PBL模式提高學生工程實踐及創新能力的應用

王淑勤，武金錦，陳司晗，付 懿，劉路游

(華北電力大學 環境科學與工程系，河北 保定 071003)

PBL( problem-based learning )教學模式是把問題當作焦點誘導學生進行調查和研究，使得學生學習到解決問題的思路與過程，并熟練運用有關知識和概念，有利于提高學生理解問題和分析問題的能力，還可以總結解決問題的經驗與教訓，最終培養其自主學習的意識和能力[1]。該教學模式是根據問題來進行的學習，因此需要教師精心設計實際問題和解決問題的途徑，并且組織學生調查、尋找相關項目，然后提供解決現實問題所需要的環境和設備，最后組織討論，充分調動學生在學習過程中的主動性，培養學生分析并解決問題的能力，這也是研究性教學的一種途徑[2-3]。學習和研究相結合的研究型教學是指教師通過引導、促進、支持和指導學生的研究型學習活動來完成教學任務的一種教學方法。將這種方法應用于理論課學習已獲得很多成功案例。

PBL最顯著的特征是其具有實踐性，它鼓勵項目成員相互協作、共同創造，并完成所需求的最終項目產品，使其收獲一次系統的、經驗的學習。通過這種教學方式來培養具有高水平綜合能力和創新實踐能力的學生，從而實現企業需求和人才輸出的無縫對接。

將該模式應用于理論課程的教學實踐，已經成為各高校關注的焦點。華北電力大學環境工程專業作為雙一流建設專業，從2013年就開始積極嘗試研究性教學試點課程《水污染控制工程》的教學改革。為了體現華北電力大學“研究型、國際化”的辦學特色，我們不僅更新課程教學內容，改進教學手段和措施，還提高學生創新能力，并取得了較好的教學效果[4]。我們還通過案例進行教學，強化工程應用和實踐能力訓練；但如何構建符合能力培養要求的實驗教學模式，是環境工程專業教學改革普遍關注的問題[5]。因此通過研究性實驗，結合PBL教學模式讓學生能夠主動的獲取知識、探索問題、應用知識解決問題，以培養學生的科研素養和提高學生研究性學習能力，這方面的研究還有待加強。

研究性實驗需要自主研究、總結、梳理出與實驗有關的理論，遇到問題及時回到書本學習，甚至要求在已有知識的基礎上學習和探索新的知識，如此才能全面理解實驗項目、精確操作實驗設備、制訂完善的實驗方案、順利的完成實驗項目。通過PBL教學模式來提高學生的學習熱情，使學生自主學習、資料查找、解答問題以及團結合作等方面的能力得到提升[6]。另外，教師在教學過程中的角色轉變，有利于老師學生之間教學相長教學關系的建立和發展，更有助于師生的交流。不過，想要實現PBL教學模式，就要求任課教師完成更高層次的要求。為此我們進行了以下3個方面的嘗試。

1 PBL 教學模式在綜合實驗中的應用

華北電力大學環境工程專業綜合實驗是單獨開設的為期兩周的實踐教學環節，這個環節的目的是使學生對現場實際問題進行多指標的檢測分析和治理研究，加強對復雜環境問題的認識，學會利用多門專業課的知識分析解決這些問題，自己制定可行的實驗方案，并進行方案實施、數據處理及分析總結治理項目對環境的綜合影響、撰寫符合行業規范的實驗報告，受到全方位的科學思維和實驗訓練，在工程實踐能力和創新能力等方面得到進一步的鍛煉與提高。

通過綜合實驗全面加深學生對有關廢水、廢氣、固體廢物處理理論的理解，使學生掌握文獻和儀器設備使用方法，掌握水、氣、固體廢物處理工藝選擇，掌握處理實驗數據的方法及主要處理設施的性能特點，培養學生的實踐動手能力，并且提高其撰寫符合行業標準的實驗報告的能力，在工藝路線、實驗方案、治理設備選擇上提高創新意識。

為保證課程教學目標的達成度，我們任課教師充分分析學生自身的特點，結合學校的實驗條件確定了合適的綜合實驗題目，給出任務要求。我們的做法是考慮到學生能力差異、性別差異、性格差異，進行合理搭配，均勻分布，因此要求學生以宿舍為單位分成小組，每組5～6人，選出責任心強的學生作為組長，組長根據指導教師的任務要求對組員進行適當分工，使學生小組成員之間達到較好的合作，增強團隊意識。

實驗進行的第一周，要求學生認真查閱“中國知網”、“萬方數據庫”、“Ei compendex”、 “Elsevier”、“ Springer”等數據庫，仔細查找和閱讀相類似于本組實驗任務的科研論文，在已有驗證性實驗的基礎上提前設計綜合實驗方案。自主選擇實驗藥品和儀器的類型、數量、實驗方法和制定實驗步驟，在研究中培養學生的思考能力。要求不同組的學生選擇不同處理對象進行監測治理，或者可選擇同一處理對象進行不同處理單元或者不同處理方法的效果對比，要求各組之間充分交流，避免重復和抄襲，實驗方案確定后交任課教師批改修正。

實驗第二周，要求學生自己按照實驗方案選取樣品，配制溶液，組裝實驗裝置，進行多指標的分析檢測。

例如在“生活污水化學處理與生物處理差異分析”的實驗項目中，學生們通過參觀學校中水站切實感受生活污水A2O生物處理工藝的效果，自己取出進、出水水樣，制定合理實驗方案，并且應用環境監測、環境工程微生物學和水污染控制工程等課程中學到的知識，進行COD去除效果分析，發現冬季中水站A2O工藝過程中COD的去除率僅63%，比混凝、化學吸附、過濾，氧化等組合工藝的總去除效果低23%；還分析了好氧池中的碳、氮、磷的比例，發現其中磷含量明顯偏高；水的pH值偏低，溶解氧含量小于2mg/L，這些都是引起非絲狀菌污泥膨脹的原因。根據所學專業知識提出工藝運行調整對策，減少含磷廢水的排放或者投加有機物改善營養比和水的pH；在冬季水溫低的條件下減少曝氣量。中水站采用了我們的改進方案，污泥膨脹得到顯著改善。

又例如在“混凝、吸附、氧化處理生活污水的實驗”中，發現混凝后上清液雖然很清澈，但還是有色度，如圖1所示；繼續使用臭氧氧化時，在燒杯中不易控制臭氧的流量，時間在5 min之內氧化效果不明顯，延長到30 min時臭氧味溢出燒杯，滿屋都是，帶來二次污染，因此調整實驗方案改為過氧化氫氧化。可是實驗過程又發現過氧化氫用量太多，采用高錳酸鉀法測定COD會產生顏色干擾，無法得到預期的數據，必須控制合適的投加量才能保證對有機物的氧化，又不干擾高錳酸鉀法測定COD，這樣學生在實驗過程中逐步增強主動實驗和自主實驗的意識，使他們建立起善于運用相關知識解決工程問題的思維習慣。

圖1 生活污水混凝前后的效果

2 PBL 教學模式在畢業設計中的應用

針對綜合實驗中出現的臭氧氧化沒有合適實驗裝置的問題，我們結合畢業設計要求學生設計一套小型臭氧化實驗裝置，并篩選填料提高其臭氧化效果。該學生利用3D打印技術自主設計了特殊的填料如圖2所示，還和光催化結合，提高了臭氧氧化不可生物降解污染物-苯酚的降解效率。

圖2 利用3D打印技術自主設計開發的兩種填料

實驗結果表明在這兩種填料存在時，不僅使臭氧氧化生活污水的能力有所提高，還使臭氧氧化不可生物降解污染物-苯酚的效率提高近20%，再結合二氧化鈦光催化后的總效率又提高近10%，總效率接近100%。但是發現二氧化鈦與水難于分離，不利于重復使用，還需要進一步研究探索。

選該畢業設計的同學自主學習熱情很高，從查閱資料到設計畫圖，從加工制造到設備組裝，篩選實驗條件，改進實驗效果，受到全面系統的工程訓練，體現了工程設計中的創新意識，答辯效果很好，畢業論文總評成績為優秀。該同學還被免試推薦到廈門大學供讀碩士研究生。

3 PBL 教學模式在創新實驗中的應用

圖3 替芯式催化劑套筒

針對二氧化鈦與水難于分離的問題，我們指導團隊又指導了大學生創新實驗項目“新型金屬有機骨架材料協同光催化氧化法處理焦化廢水”，結合此項目發現摻鈰二氧化鈦處理低濃度的含酚廢水具有良好的效果。進而利用數控機床加工了替芯式催化劑套筒，套筒之間通過螺紋連接，起到了防水滲出的作用，如圖3所示，套筒內壁刷有特制防水膠，催化劑通過膠的粘性附著在套筒的內壁上，使改性二氧化鈦催化劑與污水易于分離，套筒之間固定著不銹鋼絲網，使臭氧在通過不銹鋼絲網后均勻分散為小氣泡，增大氣液接觸面積，同時促使臭氧在水中溶解，高效參與二氧化鈦對污染物的催化，使臭氧利用率更高，催化劑失效后直接更換替芯即可快速投入使用。整個裝置的核心部分是負載有改性二氧化鈦的替芯，將改性二氧化鈦負載于套筒的內壁，再將套筒放入裝置的不銹鋼外殼中。裝置的整個替芯是由五個相同的替芯單元組成，使得在某個替芯失去催化效果時可以單獨更換，節省催化劑失活后替換的成本。該項目在指導教師指導下申請了實用新型專利，此項目還獲得了國家節能減排大賽三等獎。

4 結束語

總之，通過教學改革，加強實踐環節中PBL教學方法的應用，實現了研究性教學，加強了學生觀察、發現、理解細節問題的能力，增強了表達敘述能力，能夠準確的應用環境工程知識分析復雜的工程問題，并且獲得有效結論，學生綜合素質得到極大提高。