環境類專業自制實驗教學裝置的開發與使用

方華 徐德福 張海鷗 韓紅霞

摘 要 針對現有實驗教學裝置存在的問題，研制一套多功能污水生物處理實驗裝置，并應用于專業實驗教學改革。相關教學實踐表明，自制實驗裝置在提高實驗教學質量、培養學生創新能力、提高實驗教師業務水平、促進實驗室建設等方面有著積極作用，是高校實驗室建設和改革的重要手段。

關鍵詞 自制實驗裝置；污水生物處理；實驗；教學改革；環境類專業；實驗室

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）22-0029-03

Abstract Based on the problems of the existing experimental tea-ching devices， a set of multifunctional experimental devices for se-wage biological treatment was made and used in experimental tea-ching. Experimental teaching practices showed the self-made experi-mental devices played an active role in improving the quality of ex-perimental teaching， cultivating students innovative ability， impro-ving the professional level of the experimental teachers and promo-ting the construction of the laboratory. It is an important method of laboratory construction and reform in universities.

Key words self-made experimental device； sewage biological treat-ment； experimental； teaching reform； environmental specialties； lab

1 前言

高等院校是人才培養的主要陣地，實驗教學則是高等教育人才培養體系中不可或缺的重要環節。隨著國家對高等教育重視和投入的加大，高校實驗室建設近年來得到快速發展。各類教學實驗室均購置了大批實驗教學儀器、設備，改善本科實驗教學條件。但市售的實驗教學設備在功能、使用和維保等方面也存在一定的缺陷，不能完全滿足實驗教學的需要，特別是專業實驗教學的需要。

自制實驗教學裝置是任課教師根據實際教學內容及實驗需要，自行設計、加工（或委托）制作的儀器設備。這類實驗裝置可操控性強，貼近教學實際，并可滿足課程的特別需求。因此，自制實驗教學裝置作為解決和完善實驗教學儀器設備的重要途徑，更新實驗項目與內容、提高學校實驗教學質量的重要手段，對促進高校實驗室建設和可持續發展具有重要意義[1-3]。

本文在分析南京信息工程大學環境科學與工程實驗教學中心現有實驗裝置存在問題，及自制實驗裝置作用與意義的基礎上，以污水生物處理實驗為對象，開發一套多功能自制實驗裝置，并應用于教學實踐，獲得很好的教學成效。通過總結相關成效和經驗，期望為相關專業開展自制實驗教學裝置工作提供一些借鑒和參考。

2 市售實驗教學裝置存在的問題

南京信息工程大學一貫高度重視實踐教學在人才培養中的重要地位，通過修訂和完善教學大綱，環境類各專業的實踐學時比例已達到總學時的35%以上；同時，投入大量資金，購置更新大批實驗教學儀器設備，改善實驗教學條件。學校環境科學與工程實驗中心（以下簡稱中心）現已建成為江蘇省高等學校實驗教學示范中心。但在專業實驗教學中也發現，已有市售教學實驗裝置尚存在以下問題，亟待改善。

適用性和實用性差，學用脫節 中心已有教學實驗裝置均為直接購置的市售成套實驗裝置，部分裝置形式內容陳舊，已不能滿足學科發展和專業教學的新要求；部分裝置提供的實驗內容和實驗步驟與課程所用教材和講義不符，造成教師組織教學和學生自主學習困難；部分裝置對外部環境要求高，與中心現有場地、器材、公用設施等無法匹配，長期閑置；部分裝置的內部結構與工藝過程設計與實際工程應用嚴重不符，使得學生所學與工程實踐嚴重脫節。

“模型化”“教具化”現象嚴重，功能單一 現有市售實驗裝置規格型號單一，大部分裝置僅可用于簡單的教學演示和觀察，不可實際操作與模擬運行，功能上無法滿足專業實驗教學深度的要求；幾乎所有的實驗裝置只能進行一項實驗項目，不能用于新型實驗項目的開發拓展，無法滿足實驗教學廣度的要求和學生科技創新活動的需要。

價格高，壽命短，維護困難 由于環境類專業教學實驗裝置市場需求量小，生產廠家少，導致該類實驗裝置存在價格昂貴、售后服務不及時等問題。

3 自制實驗裝置的作用與意義

中心現有實驗教學裝置存在的上述問題已制約了相關實驗教學的實施和人才培養質量的提高，優化配置實驗裝置應成為當前中心實驗教學改革的重要工作內容。開展實驗裝置的自行設計和研制，是解決上述問題的重要途徑，并具有以下重要的作用和意義。

提高教學質量 自制實驗裝置可彌補原有裝置設備的缺陷，性能相對穩定，教師在授課時能保障其順利進行。同時，自制實驗裝置設備也可拓寬教學內容，使學生能獲得更多專業相關知識。自制裝置設備還能做到與時俱進，實用性強，對激發學生的學習興趣和提高實驗教學質量都具有顯著的作用[4]。

促進教師和實驗技術人員技術水平和協作能力的提高 自制實驗裝置研制過程中，教師與實驗技術人員從前期的資料收集、方案設計到后期采購、制作和調試，一直通力合作，既增強了合作能力和凝聚力，使實驗教師隊伍成為和諧、創新的團隊；又拓寬了知識面，提高了理論水平和技術水平，在實踐中提升了教學和科研能力。

提高學生綜合設計及應用能力 自制實驗儀器設備豐富了學生課內課外實驗，帶動了學生創新實驗的開展；同時，教師在研制實驗教學裝置設備過程中，還可帶領學生參與其中，讓學生結合實驗室開放或畢業設計等實踐環節參與研制實驗設備，在拓展知識面的同時，鍛煉了工程實踐能力[5]。學生參與儀器的研制，可以在感性上充分理解儀器的構造與功能，在制作過程中通過查找相關材料、尋找問題解決途徑，培養發現問題、分析問題、解決問題的能力，也充分發揮積極性與創造性。

全面推動實驗室建設 通過實驗裝置設備的自行研制和使用，可為實驗室補充大批實用且急需的實驗教學裝備，滿足不同性質實驗課程開設的需要，促進實驗教學水平的提高，增強了實驗室的綜合實力和影響力。

4 自制實驗裝置的開發與使用

自制實驗裝置的開發 針對現有實驗裝置存在的問題，中心以專業核心實驗課程——水污染控制工程實驗為切入點，選擇該課程的重點和難點——污水生物處理實驗為對象，基于“集成度高、功能豐富、便于觀察、可模擬運行”的設計思路，研制一套可進行功能擴展的污水生物處理裝置。自制實驗裝置由生物反應器、二沉池及附屬配件和連接管路構成。其中，長柱形的生物反應器是裝置的核心，總有效容積72升，采用透明有機玻璃制作；其內部通過預設的插槽分為18格體積相同的單元，通過在插槽中插入插板，可將生物反應器自由設置為不同數量和容積的反應區域。每個反應區域可通過密封蓋板設置、攪拌裝置和曝氣裝置的啟停，實現厭氧、缺氧或好氧等不同生物氧化功能。反應器外部設有進出水口、進氣口、回流口等，通過與外部的進水泵、回流泵、充氧泵的連接，形成反應器進出水系統、混合液循環系統、污泥回流系統和曝氣系統。基于此，生物反應器與二沉池連接后，可根據實驗需求，自主設置成多種典型的污水生物處理工藝，主要包括傳統活性污泥法工藝、缺氧—好氧生物脫氮（A/O）工藝和厭氧—缺氧—好氧同步脫氮除磷（A2/O）工藝等，并開展針對實際或模擬污水的連續運行處理實驗。圖1為自制實驗裝置模擬厭氧—缺氧—好氧同步脫氮除磷（A2/O）工藝流程圖。

自制實驗裝置的使用 通過對裝置主體功能結構和連接方式的創新設計，使本自制污水生物處理實驗裝置具有高度的擴展性和豐富的生物處理功能。中心利用該自制實驗裝置，分別面向各年級本科生的實驗需求，開設不同類型的實驗項目。

1）面向大二、大三學生的水污染控制工程實驗和環境工程學實驗課程，開設基礎驗證型實驗——傳統活性污泥法處理生活污水實驗，主要實驗目的為加深學生對污水生物處理的原理和方法的理解，初步培養進行污水生物處理模擬實驗的基本技能。

2）面向大四學生的專業實踐創新訓練課程，開設綜合設計型實驗——缺氧—好氧生物脫氮實驗，主要實驗目的為讓學生熟悉生物脫氮的基本流程，掌握缺氧—好氧生物脫氮工藝的原理和控制方法，提高污水生物處理實踐技能。

3）面向大學生課外科技創新活動，開設拓展創新型實驗——厭氧—缺氧—好氧工藝同步脫氮除磷實驗，主要實驗目的為讓學生掌握同步生物脫氮除磷工藝的原理、組成和控制方法，培養解決污水處理實際問題和實踐創新的能力，熟悉復雜污水生物處理工藝的設計和運行。

近三年的實驗教學應用表明，中心研制的污水生物處理實驗裝置結構簡單、操作方便、功能豐富、經濟實用，彌補了原有市售實驗裝置的缺陷，大大提高了裝置的實用性和利用率。同時，實驗過程中學生可以自己動手，對裝置進行操作與運行，改變了以往在燒杯、試管中的間歇、零碎的實驗方法，使學生可以形象、生動、完整地了解污水處理的工藝過程，從而大大激發學生的學習興趣，加深、拓寬對專業知識的理解，并增強了今后投身環境保護事業的決心。總體來看，自制實驗裝置的開發應用拓寬了教學內容，實用性好，激發了學生的學習和專業興趣，大大促進了實驗教學質量的提高。

5 結語

通過本次污水生物處理自制實驗裝置的研制，既為中心增加了一批性能可靠、針對性與適用性強的實驗教學儀器，又滿足了綜合性、設計性、創新性等多種實驗教學的需要，豐富了實驗內容，提高了教學質量，促進了實驗室建設，收到很好的教學成效，為實驗室教學改革提供了有益的借鑒和創新。

隨著我國高等教育的改革與發展，實驗教學改革和實驗室建設面臨艱巨的任務，課程內容的不斷創新決定了自制實驗儀器設備必然是一項長期的任務[6]。各高校要充分認識自制實驗儀器設備在實驗教學、實驗室建設、實驗教師和技術人員綜合能力提高等方面的積極作用，把握一切機會，調動教師的積極性，鼓勵教師研制實驗儀器設備，探索自主創新、有特色的自制實驗儀器設備之路。

參考文獻

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[5]張靜，白守禮，姜廣峰.自制實驗教學儀器設備運行機制的研究與實踐[J].高等理科教育，2011，15（4）：50-52.

[6]潘正官，謝佑國.自行研制實驗設備創建高水平示范性實驗室[J].實驗室研究與探索，2006，25（9）：1152-1153.