混凝設(shè)計性實驗在研究性教學(xué)中的應(yīng)用

王淑勤，劉明珠，王可心

（華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 保定 071003）

研究性教學(xué)模式是近年來大學(xué)教學(xué)方法改革的重點［1－3］，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的成功模式之一［4－6］?！督逃筷P(guān)于進一步加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》指出，要積極推動研究性教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力。水污染控制工程是環(huán)境工程專業(yè)中應(yīng)用性、實踐性很強的一門課程，在該課程中進行研究性教學(xué)實踐已經(jīng)成為各高校關(guān)注的焦點［7－9］。該課程也是華北電力大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)的核心課程，2013年的研究性教學(xué)試點課程。

目前關(guān)于水污染控制工程課程體系改革的研究取得不少進展［10－13］，但是實踐環(huán)節(jié)大多仍局限于傳統(tǒng)的教學(xué)，教學(xué)實驗一直以演示性、驗證性實驗為主［14］，學(xué)生主動參與的積極性難以發(fā)揮，不利于學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。為培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手和創(chuàng)新能力，需要對現(xiàn)有的實驗項目進行綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性改革［15－16］。

為了體現(xiàn)華北電力大學(xué)“研究型、國際化”的辦學(xué)特色，我們不僅更新水污染控制工程課程教學(xué)內(nèi)容，通過案例教學(xué)，強化工程應(yīng)用［11］；還通過強化實踐能力訓(xùn)練，提高學(xué)生動手能力，取得了較好的教學(xué)效果。將“水污染控制實驗”中的經(jīng)典實驗——混凝實驗作為改革對象，使學(xué)生通過方案設(shè)計、分析測定、結(jié)果討論等過程，培養(yǎng)他們分析問題和解決問題的能力，從中獲得解決現(xiàn)實問題的經(jīng)驗，最終形成自主學(xué)習(xí)的意識和提高應(yīng)用能力，將研究性教學(xué)實踐的改革落到實處。

1 混凝設(shè)計性實驗的教學(xué)安排

1.1 實驗安排與指導(dǎo)

（1）實驗開始前3～4周，授課過程中詳細(xì)講述混凝作用原理、各種混凝劑的特性以及影響混凝效果的各種因素，使學(xué)生掌握混凝實驗所應(yīng)具備的理論知識和規(guī)律。

（2）實驗開始前2～3周錄制實驗操作、濁度儀的使用視頻供學(xué)生預(yù)習(xí)實驗，使學(xué)生初步了解實驗過程、實驗循序，儀器使用注意事項。

（3）實驗開始前1～2周向?qū)W生下達(dá)實驗任務(wù)書，明確實驗?zāi)康摹⒎椒ê鸵?，進行分組制訂實驗方案。

1.2 實驗方案的設(shè)計制訂

根據(jù)學(xué)校的實驗條件確定實驗藥品和儀器的類型、數(shù)量、實驗方法和實驗步驟，在研究中培養(yǎng)學(xué)生的能力。學(xué)生以宿舍為單位分成小組，進行分工協(xié)作，設(shè)計性實驗每3～4人一組，要求學(xué)生上網(wǎng)查閱“中國期刊網(wǎng)”、“維普數(shù)據(jù)庫”、“Elsevier”、“Springer”等數(shù)據(jù)庫，仔細(xì)查閱與混凝沉淀實驗相類似的研究論文［17］，在已有驗證性實驗［14］基礎(chǔ)上事先設(shè)計實驗方案。學(xué)生可選擇1種混凝劑、2種水樣、3～4個影響因素進行實驗，也可選擇2種混凝劑、1種水樣、3～4個影響因素進行實驗，確定實驗用的混凝劑種類、影響因素、實驗順序和操作步驟，給出實驗記錄表格，要求各組之間充分交流，避免重復(fù)和抄襲，實驗方案確定后交任課教師批改修正。

1.3 實驗方案的實施與指導(dǎo)

實驗過程中任課教師現(xiàn)場考察每組學(xué)生的實驗操作，及時糾正不規(guī)范的操作步驟。學(xué)生首先對原水的濁度、pH值等指標(biāo)進行測定，以濁度去除為對象，依照自己擬定的實驗方案，進行混凝實驗。實驗過程中不僅要及時測定剩余濁度，還引導(dǎo)學(xué)生及時觀察和記錄水樣顏色的變化、礬花的大小和密實程度、形成沉淀物的多少，必要時進行拍照對比，強化學(xué)生對混凝效果的感性認(rèn)識，引導(dǎo)學(xué)生用規(guī)范的語言描述混凝現(xiàn)象，提高分析表達(dá)能力。

實驗過程中發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象時，任課教師及時幫助學(xué)生分析原因，修改實驗步驟和操作順序，使處理后的水質(zhì)達(dá)到清澈干凈；做好原始數(shù)據(jù)記錄，以便實驗結(jié)束后進行分析總結(jié)。允許不同組別之間測試結(jié)果有差異，只要數(shù)據(jù)合理，能夠找到設(shè)計方案中的最佳實驗條件，實驗就達(dá)到目的。如果找不到最佳實驗條件，允許學(xué)生反復(fù)探索，將實驗內(nèi)容與解決實際問題緊密聯(lián)系起來，激發(fā)學(xué)生進行科學(xué)研究的興趣，鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

1.4 實驗考核與成績評定

為凸顯實驗教學(xué)環(huán)節(jié)在人才培養(yǎng)計劃中的地位［12－13］，該課程的考核相應(yīng)進行了調(diào)整，實驗課成績占課程結(jié)業(yè)成績的20%；在實驗成績評定中，實驗操作考核占40%，實驗預(yù)習(xí)和設(shè)計報告占20%，實驗數(shù)據(jù)分析和實驗現(xiàn)象記錄以及思考題等占40%。

2 實驗現(xiàn)象的觀察分析

引導(dǎo)學(xué)生“在實驗中研究，在研究中實驗”，提高學(xué)生實驗的主動性和積極性，在實驗中進一步促進學(xué)生對專業(yè)知識的理解和掌握，提高學(xué)生的歸納總結(jié)、類比分析能力。

2.1 不同土質(zhì)的混凝效果分析

來自燃煤電廠電除塵器第3電場的粉煤灰呈灰色，含有很多固體氧化物，成分復(fù)雜，粒度不一；呈黃色的天然黏土中也含有粒度不一的多種物質(zhì)，因此水力沖灰水和含有黏土的水中懸浮物和膠體含量均高，利用混凝劑可以有效降低水的濁度，但兩者殘余色度不同。有些組對比了兩者的混凝效果，如圖1所示。

圖1 粉煤灰左側(cè)和黏土右側(cè)的混凝效果

2.2 不同混凝劑的混凝效果分析

眾多混凝劑中鐵鹽和鋁鹽最常用，但是兩者顏色不同，形成的礬花粒度、密度均不同，前者明顯粗大，但是上清液有殘余黃色，后者礬花細(xì)小不易下沉，但是上清液無顏色。學(xué)生對比了鐵鹽和鋁鹽的混凝效果，見圖2。

圖2 鐵鹽左側(cè)和鋁鹽右側(cè)的混凝效果

2.3 實驗條件對混凝效果的影響

溫度、投加方式、pH值不同混凝效果明顯不一樣。適當(dāng)加熱有利于混凝劑與膠體混合、加快擴散，形成粗大密實的礬花。有些學(xué)生組設(shè)計的加熱對鐵鹽混凝效果的影響見圖3。

圖3 升高溫度對鐵鹽的混凝效果的影響

混凝劑投加方式一般有2種，一種為固體投加，另一種為液體投加，兩者有什么不同，有些組的學(xué)生設(shè)計實驗方案進行對比研究。固體投加產(chǎn)生的釩花大而且多，但是用鹽量多；液體投加產(chǎn)生的釩花略小而且少，但是消耗的鋁鹽明顯減少，所以液體投加更經(jīng)濟，更適合工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用。通過對比，學(xué)生對教材中混凝劑溶液的配制和投加設(shè)備一節(jié)的理解更深刻了，實現(xiàn)了理論知識和實際問題有機地結(jié)合。

pH值對硫酸亞鐵的混凝效果有很大影響，如果開始不調(diào)節(jié)pH值到堿性，只改變投加量，即便攪拌很長時間，也只能觀察到綠色的二價鐵鹽氧化成黃色的三價鐵鹽，水樣仍然很渾濁、無法與水分離。有些組的學(xué)生找不到最佳沉降條件，這時需要教師指導(dǎo)學(xué)生先調(diào)節(jié)pH值，然后再適當(dāng)控制投加量就會產(chǎn)生粗大、密實的礬花，降低水的濁度，見圖4。實驗啟發(fā)學(xué)生思考，學(xué)生理解了二價鐵鹽只有在堿性條件下先氧化成三價鐵鹽才能形成帶正電的膠體，從而吸附、中和水中帶負(fù)電的膠體才會有混凝效果的道理。

然而二價鐵鹽與三價鐵鹽混凝效果又有哪些區(qū)別呢，為此有些組的學(xué)生設(shè)計實驗進行對比研究，同樣在堿性條件下三價鐵鹽形成的礬花粗大密實、易下沉，混凝性能優(yōu)良，更適合工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用，因此學(xué)生對教材中常用混凝劑一節(jié)的理解更深刻。

助凝劑硅酸鈉起到增大礬花粒度、增多礬花數(shù)量，提高混凝效果的作用，有些學(xué)生設(shè)計了如圖5所示的硅酸鈉提高鋁鹽效果的實驗，效果很明顯。

圖4 pH值對硫酸亞鐵混凝效果的影響（左側(cè)為酸性，右側(cè)為堿性）

通過這些對比實驗，學(xué)生對混凝的凈水機理及影響混凝效果的主要因素有了進一步的感性認(rèn)識，在反復(fù)實驗過程中學(xué)會了思考，提高動手能力的同時，增強了分析問題和理論聯(lián)系實際的能力，激發(fā)了學(xué)生進行科研實驗的興趣。

圖5 硅酸鈉對鋁鹽混凝效果的影響

3 實驗結(jié)果的討論分析

在設(shè)計性實驗指導(dǎo)過程中除了引導(dǎo)學(xué)生進行定性分析、認(rèn)真觀察水樣顏色的變化、培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力外，還要求學(xué)生進行定量測定不同工況下水樣的剩余濁度，進行記錄，實驗結(jié)束后進行作圖分析，總結(jié)規(guī)律，尋找失敗的原因，進一步提高分析問題、解決問題的能力。

3.1 混凝劑最佳投加量的確定

在確定每種混凝劑的最佳投加量時，要求學(xué)生至少改變4個工況測定水樣的剩余濁度，如果不能得到最佳值，還要增補數(shù)據(jù)。

在確定氯化鐵的最佳投加量時，有些學(xué)生采用了0.618法。首先確定氯化鐵的最小投加量，然后加入混凝劑的量分別為最小投加量的倍數(shù)，根據(jù)實驗結(jié)果，留好去壞，通過測定剩余濁度，來確定氯化鐵的投加量對剩余濁度的影響。由圖6可以看出，氯化鐵的最佳投加量為0.16mL。

圖6 氯化鐵的投加量對剩余濁度的影響

在確定氯化鋁的最佳投加量時，有些學(xué)生采用對分法。每次實驗都將實驗范圍縮小一半，直到確定氯化鋁的最佳投加量為0.4mL，如圖7所示。

圖7 氯化鋁的投加量對剩余濁度的影響

3.2 混凝劑最佳pH的確定

采用圖形表示法對實驗結(jié)果進行分析簡明直觀，便于比較，易顯出數(shù)據(jù)中的最高點或最低點、轉(zhuǎn)折點、周期性以及其他奇異性等。

有些學(xué)生通過測得的兩種混凝劑最佳pH值的柱狀圖（見圖8和圖9），可以清晰地看到，氯化鐵、氯化鋁作為混凝劑時，最佳pH值明顯不同，分別為10.0和7.0。因此對教材中常用混凝劑適用范圍的理解更深刻、更直觀。

圖8 pH對氯化鐵混凝效果的影響

3.3 混凝劑的最佳投加量與污染物濃度關(guān)系的確定

有些組的學(xué)生選取了兩種不同的土樣，研究了氯化鐵的最佳投加量與污染物濃度之間的關(guān)系，見圖10。如果沒有得到線性關(guān)系，需要分析實驗誤差，尋找失敗的原因，提高分析問題、解決問題的能力。

圖9 pH對氯化鋁混凝效果的影響

圖10 氯化鐵的最佳投加量與污染物濃度的關(guān)系

4 結(jié)束語

通過對傳統(tǒng)混凝實驗的改革，不僅有利于學(xué)生深入掌握混凝、沉淀機理，還培養(yǎng)了學(xué)生自主分析、認(rèn)真觀察、解決問題的能力；通過實驗數(shù)據(jù)的對比分析、實驗方案的調(diào)整實施，使理論與實際聯(lián)系得更加緊密，使學(xué)生掌握的知識更加扎實，提升了學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力。2011、2012級中有些學(xué)生參加國家級、省級、校級重點創(chuàng)新項目，在省級創(chuàng)業(yè)大賽、校級節(jié)能減排大賽，均取得了不錯的名次，同時申報專利2項，說明學(xué)生的綜合能力得到了鍛煉和提高。

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