陈旧相对而言,环境工程专业是发展非常迅速,技术更新非常快的一个专业,这使得实验内容及时更新较为困难。比如污水中COD的测定,近年来在实际工作中,人们多采用COD快速消解方法和快速测定仪器进行测定。但是由于快速测定方法仪器投入较大,实验教学中大多依然采用传统化学回流法。再如,由于环境保护领域环保标准不断更新,使现有实验教学中常用的仪器设备达不到一些指标的测定准确度和精度要求情况。例如,电镀废水排放标准GB21900-2008颁布后,电镀废水处理后的重金属(Cu、Cr等)含量必须依靠AAS、AES等仪器,但是实验教学中大多依然沿用化学分析方法。类似不足,造成学生缺乏积极性,难以适应当前人才培养的需要[5]。

2.实验项目配置的不合理以常州大学环境工程专业实验室为例,存在的问题是:实验设置之初,往往选择单台设备投入较少,容易规模化开设的实验,通常容易导致基础性内容偏多,而一些重点性内容难以兼顾;其次是实验教学内容中演示性和验证性的实验偏多。例如常州大学的固体废弃物处理与处置实验室8个学时的实验共开设了工业废弃物磁选、粉煤灰中炭的浮选及城市生活垃圾的破碎和分选均为演示或验证性实验,学生几乎没有实际操作机会;另外该课程中的重难点内容——工业固废的资源化,如有机废弃物的热解回收轻质油等,由于实验设计和操作较难且费时较长等原因未能开设。类似问题在水污染控制、大气污染控制等环境工程主干课程的实验设置同样存在。实验教学必须在一定的教学目标下,合理配置实验项目,让学生有一定自我发挥空间,调动学生的实验能动性,才能在掌握基本实验技能的同时,提高综合素质[6]。

二、实验教学改革

根据现有实验项目设置情况,常州大学环境工程专业实验确定首先基本保留现有实验项目,以培养和锻炼基本专业实验技能,但适当压缩实验学时(实际操作中压缩为原来学时数的3/5);同时开设综合创新实验课程,并增设自选实验和开放性实验室。

1.大型演示性实验由于各主干课程实验室普遍存在演示性和验证性实验占用学时数较多的问题,选择部分耗时太长的实验,通过增加大型演示性实验环节,采用大屏幕投影的方式演示给学生看。以缩短这两类实验的学时数,同时保证了实验效果。如微生物的生长活性监控实验,可以预先能过生物显微镜拍摄照片和视频然后进行剪辑,再用大屏幕投影的方式给学生演示,使学生能够直观地看到在活性污泥培养过程中微生物的形貌和数量的变化情况。另外,固体废弃物的堆肥处理和烟气除尘等实验项目均采用这种方式对学生进行演示。在压缩实验学时的同时并没有降低实验教学效果,学生普遍反映良好。此外,鉴于目前环境工程专业工艺方法繁多、流程较复杂的特点,常州大学建立了环境工程实验中心建立大型环保工艺演示中心,选择典型工艺流程,按一定比例,采用亚克力和PVC等替代材料建立相应工艺流程。如典型污水处理厂工艺流程A2O工艺(格栅-初沉池-厌氧池-缺氧池-好氧池-二沉池)、煤矸石资源化工艺、烟气脱硫脱硝工艺等。该演示中心非常有助于学生直观、透彻地理解环境工程专业典型工艺流程。

2.开设专业综合创新实验课程环境工程是实践性很强的专业,在培养学生基本实验技能的基础上,通过实验课程锻炼学生的综合创新能力是实验课程的重要目的[7]。常州大学环境工程专业从2012开始新增16学时的专业综合创新实验课程,实验类型为综合性或设计性实验,时间放在环境工程专业大四的第一学期。结合常州本地工业结构特点:化工、印染业发达。这两类工业废水处理难题较多,同时处理后的污泥较难处理,确定了三个实验项目,分别是“微电解——Fenton——混凝法处理高浓度有机化工废水”、“TiO2光催化剂的制备及处理印染废水”、“剩余污泥制备活性碳吸附材料”。为配合学生更好地完成实验内容,在学生的认识实习和生产实习阶段,专门选择化工工业园区、印染工业园区作为实习基地。通过实习让学生了解和掌握相关化工和印染废水的普通处理工艺,为后续的综合创新实验的开展打下了基础。实验过程学生以自行设计和动手操作为主,学生可以采用教师给出的实验方案,也可以对实验流程作适当改动。以“TiO2光催化剂的制备及处理印染废水”实验为例,学生可以制备实验要求单一TiO2光催化剂,也可以制备TiO2—活性炭复合光催化材料,再进行印染废水处理的条件实验。整个实验过程除了使学生熟悉TiO2的光催化基本实验原理和实验技能,同时开拓了学生的思维和设计能力。另外相关实验指标测定仪器,如COD快速测定仪器数量不足的问题,则通过学生分组,如分成三组交替进行得到解决。专业综合创新实验使本专业的学生实验基本技能和创新思维两方面都得到了锻练,学生的实验动手积极性明显提高。由于专业综合创新实验内容与实际联系较紧密,不少毕业工作后的学生反映,有些实验方法可以直接应用到实际工作中,受到工作单位的肯定。

3.自选实验和开放性实验室由于实验经费所限,部分专业实验设备数量较少,无法做到人人动手操作。为了弥补这一不足,并充分利用现有资源,常州大学环境工程专业将一部分实验设为自选内容,共设立了四个实验:污染物的可生物降解性测定、SBR法间歇式活性污泥系统处理废水、电解法处理工业废水实验、聚丙烯酸-聚偏氟乙烯树脂吸附铜离子。由学生根据自己的兴趣选做1-2个实验,实验时间定在每周一、三、五的下午第8-9节课,计入学分。这几个实验的可研究性较强,例如聚丙烯酸-聚偏氟乙烯树脂吸附铜离子,该实验首先要制备聚丙烯酸-聚偏氟乙烯吸附树脂,再利用树脂对电镀废水中铜离子进行吸附实验,要求学生计算出树脂吸附量,并分析吸附pH值、吸附时间等因素对铜离子吸附去除率的影响。实验的广度和深度均较大,以满足学习兴趣较浓厚学生需求。另外由于实验时间拉得较开,像AAS这种大型且数量少的实验仪器,让学生可以在实验管理员的指导下得到操作的机会。开放性实验室的设立则主要是针对实验时间很长的实验项目。例如污泥的厌氧消化和废水的生物处理的内容均时间限制而无法在实验教学中开展。但这些环境工程专业的重要内容如果仅是通过理论讲解往往不易理解透彻。而这个两个实验室“污泥厌氧消化实验室”、“有机工业废水生物处理实验室”是常州大学环境工程专业的常州市重点实验室。因此将这两个相关实验室设为开放性实验室,让学生在课余时间开展相关实验项目,学生根据课表选定时间进行实验,根据实验指导教师给定的实验方案观察实验现象,做好实验记录,最后撰写实验报告。由于开放实验室有充足的实验时间,因此给予学生更大的自由度,让学生参与到实验的准备和实验结束后的整理工作中来。这两项内容虽然不计入学生学分,但让学生得到全面的锻炼,自2012年以来,学生结合开放性实验室资源已申请江苏省学生创新性实验课题11项,让部分学有余力的学生有了充分的发挥空间。

三、实验教学效果考核体系创新

一般来说,实验成绩判定通常是根据学生的实验报告给出的,而实验过程难以进行考核,造成对学生的考核不全面。因此必须要对实验过程进行考核,一是实验指导教师的观察打分,另外设立环节要求学生分析实验过程,解释实验中间环节的各种现象和原因,通过这样的过程考核手段,相对全面地了解和评价学生实验效果和能力,调动学生积极性,有利于实验创新能力的培养。但是这样的考核方式,要求实验指导教师能更多地参与,随时考察学生实验表现,而不仅仅是“管理员”的角色。这就要求平时注重实验技术队伍建设。鼓励实验指导教师多参与学院专业教师科研课题,多了解和掌握新的专业动态,不断巩固自身实验技能,更新实验思路,为培养具有扎实技能和创新能力学生提供更可靠的保障。

四、结束语

经过两年的实验教学改革后,我校环境工程实验教学质量有明显提高。从学生反馈的信息看,普遍认为目前的实验课更有吸引力、非常锻炼专业实验技能,同时对环境工程专业的认识和理解程度也有所提高,独立发现问题、分析问题和解决问题的综合能力和素质得到培养和锻炼。地方高校虽然资源配置相对不足,但同样可以结合地方工业、社会特点有针对性设立实验教学内容,灵活安排实验教学方法加以弥补,充分利用现有资源,培养具有扎实实验技能和综合创新思维的环境工程专业本科人才,提高学生综合素质,以适应时代发展的需求。

作者:张志军 冯俊生 刘亮 韩学超 单位:常州大学 环境与安全工程学院

环境工程专业实验教学的改革责任编辑:杨雪    阅读:人次