“环境工程实验Ⅰ”课程教学方法改革

“环境工程实验Ⅰ”课程教学方法改革

胡　宏
　环境与资源学院

一、课程简介

1.课程类别

专业课程

2.学科类别

工学—环境科学与工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:本课程旨在使学生加深对水污染控制技术基本原理的理解，掌握废水处理实验装置和仪器设备的使用方法，训练和提高学生的工程实践能力；深化专业知识，学会实验方案的设计和组织实施，掌握实验数据处理、实验结果分析和归纳的基本方法，培养学生具有初步独立开展科研的能力。

（2）教学内容:课程教学内容包括废水的物理处理、化学处理、物理化学处理和生物处理等，开设了自由沉淀实验、混凝实验、离子交换实验、活性炭吸附实验、工业废水可生化性实验、SBR法处理废水实验、臭氧氧化法处理废水实验、自主探索实验等实验项目。

4.教学对象

环境工程专业三年级本科学生。

5.课堂学时与教学场景

（1）课程学时:实验教学48学时。

（2）教学场景:浙江大学环境与资源实验教学中心水处理工程实验室。

二、课程教学重点解决的问题

（1）水污染控制工程是建立在实验基础上的科学。在课程教学过程中训练学生运用所掌握的理论知识和实验技术，有针对性地探索或设计废水治理方案，包括确定工艺流程、单体构筑物设计的参数和操作运行方式等，以提高学生的工程实践能力。

（2）将先进的水处理技术成果与现代网络教育技术融入实验教学，利用在国内处于领先水平的实验教学平台，通过开设的综合型实验、自主探究创新型实验，培养学生具备初步独立开展科学研究的能力和团队合作精神。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

针对课程实践性和应用性强的特点，结合课程教学目标，在训练和提高工程实践能力、培养学生科学研究能力和团队合作精神等方面采取的策略和方法具体阐述如下:

（1）以提问考核为主的参与式教学。在实验教学中，通过提问与讨论，进行师生互动和生生互动，巩固专业知识。该环节除了考查学生对与实验内容相关的理论知识点的掌握程度和预习情况外，还要考查学生对实验项目在生产实践中的应用，实验对应的操作单元需确定的操作参数，单元操作的规范要求等方面的掌握情况，让学生得到更多与实际工程相关的知识。

（2）注重工程意识的教学。课程教学内容与生产实际应用紧密结合。首先，选用典型的染料废水、含酚废水、人造革生产废水、垃圾渗滤液、含重金属废水等用于实验教学和研究。其次，实验室现有的60余套小型自制实验装置为实际工程中各单体构筑物的缩影，具有一定的工程性，教师可以借此增强学生对水处理工程单体构筑物的认知。

（3）延伸拓展应用的研究性学习。通过对实验内容延伸性、拓展性应用的介绍与提示，深化实验教学内容，激励学生进行研究性学习，将实验教学自课堂延伸到课外，培养学生的独立工作能力和探索精神。

（4）实施不同层次的实验教学方法。根据实验项目的研究性深度及开放程度的不同，将实验课程的教学方法划分为规范型教学与研究型教学两大类。课程中的综合性实验项目采用规范型教学法，自主探究实验采用研究型教学法。

规范型教学就是由指导教师提供翔实的实验方案，学生严格按照实验方案要求（包括实验安全措施、实验操作技术的掌握、实验质量控制的手段、实验报告格式要求、实验结果讨论的重点等），实现预期的实验结果。课程实验训练可以提高学生的实验技能以及分析和解决问题的能力。

研究型教学以学生为主导，以提高学生的实践能力和创新能力为核心，培养学生独立开展科研的能力。教师则负责提供实验条件，指导、审核实验方案（包括实验选题的实用性及新颖性、实验设计的合理性、数据处理的科学性、实验结果讨论分析的严谨性等）。学生在教师的指导下通过合作式学习，以时间和空间的开放为基础开展实验研究，综合运用专业理论知识、实验技术来解决科学问题。

2.具体实施方法举例

（1）以提问考核为主的参与式教学举例。实验开始前，概括与实验内容相关的基础理论、知识要点，并在此基础上提出问题进行讨论。教师随机点名学生回答问题，同时鼓励其他同学进一步补充，并做最后的归纳总结。如在混凝法处理分散蓝染料废水的课程实验中，教师可就矾花的形成与观察要点，混凝剂、助凝剂的作用，混凝过程对pH和碱度的要求，搅拌遵循的原则以及活性染料用混凝法脱色的可行性等问题组织学生开展讨论。同时就混凝法在废水处理中的作用（脱色、去除废水中的有机物、重金属离子、放射性物质以及氮和磷等），以及对应操作需控制的参数（废水温度pH，混凝剂、助凝剂的投加方式等）进行讲评，使学生在实验中学到更多的和实际工程相关的专业知识。

（2）注重工程意识的教学举例。在SBR法处理废水的实验教学中，实验装置结构（包括进水排水系统、曝气系统、搅拌及排泥系统）直观可见，反应器运行经历的每个阶段（进水期、反应期、沉淀期、排水排泥期和闲置期）都可以被清晰地呈现出来，包括曝气池中活性污泥的性状，活性污泥的沉淀分离，上清液的排放，闲置期的污泥活化过程等。让学生感知实验过程即为工程的小试运行，实验获得的结果即是该类型装置处理某种废水可选用的运行参数，消除学生对实际工程的距离感和生疏感。

（3）延伸拓展应用的研究性学习举例。通过臭氧氧化实验，学生进一步开展了臭氧对不同有机物及臭氧投加量等因素对臭氧氧化效能的影响研究，进而将研究延伸到臭氧高级氧化技术、芬顿氧化技术、高铁酸钾氧化技术等领域。应用案例见表1。

表1　臭氧氧化实验的拓展与应用案例

（4）实施不同层次的实验教学方法举例。教师实施规范型教学，首先需对实验内容进行优化和重组，淘汰过时陈旧的实验项目，把高级氧化技术、废水生物脱氮除磷技术改编成实验项目，让学生接触到环境工程领域的研究前沿。其次，针对实验中的意外现象，教师可以先不急于解释和回答，留下一定的空间让学生思考和寻求答案。如在混凝法处理分散蓝染料废水实验中，学生发现在投加硫酸铝混凝剂后，废水在pH为7和pH为10左右都出现了较好的脱色效果。对于意外的发现，学生通过查阅文献资料及讨论交流，都做出了科学合理的解释。

研究型教学是由学生根据个人兴趣自拟实验题目，由2～5名学生组成一个团队学习小组。研究内容有的是对课程实验内容进一步的深化研究，有的是对废水处理工艺的研究。应用案例见表2和表3。

表2　SBR法处理废水实验拓展应用案例

表3　废水处理工艺研究案例

3.教学方法特点分析

本实验课程采用规范型教学和研究型教学相结合的方法。研究型教学法采用开放式的教学，通过团队合作的研究性学习，培养学生开展科学研究的能力和团队合作精神。将启发式、参与式教学用于规范型实验教学中，使学生从被动学习变为主动学习，提高学生的学习积极性和工程实践能力。采用过程考核的方式，记录学生学习过程的表现，以便更加全面、准确地评价学生的学习质量，促进其不断进步。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

为使考核更全面合理，对实验课程的各个环节进行过程考核。口试考核占课程总成绩的5%，实验操作技能占课程总成绩的5%，实验报告占课程总成绩的90%。其中自主探索实验报告占课程总成绩的20%，其余七份实验报告各占10%。每份实验报告评分标准见表4，课程考核方案见表5。

表4　实验报告评分标准

表5　课程考核方案

2.支撑手段

（1）建立网络信息平台。课程开设的自主探索实验项目，其完成所需的时间跨度大，要做到实验室安全、有序地运行，必须有预约信息平台。网络信息平台为师生之间的问题讨论提供保障；专业实验室和仪器平台使用的预约和实验材料、试剂使用的申报，则为学生开展探究性训练提供保障。

（2）建设一流的专业实验室和分析测试平台。为培养学生的创新意识和实践能力，实验内容不仅要与实际生产应用紧密相连，又要能跟进先进的技术方法，为此需配备先进的实验装置和分析测试仪器，以保证实验教学的顺利进行。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

“环境工程实验Ⅰ”课程教学方法改革自2008年开始实施，学生对课程有较高的满意度，近几年的教学质量评价为优良，优秀率达75%。课程对环境工程专业本科生的实验技能提高，工程实践能力和科研能力的提升起到了积极的作用。学生典型的评价有:

（1）金佳佳（3071401046）同学写道:“‘环境工程实验Ⅰ’课程实施小班教学，老师和同学之间的交流变得更加通畅。每次实验课老师对与实验相关知识点的凝练和提问与讨论给我留下深刻的记忆，为今后的工作打下了良好的基础。回答老师提问和提交的实验报告是课程考核的环节，要记入成绩，因此每次实验课我都要查资料，准备问题的答案并认真完成实验报告，虽然要花费较多的时间，但对巩固和深化专业知识确有很好的效果……”

（2）张萌（3061401049）同学写道:“在第一堂实验课，老师公布了课程的考核方案，要求我们组成团队学习小组进行自主探究实验。当时觉得有些难度，对能否完成此项学习任务心里没底。在老师的帮助指导下，经过全体成员的共同努力，不仅完成了学习任务，还取得较好的成绩。通过自主探究实验，我们尝试了如何进行科学研究的实践，对今后的学习更有信心了……”

2.推广性分析

（1）实施小班教学。课程学习过程中有很多的实验技能指导和讨论环节，因此如果教学班人数过多将难以保证教学质量和效果。

（2）需要学生有更强的学习主动性。研究型教学法需要学生花更多的时间和具有更强的学习主动性才能完成学习任务。同时，老师需要投入更多的精力与热情积极地引导学生的学习。

（3）“环境工程实验Ⅰ”课程实施的规范型教学和研究型教学方法对环境与资源类专业的专业实验课程具有适用性，对于其他实验课程教学方法的改革具有一定的借鉴作用。

六、课程教材及实验参考书

1.教科书

［1］胡宏.水处理工程实验.自编教材

2.参考书

［1］章非娟等.环境工程实验.北京:高等教育出版社，2008

［2］陈泽堂.水污染控制工程实验.北京:化学工业出版社，2009