環境工程專業實驗課程改革與實踐

呂綠洲， 林 海， 陳秀枝， 周遠松， 馮 瑞

(北京科技大學 能源與環境工程學院， 北京 100083)

環境工程專業實驗課程改革與實踐

呂綠洲， 林 海， 陳秀枝， 周遠松， 馮 瑞

(北京科技大學 能源與環境工程學院， 北京 100083)

以北京科技大學環境工程專業實驗教學為例，結合環境工程實驗課程的基本要求，對實驗課程設置、實驗內容展開討論，探討專業實驗課程的改革與實踐，明確專業實驗課程改革實踐過程中的問題。通過多年來專業實驗課程的改革，豐富了實踐教學、完善了專業實驗課程設計,有效提升了學生的實踐能力和創新能力，為學生的全面發展打下堅實的基礎。

環境工程； 實驗課程； 教學改革

環境工程專業是理工結合的多學科相互滲透的新興學科[1]。近年來隨著環境保護和環境污染預防及治理的力度不斷加大，專業教育也在迅速發展，設立環境工程專業的院校從1977 年的 7 所發展到 2006年的 258 所，遍布理、工、農、林、醫、管各類學校[2-4]。環境工程專業具有邊緣性、交叉性、綜合性強的特點，在以工程實踐為培養目標的專業教學中，實踐教學尤為重要。我校環境工程專業自1996年建立以來，始終堅持特色辦學之路，緊密結合礦冶行業發展的需求，充分依托學校已有的冶金、礦業、材料等學科群優勢，以采礦、冶金等工業生產過程中的資源開發利用、污染控制、城市化進程中的環境問題作為重點研究對象，培養符合社會和行業發展需要的高素質專業環保人才，逐漸形成了自己的專業特色和學科優勢，建立了較為完善的環境工程專業實驗教學體系。

1 環境工程實驗課設置

實驗教學是學校教學工作的重要組成部分，高校開展教學工作的過程中，必須明確實驗教學的重要性，只有豐富現有的教學形式，才能夠激發學生的學習興趣，調動學生的積極性[5]。實驗教學是實現培養學生崗位職業能力的重要途徑，能夠讓學生更加主動地參與到教與學的過程中，理論與實踐有機結合，有助于培養學生的動手能力和獨立思考能力，有助于學生在今后的學習及工作中更好地發揮自己的才能[6-8]。

發展至今，我校環境工程在全國學科評估中位居前列，環境工程實驗教學體系經過近20年的建設與改革，從實驗課程內容上的單一與不完善到現如今的全面和規范，不斷發展，走向更加系統化、多樣化[9]。

1.1 環境工程基礎實驗

學習和掌握水污染控制工程、大氣污染控制工程和固體廢棄物資源化中常用的技術、原理和方法。

1.1.1 水污染控制實驗

大氣污染控制實驗開設4個實驗項目：

(1) 懸浮物自由沉降去除率與沉降時間的關系確定實驗。通過該實驗掌握自由沉降去除率確定方法，觀察自由沉降過程，了解水樣沉降時間與去除率的關系。

(2) 混凝脫色實驗。采用直接耐曬翠藍(GB型)，配制水楊濃度為20 mg/L水樣，其中主要顯色成分為氮基、氨基、磺酸基和四氯苯醌等組合而成，了解混凝pH值和混凝劑用量對混凝過程的影響規律，確定最佳pH值和混凝劑用量。通過該實驗掌握混凝實驗操作過程及色度的測定方法，進一步加深對混凝基礎理論的理解，掌握一般的單因素實驗設計方法。

(3) 固定床離子交換實驗。以實驗室自來水為給水，觀察離子交換過程中隨時間的變化不同離子交換柱出水的pH值及電導率的變化，進一步了解離子交換的原理和過程，掌握固定床離子交換的實驗方法。

(4) SBR反應器污水處理實驗。運行SBR反應器，進行SBR反應器菌種的培養、馴化，測定反應過程中的溶解氧、COD、pH值，觀察活性污泥的生物相，通過整個周期進水期、反應期、沉淀期、排水排泥期、閑置期的運行，全面了解SBR反應器的結構和運行周期，學會采集工藝設計參數。

1.1.2 大氣污染控制實驗

大氣污染控制實驗開設3個實驗項目：

(1) 吸附法凈化工業含酸霧氣體實驗。驗證課堂上理論教學中講授的吸附原理、現象及特點，通過實驗現象的直觀感受，鞏固和加深對理論的理解和認識，了解工業治理酸氣裝置——吸附器的結構和安裝及學習工藝實驗的操作技能，掌握酸氣濃度的測定方法和吸附效率的計算，通過實驗工藝流程的直觀性培養學生獨立思考問題和解決實際問題的能力。

(2) 旋風除塵器性能測定實驗。通過測定旋風除塵器的風量、除塵器阻力和除塵效率，使學生掌握除塵器處理風量和除塵效率的測定方法，了解除塵裝置性能的基本參數是處理風量、阻力、除塵效率、排放濃度和分粒級除塵效率。

(3) 堿液吸收氣體中的二氧化硫實驗。采用填料吸收塔，利用5% NaOH溶液吸收氣體中的SO2。通過實驗可初步了解填料塔的基本結構及其吸收凈化酸霧的工作原理，利用填料塔吸收凈化有害氣體的實驗研究方法，分析填料塔凈化效率的影響因素，掌握實驗中配氣方法、參數控制(如氣體流速、液體流量等)、取樣方法及各種有關設備的操作方法，同時還有助于加深理解在填料塔內氣液接觸狀況及吸收過程的基本原理。

1.1.3 固體廢棄物資源化實驗

固體廢棄物資源化實驗開設4個實驗項目：

(1) 高爐渣制備膠凝材料實驗。高爐渣能否制備膠凝材料的關鍵是高爐渣的活性，借助超細粉碎激活高爐渣活性，通過試制試塊考察超細粉碎對高爐渣活性的影響。在超細粉碎激活高爐渣活性的基礎上，通過加入石灰等化學藥劑考察它們對高爐渣活性的影響，比較高爐渣超細粉碎和化學藥劑激活的優勢與劣勢。通過實驗，使學生掌握高爐渣制備膠凝材料方法、原理，加深對固體廢物制備膠凝材料的理解，掌握有代表性的固體廢物資源化實驗技能。

(2) 粉煤灰浮選提碳實驗。我國熱電廠粉煤灰一般含碳為5%～7%，其中約30%的電廠粉煤灰含碳超過10%。為了充分利用煤炭資源，同時提高粉煤灰的利用檔次，進行粉煤灰提碳實驗，擬通過本實驗熟練掌握浮選法回收固體廢物中有價成分的方法、原理及實驗技能。

(3) 電鍍污泥水泥固化實驗。電鍍污泥含多種重金屬離子，是一種有害固體廢物。為了使這種固體廢物得到無害化處理和資源化利用，途徑之一就是進行固化處理。采用不同配方的水泥、電鍍污泥進行實驗，測定固化體強度，考察固化體中有害重金屬離子浸出情況。通過本實驗，熟練掌握有害固體廢物固化處理的方法、原理及實驗技能。

(4) 廢物熱解及其產物熱值的測定實驗。固體廢物熱值是固體廢物的一個重要化學指標。固體廢物熱值的大小表明固體廢物的可燃性，其直接影響著固體廢物處理和處置方法的選擇。熱值是分析垃圾燃燒性能、設計焚燒設備、選用焚燒處理工藝的重要依據。本實驗的目的是使學生掌握固體廢物熱值的測定方法，并熟悉相關儀器設備的使用。

1.2 環境工程微生物學實驗

環境工程微生物學實驗是為了培養環境工程專業學生的生物實驗技能、配合“環境工程微生物學”開設的一門專業實驗課。在環境工程微生物學的基礎實驗教學中，主要包括在實驗室完成的基礎實驗教學課程，如培養基的制備、器皿及培養基的滅菌、顯微鏡的操作、微生物的染色及觀察、微生物的培養及分離等(見表1)，這些都是微生物實驗最基本的操作，學生必須要扎實掌握。

經過多年來的實驗教學改革，摸索出了適合于環境工程微生物學課程特點的“螺旋式”實驗教學模式。第一步，基礎型實驗，使學生掌握環境工程微生物實驗基本的操作方法和實驗技能；第二步，生產實踐型實驗，將科研、生產項目引入實驗教學，使學生掌握科研的實驗技巧和思維模式；第三步，創新型實驗，開放實驗室，鼓勵學生參加科技創新活動[10-12]。

1.3 環境專業實驗課程與實踐探索

隨著環境工程專業的不斷發展及師資力量及辦學條件的不斷提高，結合我校環境工程專業實驗課程特點出發，為了進一步完善實驗教學，開設了研究方法訓練實驗。

環境工程研究與設計是環境工程專業本科生在學習完環境工程專業基礎課及專業課之后進行的、以培養實踐能力為主要目的一門綜合實踐性方法課程。研究方法訓練實驗是為培養學生掌握系統的實驗研究方法，配合“環境工程研究與設計”中的研究方法而設置的一門綜合性實驗課，目的是進一步提高學生靈活運用專業理論知識進行分析和解決實際科研問題的能力，增強獨立從事科研工作的能力，熟練掌握實驗研究的方法、程序和操作技術。

1.3.1 半自主設計實驗——中水回用實驗

半自主設計實驗只提供一個中水回用實驗的課題供學生選擇，指導教師只準備好實驗所需要的基本設備，要求每位學生通過系統的中水實驗研究，對具體的研究任務及內容，提出合理的工藝流程和最佳的工藝條件，完成預定的小型實驗技術指標，獨立編寫一份實驗研究報告。

實驗安排每半天為一個單元，共20個單元，包括文獻資料查閱、方案制訂、實驗儀器設備和藥品的準備、實驗結果分析與討論、實驗研究報告的編寫等。實驗項目包括：試驗方案制定與試驗準備、混凝條件試驗、3混凝綜合條件試驗及水樣的制備、O3氧化試驗、樹脂離子交換試驗、中水全流程試驗。

1.3.2 完全自主設計實驗

在這門實驗當中，淡化教師角色，凸顯學生作為課程主人的作用。指導教師只規定大體的課題范圍，學生根據自身知識儲備及興趣愛好，選擇實驗方向、查找相關資料、確定研究課題，將之前學到的實驗設計理論知識應用于實踐，自主進行實驗的設計。每個小組人數控制在3人左右，小組內有負責人并明確分工，保證每位學生的參與度。實驗結束后，分析數據，獨立編寫一份實驗研究報告。

課題選擇—實驗方案設計—開展實驗—編制實驗研究報告，完全由學生自主設計，每年自選課題約10個。如源分離尿液無害化過程影響因素及控制條件研究中尿素因素的影響、基于過氧化氫酶酶活性分析技術的植物損傷機理研究、從廢舊電路板中提取銅等。

2 實驗課程體系建設與完善

除了上述3門獨立設課的專業主干實驗課，近幾年又完善了多門環境工程專業實驗課，其中包括物理污染控制實驗、環境監測實驗、環境毒理學實驗、環境化學實驗，并在2017版教學計劃中擬開設環境工程原理實驗[13]。

2.1 物理污染控制實驗

通過實驗操作、實驗觀察和實驗結果的分析，加深學生對基本概念和基本原理的理解，鞏固課堂教學中學到的知識，學會常用實驗儀器和設備的使用，培養學生實際動手能力和解決實際問題的能力。

2.1.1 駐波管法測量材料吸聲系數實驗

該實驗借助單頻信號發生器和揚聲器，聆聽各種頻率的純音信號的特征、聲波頻率升高以及降低時聲音變化的特征，確定人耳聽音的頻率范圍。將被測吸聲材料的試件固定在駐波管試件段內，在駐波管中測量信號發聲器發出的某頻率下聲壓(級)極大值和極小值，計算得到駐波比，從而計算得到該頻率下這種材料的垂直入射吸聲系數。改變信號頻率，依次測出不同頻率的吸聲系數。通過實驗，使學生掌握駐波管法測試材料吸聲系數的原理，加深對垂直入射吸聲系數的理解，了解人耳聽覺的頻率范圍，獲得對各種頻率純音的感性認識。

2.1.2 風機噪聲控制效果實驗

通過該實驗了解風機噪聲的來源及控制措施，了解風機噪聲的頻譜特性，并掌握風機進氣噪聲的測定方法，熟悉隔聲措施、消聲措施的控制效果評價量的測定方法及聲級計和頻譜分析儀的使用方法。

2.1.3 生活中電磁輻射和電離輻射的測定

認識生活中的各種電磁輻射，測量手機、電腦等各種電器的輻射值，以加深對生活中各種電磁輻射的認識，并掌握避免或減少電磁輻射的措施。

認識生活中的各種電離輻射，測量北京的本底輻射值，以加深對生活中各種電離輻射的認識，并掌握避免或減少電離輻射的措施。

2.2 環境監測實驗

環境監測是環境工程專業的一門專業必修主干課，通過水和大氣監測實驗，使學生掌握環境監測的基本原理、方法，并能在以后的實際工作中靈活運用。

2.2.1 廢水監測

通過該實驗，使學生學會廢水中主要污染物監測指標的測定原理、測定方法步驟和測定儀器的使用。具體實驗項目包括：染料廢水中CODcr的測定；水中溶解氧的測定；水中陰/陽離子的測定。

2.2.2 大氣監測

根據課堂學習知識，對我校校園的空氣質量進行監測，要求自行設計監測方案，包括監測點的布設、監測方案的制訂、氣樣的采取、主要污染物的檢測、檢測結果的分析及評價。通過實驗使學生掌握大氣中主要污染物氮氧化物的測定原理、方法、步驟，以及氮氧化物測定儀器的使用、吸取液制備等；學會使用粉塵測定儀測定大氣中的PM2.5、PM10。對校園環境進行監測，可以訓練學生環境監測的基本技能，提高學生相對獨立的實驗工作能力，使學生初步了解環境監測的一般步驟、環境監測樣品的采樣和保存方法、各指標的分析與監測原理、監測方法。具體實驗項目包括：大氣中總懸浮顆粒物 PM2.5、PM10的測定；大氣中二氧化氮的測定分析及校園空氣質量監測評價；基于所測數據對校園環境進行評價。

2.3 環境毒理學實驗

通過實驗，使學生掌握環境中污染物的遷移轉化規律，了解急性毒性實驗的一般操作步驟、毒理學評價方法，培養學生的獨立科研能力，并能在以后的實際工作中靈活運用。環境毒理學實驗開設的實驗項目有：光降解鄰苯二甲酸二甲酯的研究；微生物毒性實驗；土壤中重金屬含量的測定。

2.4 環境化學實驗

環境化學是一門綜合性非常強的學科，它所涉及的理論知識和實驗技巧范圍非常廣泛。為加深學生對環境化學的理解和認識，開設了環境化學實驗，通過實驗，使學生得到從事環境化學實驗工作的基本技能訓練，掌握研究問題的基本方法、手段，培養相關的數據分析處理能力。環境化學實驗開設的實驗內容有：環境中有機物正辛醇—水分配系數的測定、活性炭吸附法處理廢水、紅外光譜定性分析法、堿度的測定。

3 結語

通過我校環境工程專業近20年來實驗課程的不斷改革與實踐，已形成了系統化的綜合創新實驗課程體系，極大地培養了學生動手、動腦以及實踐創新能力。實驗課程改革的目的在于使環境工程專業課程體系逐步合理化、規范化、多樣化、現代化，以更好地適應人才培養的需求[14]。今后我們將根據環境工程教育的發展方向，不斷發現實驗課程改革實踐過程中存在的問題，繼續深化、完善現有的專業實驗課程設置，切實為學生提供優質的綜合功能服務和綜合素質服務，為培育優秀的環境工程人才提供堅實的保障。

References)

[1] 郭宇杰,孫凌帆,陳鵬.我校環境工程專業課程設置改革探討[J].華北水利水電學院學報, 2010, 26(4):158-160.

[2] 環境科學與工程教學指導委員會.高等學校本科環境工程專業規范[J].高等學校理工科教學指導委員會通訊, 2005(7):23-16.

[3] 胡文勇,彭清靜,袁志忠,等.環境工程專業實踐教學課程體系的構建與實踐:以吉首大學為例[J].教師, 2010(8):11-12.

[4] 楊鐵金,鄭茹娟,厲悅,等.環境工程專業課程設置的合理性分析[J].高師理科教育, 2007,27(1):50-52.

[5] 竇培謙,胡廣霞.安全工程專業實驗課程體系設置研究[J].安全, 2008,18(6):51-54.

[6] 牛金成,許放.我國安全工程本科專業培養方案之比較分析[J].中國安全科學學報,2007, 17(5):83-88.

[7] 蔡峰,薛安家,黃植.安全工程專業本科生實驗教學改革與實踐析[J].實驗技術與管理, 2015,32(10):171-174.

[8] 呂保和,劉宏.安全工程的專業課程設置中存在的問題與研究[J].中國安全科學學報, 2005,15(7):48-51.

[9] 高玉坤,周玉鵬,黃志安,等.安全工程專業實驗課程改革與實踐[J].實驗技術與管理, 2016,33(12):218-220.

[10] 郭美榮,侴愛輝,夏德宏,等.創新人才培養模式研究[J].實驗技術與管理, 2012,29(3):229-235.

[11] 侴愛輝,郭美榮,王恒,等.創新型工程人才培養模式的探討[J].實驗室科學, 2010,13(6):10-14.

[12] 張現青,屈二軍,陳蘭英,等.推進微生物實驗教學改革 提高學生綜合實驗素質[J].實驗室科學, 2008,11(6):57-58.

[13] 周遠松,唐曉龍,易紅宏,等.環境工程原理“開放式、研究性”實驗教學體系探索[J].中國冶金教育,2016(6):75-77.

[14] 陳男,馮傳平,胡偉武.環境工程專業課程體系的探索與創新[J].中國地質教育, 2014(1):24-26.

Reform and practice of experimental course for environmental engineering majors

Lü Lüzhou, Lin Hai, Chen Xiuzhi, Zhou Yuansong, Feng Rui

(School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

By taking the experimental teaching for the environmental engineering majors in University of Science and Technology Beijing as an example, and combined with the basic requirements of the experimental course of the environmental engineering, the experimental course setting and the experimental content are discussed, the reform and practice of the professional experimental course are explored, and the problems in the process of such reform are determined. Through the reform of the professional experimental course for many years, the practical teaching has been enriched and the curriculum design of professional experiment has been improved, which has effectively improved the students’ practical ability and innovative ability, and has laid a solid foundation for their all-round development.

environmental engineering; experimental course; teaching reform

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.055

G642.423

B

1002-4956(2017)11-0221-04

2017-04-17

北京科技大學教育教學改革項目(JG2015M03)；北京科技大學教育教學改革與研究重點項目(JG2012Z03)；北京市支持中央在京高校人才培養共建項目——專業建設項目(GJ-201205)

呂綠洲(1981—)，女，河南泌陽，碩士，工程師，主要從事環境工程實驗教學及實驗室管理.

E-mailllz0542@163.com