“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革實(shí)踐
——以北京林業(yè)大學(xué)為例

李若愚 曲 丹 孫德智 王毅力

(北京林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

“水質(zhì)工程學(xué)”是給排水科學(xué)與工程專業(yè)(以下簡稱給排水專業(yè))的一門核心主干課程，也是全國高校給排水和環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)的重點(diǎn)課程。其主要教學(xué)任務(wù)是讓學(xué)生系統(tǒng)了解水的性質(zhì)、水的特征、水質(zhì)指標(biāo)、水體污染危害與水體自凈等基本概念與理論，扎實(shí)掌握各種水處理的工程技術(shù)與方法以及應(yīng)用條件，為將來從事水處理的工程設(shè)計(jì)、科研及運(yùn)行管理等工作奠定理論和應(yīng)用基礎(chǔ)[1]。實(shí)驗(yàn)課程是“水質(zhì)工程學(xué)”課程的重要組成部分，是理論聯(lián)系實(shí)際的關(guān)鍵，也是鞏固強(qiáng)化該課程理論知識、鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維及解決實(shí)際環(huán)境問題能力的重要環(huán)節(jié)[2-4]。

一、“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的特點(diǎn)

(一)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，體現(xiàn)了水處理技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程作為給排水專業(yè)的核心課程，其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，涵蓋了多種水處理技術(shù)的原理、工藝流程、科研最新成果以及水處理技術(shù)的發(fā)展趨勢。北京林業(yè)大學(xué)“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程為40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)操作內(nèi)容包括混凝實(shí)驗(yàn)、顆粒自由沉降實(shí)驗(yàn)、過濾實(shí)驗(yàn)、折點(diǎn)加氯消毒實(shí)驗(yàn)、離子交換除鹽/軟化實(shí)驗(yàn)、反滲透除鹽實(shí)驗(yàn)、膜分離過程實(shí)驗(yàn)、活性污泥指標(biāo)測定實(shí)驗(yàn)、曝氣充氧系數(shù)的測定實(shí)驗(yàn)、污泥比阻的測定實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生在學(xué)習(xí)完水質(zhì)工程相關(guān)專業(yè)知識后，通過實(shí)驗(yàn)課程開展水處理工藝的相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，從而學(xué)會廢水、給水的水質(zhì)指標(biāo)測定方法，掌握自來水廠傳統(tǒng)工藝(混凝、沉淀、過濾、消毒)、除鹽工藝(離子交換、反滲透、膜分離)和廢水處理工藝(污泥指標(biāo)、曝氣充氧)的相關(guān)技術(shù)、基本原理、反應(yīng)過程和計(jì)算方法，了解城市給水技術(shù)和廢水處理的實(shí)際工程技術(shù)情況。“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，體現(xiàn)了水處理技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，為學(xué)生未來從事相關(guān)的科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

(二)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重學(xué)生操作能力和分析解決問題能力的培養(yǎng)

“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)圍繞學(xué)生的實(shí)際操作開展，主要內(nèi)容有實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行控制、投加藥劑的種類和數(shù)量控制、水樣的采集和水樣分析測試等，這些內(nèi)容全部由學(xué)生設(shè)計(jì)并操作完成。在此過程中學(xué)生需要結(jié)合理論知識計(jì)算和確定實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行參數(shù)，控制實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行過程，根據(jù)水樣的分析測試結(jié)果及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行參數(shù)。這些實(shí)際操作既能加強(qiáng)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力的訓(xùn)練，又能使學(xué)生在深刻理解理論知識的同時(shí)，培養(yǎng)分析問題和運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力。

二、“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)存在的問題

(一)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容簡單，實(shí)驗(yàn)操作部分薄弱

“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程原有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容由實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)果討論6部分組成。其中，實(shí)驗(yàn)原理的相關(guān)內(nèi)容豐富且表述清晰，而實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟則陳述簡單，且操作性較弱。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，由于缺少實(shí)驗(yàn)步驟的詳細(xì)準(zhǔn)確的表述，學(xué)生只能根據(jù)自己的理解進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，常常出現(xiàn)操作錯(cuò)誤。而在實(shí)驗(yàn)中一旦產(chǎn)生錯(cuò)誤的操作，會導(dǎo)致在兩個(gè)方面產(chǎn)生不良影響：一是影響學(xué)生順利完成實(shí)驗(yàn)，得不到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而影響在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論環(huán)節(jié)的訓(xùn)練效果；二是實(shí)驗(yàn)誤操作可能還會引發(fā)實(shí)驗(yàn)事故，危及學(xué)生的人身安全。因此，應(yīng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的指導(dǎo)過程，充實(shí)指導(dǎo)書中有關(guān)實(shí)驗(yàn)步驟的內(nèi)容，以保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行。

(二)實(shí)驗(yàn)課程考核方式單一，實(shí)驗(yàn)操作過程的考核薄弱

傳統(tǒng)的“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程采取的是平時(shí)成績和期末考試成績相結(jié)合的考核形式。其中，平時(shí)成績主要依據(jù)學(xué)生的出勤率進(jìn)行考核。而實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)要求學(xué)生必須親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，因此學(xué)生的出勤率均為全勤，所以依據(jù)出勤率計(jì)算的平時(shí)成績均為滿分；實(shí)驗(yàn)課程的期末考試成績?yōu)閷W(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的筆試成績。期末考試成績雖然能評價(jià)學(xué)生對水質(zhì)工程基本概念、技術(shù)方法和實(shí)驗(yàn)操作的理解和掌握情況，但是筆試僅僅是對理論知識的考核，其成績常與學(xué)生在實(shí)際操作中所體現(xiàn)的能力存在較大的差異。因此，單一的實(shí)驗(yàn)課程考核評價(jià)方式無法對學(xué)生實(shí)際操作能力進(jìn)行考核。

(三)實(shí)驗(yàn)報(bào)告缺少根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)的內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革前，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，會照搬實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)方法等內(nèi)容，按部就班地完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律，難以通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量區(qū)別學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)缺少基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果開展的分析訓(xùn)練，影響了學(xué)生實(shí)驗(yàn)綜合能力的提升。

三、“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的措施

(一)完善實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)步驟的可操作性

為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的可操作性，北京林業(yè)大學(xué)“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程的任課教師將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容進(jìn)行了重新整合，豐富并細(xì)化了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中實(shí)驗(yàn)步驟的內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，需根據(jù)實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)的問題提出改進(jìn)建議，并說明原因，進(jìn)而對實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行不斷改進(jìn)。這種對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行適時(shí)修改更新的模式，不僅保證了實(shí)驗(yàn)操作過程中的規(guī)范性，也保障了實(shí)驗(yàn)操作的安全性。筆者以“離子交換除鹽實(shí)驗(yàn)”為例，說明實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的豐富和細(xì)化情況。

使用離子交換法除鹽裝置對自來水進(jìn)行除鹽操作實(shí)驗(yàn)首先應(yīng)繪制H離子交換樹脂軟化出水的水質(zhì)變化曲線和復(fù)床除鹽系統(tǒng)出水水質(zhì)變化曲線，之后分析出水水質(zhì)變化規(guī)律。具體做法是指導(dǎo)教師首先引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中使用具四氟活塞層析柱填裝離子交換樹脂，通過蠕動泵向?qū)游鲋鶅?nèi)泵入進(jìn)水(自來水)，使用燒杯接取軟化出水；之后學(xué)生測定出水的pH、硬度和電導(dǎo)率指標(biāo)，并根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)繪制出水水質(zhì)曲線，至此完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作。“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程原實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中部分實(shí)驗(yàn)步驟的內(nèi)容見圖1。

圖1 “水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程原實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中部分實(shí)驗(yàn)步驟的內(nèi)容

由于改革前實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中實(shí)驗(yàn)步驟較為簡單，學(xué)生只能根據(jù)簡單描述的實(shí)驗(yàn)步驟摸索著進(jìn)行相關(guān)的操作，可能導(dǎo)致出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想的情況，如滴定時(shí)超過滴定終點(diǎn)，接取的出水量滿足不了檢測用量以及離子交換柱未穿透等，最終造成學(xué)生在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)，無法順利取得較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無法保證實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。

筆者針對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中操作內(nèi)容簡單的問題，對其進(jìn)行了豐富和細(xì)化，對每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟都增加了供學(xué)生填寫的“改進(jìn)意見”和“改進(jìn)原因”兩部分的內(nèi)容。同時(shí)，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，需要把對實(shí)驗(yàn)步驟的改進(jìn)意見和改進(jìn)原因?qū)戇M(jìn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，指導(dǎo)教師將改進(jìn)意見和改進(jìn)原因納入實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核內(nèi)容，并對學(xué)生的改進(jìn)意見和改進(jìn)原因的合理性和創(chuàng)新性進(jìn)行評價(jià)，以激勵(lì)學(xué)生主動思考，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。改革后“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程原實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中部分實(shí)驗(yàn)步驟的改進(jìn)方案見圖2。

圖2 “水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程原實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中部分實(shí)驗(yàn)步驟的改進(jìn)方案

“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，指導(dǎo)教師將學(xué)生提出的關(guān)于實(shí)驗(yàn)步驟的改進(jìn)意見和改進(jìn)原因進(jìn)行匯總，將合理性的實(shí)驗(yàn)步驟和改進(jìn)意見及改進(jìn)原因充實(shí)到實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中，更新后的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書可用于下一屆學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，從而使實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書得到不斷豐富和完善。

(二)制定貫穿實(shí)驗(yàn)全過程的實(shí)驗(yàn)操作能力考核標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要圍繞學(xué)生實(shí)際操作開展，因此在實(shí)際操作過程中有充足的時(shí)間供指導(dǎo)教師對學(xué)生的實(shí)際操作能力進(jìn)行考核。其考核內(nèi)容主要包括操作的規(guī)范性、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集的完整性和實(shí)驗(yàn)操作能力等。指導(dǎo)教師不僅要對學(xué)生安全操作的規(guī)范性進(jìn)行評價(jià)，還要根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作表現(xiàn)對學(xué)生進(jìn)行評價(jià)，并將其作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程的平時(shí)成績。對學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力的考核標(biāo)準(zhǔn)彌補(bǔ)了以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)以出勤率和筆試成績作為考核標(biāo)準(zhǔn)的弊端，達(dá)成了實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力的主要目的。“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程考核中實(shí)驗(yàn)操作能力考核標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 “水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程考核中實(shí)驗(yàn)操作能力考核標(biāo)準(zhǔn)

(三)實(shí)驗(yàn)報(bào)告增加結(jié)果分析和自我評估兩項(xiàng)內(nèi)容

北京林業(yè)大學(xué)“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程要求學(xué)生按照實(shí)際的操作過程，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和綜合分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告的編寫，并用科學(xué)語言對實(shí)驗(yàn)過程加以描述和分析。學(xué)生撰寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包含三部分內(nèi)容:一是本課程規(guī)定的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容；二是實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析；三是對實(shí)驗(yàn)操作的自我評估。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告要按規(guī)范格式進(jìn)行書寫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析要求學(xué)生依據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并結(jié)合所學(xué)的專業(yè)知識和查閱的相關(guān)文獻(xiàn)信息，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果在給排水工程中應(yīng)用的意義。自我評估要求學(xué)生評價(jià)本次實(shí)驗(yàn)的完成情況，綜合評估是否達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康模缬形催_(dá)到預(yù)期的結(jié)果，需分析具體原因并提出改進(jìn)方法。指導(dǎo)教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告批改時(shí)，對學(xué)生結(jié)果分析和自我評估的內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)評判后，應(yīng)給出合理的建議。

四、“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的成效

(一)提高了教學(xué)質(zhì)量，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力

通過豐富和充實(shí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的可操作性，節(jié)約了指導(dǎo)教師描述實(shí)驗(yàn)步驟的時(shí)間，從而可以更加深入地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理及應(yīng)用方法的講授，提高了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度。

同時(shí)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上能主動思考，積極參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并對在實(shí)驗(yàn)操作過程中發(fā)現(xiàn)的問題提出解決的新思路、新方法，提升了創(chuàng)新能力。更新后的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書制定了實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，降低了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中發(fā)生誤操作的可能性，而且減少了學(xué)生無效實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率，保護(hù)了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的人身安全，保障了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利開展。

(二)突出了對實(shí)驗(yàn)操作能力的考核，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)目的的達(dá)成

改革后的“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程考核覆蓋了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作、檢測分析和數(shù)據(jù)記錄整個(gè)過程，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力進(jìn)行了重點(diǎn)考核。這種考核方式有效解決了實(shí)驗(yàn)課考核方式單一的問題，使學(xué)生既能深刻理解實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容，又凸顯了實(shí)驗(yàn)課程著重對學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力培養(yǎng)的教學(xué)目的。

(三)提升了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革后，“水質(zhì)工程學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)報(bào)告是以實(shí)際操作結(jié)果為基礎(chǔ)撰寫的，在一定程度上避免了抄襲的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)報(bào)告新增加的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和自我評估兩項(xiàng)內(nèi)容不僅激發(fā)了學(xué)生獨(dú)立思考和解決實(shí)際問題的積極性，而且培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力。