基于創新能力培養的環境工程綜合實驗內容改革*

熊 玲，陳紹華，程 聰

(中南民族大學資源與環境學院，湖北 武漢 430074)

環境工程專業是一門應用性和實踐性很強的綜合性交叉學科，本科工程教育的基本定位是培養學生創新性地“解決復雜工程問題”的能力，將創新能力培養融入環境工程專業實踐教學全過程，不僅能提高大學生的創新能力和實踐能力，而且滿足新時期復合型人才的需求[1]。

培養學生“解決復雜工程問題”的能力，體現了環境工程專業應用性和實踐性的特點，這也是工程教育認證的主要目標[2]。而在環境工程人才培養過程中，實踐課程是實現“解決復雜工程問題”的重要載體，也是培養學生創新意識、創新精神、創新能力的重要途徑[3-4]。因此，通過實踐教學提高學生的創新能力和解決復雜工程問題能力是提高人才培養質量重要途徑，已成為高校環境工程專業亟待解決的人才培養問題。

環境工程綜合實驗是一門重要的綜合性實驗課程，是將《環境工程原理》、《水污染控制工程》、《大氣污染控制工程》、《固體廢棄物處理與處置工程》等核心課程的理論知識融于一體后開設的實驗教學課程[5]，對學生創新能力和“解決復雜工程問題”能力的培養具有重要的作用。我校特別重視環境工程專業學生創新能力和實踐能力的培養，2015年，以環境工程專業工程認證和新工科建設為契機，學院完成了實驗室資源整合與布局優化，打造了支撐本科教學質量提升和創新能力培養的標準化、規范化實驗室，并對儀器設備進行更新?，F有水污染控制工程實驗室、大氣污染控制工程實驗室、固體廢棄物處理與處置實驗室，虛擬仿真實驗室等13個實驗室，總面積達1600 m2，還單獨設立了300 m2的環境工程綜合實驗室，實驗室中擁有高效液相色譜儀、原子吸收光譜儀、氣相色譜儀、傅里葉紅外光譜儀、總有機碳測定儀等一批大型儀器。同時對實驗內容進行更新，將全國工程應用競賽單元和自動化控制程序、無人機監測、虛擬仿真等內容融于教學中，并將教師和企業合作的應用科研成果或新的研究方法編寫成綜合實驗內容，并出版實驗教材《環境工程專業實驗——基礎、綜合&設計》一部，不僅豐富了實驗教學內容，而且很好地培養了學生的實踐能力和創新能力。近年來，環境工程專業在實踐教學中通過一系列改革與嘗試，已經構建了一套基于“設計-研究-創新”循序漸進、多階段式的實驗教學新體系，極大地促進了學生創新能力和“解決復雜工程問題”的能力，這對提高教育質量，增強畢業生的就業競爭力具有重要的作用。因此，筆者結合目前學校環境工程專業綜合實驗的教學實踐，對綜合實驗的內容改革以及下一步的設想進行了探討。

1 環境工程綜合實驗內容改革

1.1 綜合實驗內容設置突出“學生為主”的原則

綜合實驗內容在前期的基礎上進行更新，進一步突出以“學生為主、教師為輔”的原則。例如生物接觸氧化法處理有機工業廢水實驗中，改革前，實驗老師把活性污泥準備好，設備連接好，學生只是進行實驗操作和水質參數(COD和氨氮)的測定。而進行創新能力培養改革后，活性污泥的取樣與馴化、活性污泥生物相的觀察、污泥沉降比的測定、設備管道的鏈接、反應器的啟動和運行、COD和氨氮的測定都要求學生自己完成。例如有機污染物的生物降解度的測定，以前是實驗老師把前期工作都準備好，實驗過程中學生只是利用儀器測定有機污染物的濃度，而進行創新改革后，有機污染物濃度測定方法的選擇和建立、活性污泥的取樣、活性污泥濃度(MLSS)的測定、活性污泥的馴化、培養都要求學生自己設計并完成，這樣可以充分調動學生實驗的興趣、熱情，增強學生專業知識的綜合運用能力，提高學生的創新能力。

1.2 綜合實驗內容設置突出“教學和科研的統一”

通過將老師承擔的科研項目與綜合實驗相結合，不僅豐富和更新了實驗內容，提高了學生實驗的積極性，而且提高了學生的創新能力，同時又解決教師科研人手不足的問題，還有利于大學生創新創業項目的申報[6]。例如將國家科技支撐計劃項目“電解錳廢渣資源化利用關鍵技術研究及工程示范”中的相關研究內容轉化為綜合實驗內容，學生積極主動參與到實驗過程中，并申報大學生創新課題，其中一項研究成果《一種高效資源化處理電解錳渣實現減排的方法》獲得湖北省“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽一等獎。通過這一類綜合實驗，鍛煉了學生的工程實踐能力和創新能力，最終可以實現“教學帶動科研，科研反哺教學”，教學和科研協調發展。

1.3 綜合實驗內容設置突出“創新”的原則

創新性實驗不設定具體實驗內容，沒有預期實驗結果，完全由學生主導，學生自己查閱相關資料、設計實驗方案、選擇合適的設備單元組成實驗系統、連接系統、設定系統參數、調試系統、并分析和處理實驗數據、評價實驗效果，并對實驗進行總結。在此過程中教師不干預學生實驗，只對學生在實驗中遇到的問題提出建議，這樣有利于培養學生獨立思考、分析問題、解決問題能力以及創新能力。例如2018年我院從浙江天煌科技實業有限公司采購了兩臺套全國工程應用競賽單元和自動化控制程序供學生開展創新性綜合實驗使用。該產品主要由供水系統、污水處理系統和控制系統三部分組成。學生的創新設計主要集中在污水處理系統和控制系統。

污水處理系統包括格柵調節池、沉砂池、沉淀池、A2/O生物反應池、MBR膜生物反應池、SBR-1池、SBR-2池、二沉池、砂濾柱、吸附柱、加藥池、計量泵、曝氣設備以及自動檢測設備(溶解氧、氧化還原電位、pH)等設備單元?？刂葡到y主要由電氣控制柜、漏電保護器、觸摸屏、旋鈕開關、工作狀態指示燈、PLC可編程控制器、組態監控軟件等組成。

在綜合實驗時，實驗指導老師只給定廢水中污染物的種類、污染物的濃度以及出水水質要求，學生可以根據老師給定的污水性質以及出水水質要求等設計一套完整的污水處理方案，然后從中選擇其合適的處理單元進行組合，并對設備單元進行連接，組成污水處理系統，然后通過編制PLC控制程序，以實現對各設備及單元進行自動控制，最后通過參數設置、系統調試，使系統穩定運行，驗證設計方案是否可行，并通過實驗結果給出。污水處理系統中不僅可以對設備單元進行組合、還可以對設備單元進行改裝，例如有學生設計采用“混凝沉淀+MBR”的組合處理工藝對城鎮污水進行深度處理時，首先，將原賽項平臺的SBR-1池改裝成混凝混合池，由于混合所需要的時間很短，在30 s～2 min之間，而原來的SBR-1池橫截面較大，作為混合池后，水深比較淺，原攪拌器攪拌軸過短，因此為了起到好的混合作用，學生進一步將原攪拌軸進行了加長處理。并根據混合的需要，對調速電機的轉速進行適當調整。其次，將原賽項平臺的SBR-2池改裝成混凝反應池而成，并根據反應階段的攪拌機轉速的要求，對調速電機進行轉速調整。再次，將由原賽項平臺的沉砂池進行改裝加入斜板，可以顯著提高了沉淀分離效率，獲得了很好的實驗結果。該類實驗要求學生能對A2/O、MBR、SBR生物處理工藝的有很好的理解，通過該類實驗的訓練學生的實踐能力、創新能力都得到了培養。

2 環境工程綜合實驗改革的進一步設想

環境工程綜合實驗由于實驗設備臺套數的限制，還是分小組進行(每小組5～6人)，學生沒有積極參與實驗之中，這不利于學生創新能力的培養，可以考慮增加實驗設備臺套數或是延長實驗安排時間來，最后實現每小組2人左右。另外，目前環境工程綜合實驗成績評定方式不利于學生創新能力的評價，如何考察學生的創新能力和“解決復雜工程問題”的能力是目前環境工程綜合實驗急需解決的問題。建議綜合實驗成績分兩部分：小組成績和個人成績[7]。小組成績主要考察整個實驗方案的合理性、實驗結果的可靠性。個人成績主要考察個人在具體方案設計和實驗操作中承擔的具體任務。成績評定主要由5～6名老師組成專家組，由學生答辯(包括實驗方案設計、實驗方案的把握程度、實驗操作的熟練程度以及實驗結果的可靠性等方面)，由教師根據學生在實驗中的綜合表現給出相應成績。

3 結 語

培養學生創新精神和實踐能力，發展以創新能力為核心的全面素質教育是當前高校人才培養的核心任務之一。環境工程綜合實驗是環境工程專業重要的實踐教學環節，是培養學生創新能力和工程實踐能力的重要途徑。我校環境工程專業已經構建了一套基于“設計-研究-創新”循序漸進、多階段式的實驗教學新體系，極大地提高了學生的實驗興趣、創新能力和“解決復雜工程問題”的能力，這對提高教育質量，增強畢業生的就業競爭力具有重要的作用。