PBL 教學法在固體廢物處理與處置實驗教學中的應用

＊王磊 張勇 洪磊 葉勁松 劉盛萍

（1.合肥學院 生物食品與環境學院 安徽 230601 2.合肥環境工程研究院 安徽 230601 3.安徽省固體廢棄物能源化利用工程技術研究中心 安徽 230601）

1.引言

2019年我國大、中城市生活垃圾產生量為23560.2萬噸，處理量23487.2萬噸，處理率達99.7%[1]，垃圾資源化利用率約為50%[2]，為了實現2025年年底，全國城市生活垃圾資源化利用率達到60%的目標[2]，我國迫切需求固體廢物處理與處置技術領域創新人才。《固體廢棄物處理與處置》實驗（以下簡稱“固廢實驗”）作為環境工程專業必修課程之一，具有較強的實踐操作性和實用性，是理論知識實踐過渡的重要環節，對培養創新精神和學生解決問題的能力有著舉足輕重的作用[3-5]，因此實踐教學過程設計是否合理和科學直接影響到教學效果。目前不少高校固廢實驗教學采用以教師為中心，“保姆式”授課方式，學生只是按照實驗教師設計好的實驗流程機械操作，缺乏獨立思考，這種教學方式嚴重忽視了學生創新能力的培養。

PBL（Problem-Based Learning）教學法即基于問題的教學方法。起源于20世紀50年代的醫學教育[6]。該教學法不同于傳統教學，它是一種以學生為主體、以研究領域內的各類問題為學習導向，讓學生圍繞問題尋求解決途徑的一種學習方法。教師在教學過程中的主要職責是提出問題、設計課程以及評估結果。PBL教學法能夠提升學生學習的主動性，提高學生在教學過程中的參與程度，激發學生的求知欲和創新思維[7-9]。這種教學方法對教師的要求較高，教師必須具備較強的課堂掌控能力和引導能力。文中將PBL教學法引入到固廢實驗教學中，以提高學生的學習積極性和主動性，保證實驗教學效果。

2.當前實驗教學存在的問題

(1)實驗內容缺乏系統性

很多高校的固廢實驗課程內容設置多為污泥的TOC測定、固廢物熱值測定、生活垃圾滲濾液測定等，實驗僅側重指標的檢測，并沒有對這些實驗內容進行有機的整合。通常實驗教學中涉及固廢有污泥、生活垃圾、餐廚垃圾等，種類偏多，而固廢實驗學時有限，學生對各類固體廢物處理與處置的理解只能淺嘗輒止。這與固廢實驗教學的初衷是背道而馳的。另外，在固廢實驗過程中，學生90%以上的時間是在實驗室完成給定的固廢樣品進行若干指標的檢測，對檢測指標的環境意義及指標之間的相互關聯性知之甚少，甚至對固廢樣品的采集和預處理也是一無所知，這種固廢實驗課程體系是不健全的，是缺乏系統性設計與思考的。

(2)實驗教學過程學生缺乏互動交流，參與度低

傳統的實驗教學通常是以教師為中心，實驗課程開始前，實驗教師將固廢實驗所涉及的實驗環節編制成詳細的實驗指導說明書發給學生，讓學生進行課前預習。然而，這種看似合理的課前安排，卻促成學生在思想上和實踐中偷懶的事實。學生得到這種實驗指導說明書后，課前預習已然成為多余，學生只需按圖索驥，按照實驗指導說明書內容完成實驗。實驗過程中所用的化學試劑和實驗樣品通常是由幾名學生代表在實驗教學開始前準備齊全。實驗教學開始時，學生僅僅做些諸如稱量、滴定及實驗數據記錄等基礎性工作即可完成實驗。這種“教師包辦”的實驗，學生與教師交流很少，學生與學生之間缺乏互動交流，學生參與度低，限制了學生的主觀能動性和知識綜合運用能力。

(3)實驗考核方式不合理

考核是激發學生學習動力的手段，對實驗有重要的導向作用[10]。傳統的實驗教學考核評定項通常把實驗報告列為主要考核項，再從考勤情況、實驗操作、課前預習等次要考核項中選擇兩三項進行加權求和，即為學生的實驗最終成績。這種考核方式存在諸多問題：首先，考勤情況無法真實反映學生投入實驗的工作量；其次，傳統的實驗教學模式使得實驗操作和課前預習都流于形式，難以真實全面地反映學生的實驗操作水平及相關知識點的掌握情況，實驗過程中存在一些學生對整個實驗過程準備不足，完全依靠本組其他同學，自己只是充當一名旁觀者；最后，作為主要考核項的實驗報告普遍存在實驗小組內相互抄襲，往往只能依靠實驗報告書寫的整潔情況進行給分。這種考核方式無法調動學生主動學習，也不能培養學生的獨立思考和分析問題的能力。

3.PBL教學法的實施

(1)教學案例的設計

PBL教學的核心即問題的設置，它需要先由教師提出問題，為學生創設情境，并以該問題為中心，組織學生調查研究，引導學生在解決問題的過程中學習知識并獲得技能，促進學生思維的發展[11]。好的問題可極大地引發學生的求知欲，而設置不佳的問題卻會使學生感覺課堂枯燥、無味，喪失學習興趣。問題的設置應遵循以下原則[12-13]：問題的設置要以實驗課程教學目標為基礎，并結合實驗特點、學生知識結構水平精心選擇問題；問題應與現實生活緊密聯系，以培養學生解決實際問題的能力，也更容易激發學生的學習興趣，積極主動解決問題；問題應難易適中，問題設置偏難或過于簡單都不能最大化激發學生去主動學習。問題的設計要符合維果茨基提出的“最近發展區”原則，要略高于學生的原有知識水平和認知。

針對固廢實驗課程內容，學校設計了“合肥市城市生活垃圾資源環境屬性研究”的案例。將固廢實驗課程涉及的知識點，如固廢全元素的測定、熱值測定、含水率測定、滲濾液測定等，通過精心設計的問題將這些知識點連點成線，學生們以問題為導向，以小組為單位探究解決問題的思路和方法，并制訂切實可行的實驗方案，進而完成固廢實驗的教學任務。

①如何提高生活垃圾的資源化利用率？問題的設計目的是激發學生的發散性思維，可以從政策引導、垃圾管理、垃圾物化指標、居民分類意識等多角度開展文獻調研和交流討論，從而對生活垃圾的資源化利用率有著更為深刻和全面的認識。

②垃圾物化指標的含義及測定原理是什么？問題的設計引出固廢實驗教學的內容，其目的是讓學生了解垃圾特性指標的測定包括了樣品的采集、預處理、測定原理的探究與思考、指標之間的關聯性探討，以及指標對資源化利用率的影響。學生解決問題的過程，也是探究垃圾物化指標與垃圾資源環境屬性之間關聯度的過程。

另外，固廢實驗課程采用的教學案例均源自真實項目，真題真做。2005年，合肥學院在歐盟—亞洲鏈項目資助下，由中、德、奧、泰四國高校共建了環境工程本科專業，該專業秉承合肥學院“地方性、應用型、國際化”的辦學定位，借鑒歐洲先進的垃圾分類及管理理念，協助合肥市城市管理局開展了垃圾分類宣傳教育活動和城市生活垃圾組分分析工作，十幾年如一日，與政府相關職能部門及十幾家優秀環保企業密切合作。2015年合肥學院還成功獲批安徽省城市固體廢棄物處理創新團隊。這些都是固廢實驗課程教學案例的數量和質量的保證。

(2)研究團隊的組建

“以學生為中心”是PBL教學的核心要素之一。學生三四人作為一個團隊，設團隊負責人1名，團隊負責人帶領團隊成員搜集整理相關資料并對案例設計中的問題進行探究，制定實驗方案。在整個研討過程中，教師不要有過多的參與，適時引導學生討論方向并進行必要的釋疑即可。“以學生為主體”能激發學生的主人翁意識，學生更加關心項目進度。學生如果無法根據自己的判斷去解決問題，就會使學生覺得在完成作業或者按照指令完成項目而已。學生應盡可能參與到項目的各個環節，從提出問題到文獻資料調研，再到團隊的成員分工，以及最終方案的確定。另外，還有一個關鍵點，即要求每個團隊都要進行方案的PPT匯報，教師鼓勵學生匯報時盡量用學術語言。PPT匯報通過以教促學[14]的方式，在提高學生學習積極性的同時也鍛煉了其邏輯推理、歸納總結、口頭表達的能力。

(3)實驗的開展

在教師的引導和協助下，根據團隊交流討論和教師指導后的實驗方案開展實驗，教師現場引導。團隊通過實際操作去驗證方案設計的合理性，對方案存在的一些不足再次進行修正和完善，同時對實驗的結果進行統計和分析，總結合肥市城市生活垃圾的資源環境屬性，針對性地提出生活垃圾的資源化途徑。這種方式可以充分調動學生解決問題的積極性，激發學習興趣、增強學習效果。

(4)考核方案的確定

為了全面客觀地衡量學生的理論知識掌握情況和綜合素質能力水平，同時最大程度地激發學生的學習動力，考核從四個方面進行，分別為實驗方案（方案的科學性、合理性、可行性占20%）、PPT匯報（PPT制作、現場表現、聽眾反饋占20%）、交流討論（10%）和實驗報告（實驗操作、實驗數據處理與分析、總結占50%）。這里著重對考核占比最大的實驗報告進行說明：①實驗操作，主要包括實驗操作過程中團隊成員分工是否合理、高效？實驗操作上是否規范？②實驗數據處理與分析，主要包括數據處理方法是否科學？相關圖表繪制是否規范？數據分析是否全面且有深度，是否通過實驗數據分析出其內在關聯？③總結，主要包括在實驗過程中需要注意的事項，以及存在的問題及解決方法；實驗結果的凝練與總結；實驗感悟與收獲，可以從學習方法、團隊合作、專業知識等方面進行總結。

(5)教學效果評價

為了客觀地評價PBL教學效果，這里針對2017級環境工程專業本科生固廢實驗教學效果（傳統教學模式）和2018級環境工程專業本科生固廢實驗教學效果（PBL教學模式）采取期末綜合測評的方式進行評價。PBL教學與傳統教學模式下教學效果比較見表1。

表1 PBL教學與傳統教學模式下教學效果比較Tab.1 Comparison of teaching effect between traditional teaching and PBL teaching method

從表1可以看出，2017級和2018級環境工程專業本科生的期末綜合測評平均成績分別為80.21分和82.28分，PBL教學效果整體上優于傳統教學模式；另外，在PBL教學模式下，成績為優秀和良好的學生占比明顯高于傳統教學模式，且2018級的期末綜合測評為及格的學生占比為0.00。由此可見，PBL教學模式有效促進了學生整體水平的提升，這充分體現了PBL教學模式采取的討論、實踐、PPT匯報等主動學習方式顯著優于傳統教學模式下的被動學習方式[15]。

4.小結

PBL教學法通過學生的主動學習和交流探討來解決問題，激發學生的學習興趣，從而學習問題背后的科學知識，連點成線，形成解決問題的技能，同時培養學生自主學習的能力、實踐能力和團隊合作精神。實踐表明，在固廢實驗教學中，PBL教學法提高了學生自主學習意識，學生的主動性被激發，學生的團隊意識、溝通能力等綜合素質也得到顯著提升。

PBL教學法在實施過程中也面臨著一些問題：教師資源和教學時間投入量較大的問題，教師需要視具體情況進行考慮；部分考核項是以團隊成績作為團隊成員的成績，考核的準確度有待進一步提高。