“水污染控制工程”實驗教學中學生創新和實踐能力的培養與提升

［摘 要］ “水污染控制工程”實驗是蘭州大學環境科學本科專業開設的一門實踐課程。通過學習“水污染控制工程”，使學生加深對水污染控制工程基礎理論和各種廢水處理技術的掌握，了解相應實驗設備的操作，實驗數據的處理和分析，污水處理構筑物的設計、運行和管理，污水處理方法的比選以及工藝流程的構建等，旨在通過實驗培養學生運用基礎理論知識和各種處理技術解決實際水污染問題的能力。為培養和提高具有創新意識和實踐能力的實用與技術型專業人才，在教學內容、方法、手段、考核環節等方面進行了一系列探索和革新，在取得良好教學效果的同時，學生的綜合能力得到大幅提升。

［關鍵詞］ 水污染控制工程；實驗教學；創新意識；實踐能力；改革和探索

［基金項目］ 2020年度蘭州大學教育教學改革研究項目“‘水污染控制工程及設計與實驗’學生創新與實踐能力提升研究與實踐”（2020100）；2022年度蘭州大學教學團隊建設項目“水污染控制工程及實驗”（JXTD-2020-211799）

［作者簡介］ 李曉麗（1981—），女，黑龍江黑河人，博士，蘭州大學資源環境學院副教授，主要從事水污染控制研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）18-0101-04 ［收稿日期］ 2023-09-28

“水污染控制工程”是環境科學本科專業學生必修的核心課程，課程涵蓋了各種處理技術，以及去除水體中有機污染物和無機污染物的原理和工程應用，知識點多且繁雜，是一門集合了應用性和工程實踐性的專業基礎課程。“水污染控制工程”實驗課是加強學生對這門課程基礎理論知識的理解和專業技能的掌握，以及將理論和技術應用于解決實際廢水處理問題的一個重要實踐環節，其教學效果是評價理論教學效果的重要指標之一［1］。實驗教學的有效開展，對于學生專業技能的訓練和提高、創新意識和實踐能力的增強、就業競爭力以及綜合素質的提升至關重要，將為以后學生進行水污染治理方面的科學研究和一定的工程設計、施工、運行和管理等奠定良好的實踐基礎［2-3］。

一、實驗教學現狀及存在的問題

目前，蘭州大學環境科學本科專業開設的“水污染控制工程”實驗課共設置了7個實驗，涉及污水的物理、化學和生物處理方法，即自由沉淀、混凝、加壓溶氣氣浮、氧傳遞系數測定、活性炭吸附、序批式活性污泥法、離子交換等驗證性實驗和綜合性實驗。其中，序批式活性污泥法為綜合性實驗，由活性污泥的培養和馴化、廢水可生化性評價、COD檢測、活性污泥評價指標檢測、溶解氧檢測、周期運行操作、污水處理程度評價等多個實驗構成。學生以小組的形式開展實驗，每組4～8人。由于實驗條件限制，無法滿足多個小組同時開展同一實驗，只能不同的小組開展不同的實驗，輪流交換以完成實驗，且小組內的人數較多，不能滿足每一名學生對實驗設備儀器完整操作的要求。同時，由于學時有限、檢測設備不足和落后等原因，未能進行重復性實驗，導致實驗所得數據誤差較大。實驗所用廢水大多為人工配置廢水，導致廢水處理的理論和實際效果相差較大。此外，開設的實驗多為驗證性實驗，在實驗過程中，學生只是按照實驗指導書被動操作實驗設備和儀器，記錄實驗數據，以完成實驗任務和上交實驗報告為目的，學生很少去思考實驗中的現象和問題，對實驗數據和所得結果缺乏質疑精神，提出問題和解決問題的能力欠缺，實驗方案設計和專業繪圖技能還有待提高，實際工程經驗遠遠不足。目前，這種按部就班、被動程序化的實驗過程已不能滿足當前相關實驗課程的教學和實訓要求，嚴重影響了學生學習的興趣和積極主動性，導致學生運用理論知識解決實際問題的能力不足，制約了學生獨立思考能力、創新思維和實踐能力的培養與提高，已不能滿足綜合型專業技術人才培養的目標和用人單位的需求［4-5］。

為解決以上問題，進行實驗教學的改革與創新對激發學生主動學習的熱情和效率，加強學生運用基礎理論和技術方法解決實際水污染問題的能力，提升學生實驗方案合理設計和科研探索能力，培養有鉆研精神、創新意識和實踐能力的新時代大學生具有十分重要的意義。為此，針對目前實驗教學過程中存在的諸多不足與缺陷，在教學內容、方法、手段和考核方式等方面探索了適合我校環境科學專業實驗教學的一系列探索和改革。

二、實驗教學環節的探索與革新

“水污染控制工程”實驗內容的設置和優化對學生創新意識和實踐能力的培養至關重要，突出學生專業技能的培養和提高，應符合社會發展對實用技術型人才的需求［6-7］。在實際操作中，演示驗證型實驗必不可少，然而實際卻相應減少了這類實驗。增加綜合型、開放型和探索型實驗，實驗類型多樣化是實驗教學改革的必然趨勢，注重學生解決實際問題能力的培養，增強其創新精神和實踐應用能力。再通過靈活多變的教學方法、多樣化的考核方式等，對學生綜合能力的培養和提升起到了極大的促進作用。

（一）開展專題教育

設置三個專題，即認識我們身邊的水污染；查找資料總結近年來的水污染事件，進行污染源分析并論述水污染的危害；我是環保“小達人”。通過資料收集和總結并結合自身的日常生活和學習，讓學生有針對性地認識和探討水污染問題，以增強自身減少水污染和保護水資源的意識和行為。

一周七天為一個周期，由學生觀察并記錄圍繞自己的生活和學習能夠產生哪些類型的廢水和產生廢水量的多少。學生收集在學校生活和學習中產生的不同污水，主要包括洗衣廢水、清潔廢水、餐飲廢水等，并根據廢水的來源，結合文獻資料分析不同來源廢水的水質特點，確定污染指標的種類及檢測方法，判定主要污染物，進行污染程度確定及污染物危害分析。在此過程中，一方面，讓學生結合自身的日常生活和學習，了解自己將清水變成污水的過程，有針對性地認識和探討水污染問題，以增強自身保護水資源和減少水污染的意識和行為，促進學生樹立正確的環保觀念，做到“節水用水，從我做起”，為水污染的防治貢獻自己應有的力量。另一方面，通過已掌握的知識和技術，進行污水處理，學生親自通過不同方法處理臟污廢水，使其變得和自來水一樣澄清透明，心中充滿了自豪感和成就感，激發其求知欲和探索欲。

（二）增加水污染控制發展前沿模塊

科學技術的發展日新月異，水污染控制工程領域的發展也緊跟時代潮流，創新型設備和先進工藝不斷涌現。然而，在實際課堂教學中，基礎知識的更新速度較慢，無法讓學生及時了解水污染控制工程領域發展的最新進展和動態，對此，應在理論和實驗教學過程中，將水污染控制工程領域的發展前沿和最新成果補充進來，以更新和充實課堂及實驗教學內容，拓寬學生的視野，培養學生的科研創新意識，使學生能夠及時了解和掌握國內外最新的污水處理方法、設備和技術，為學生獲取更為綜合和更深層次的應用知識提供途徑，為學生將來從事科研探索工作或繼續深造打下堅實的基礎。

（三）開設新實驗，完善舊實驗

開設新實驗2個，即電解含銅廢水和高級氧化技術（AOPs）處理有機廢水；完善氧傳遞系數測定實驗。AOPs凈化有機廢水實驗涉及臭氧氧化、Fenton氧化、類Fenton氧化、基于過硫酸鹽的催化氧化等多個小實驗。學生要提前進行文獻的查找、整理和總結，了解和掌握電解及各種AOPs的原理，了解哪些因素會對電解除銅和有機物氧化的效率產生影響，進一步設計進水流量、pH、污染物濃度、催化劑投加量等工藝運行控制條件對除銅和有機物去除效果影響的實驗方案，學生再通過實驗操作找出最佳實驗條件，比較不同處理技術的優劣。這個過程有效提高了學生的動手能力、分析和解決問題的能力、綜合分析比較的能力以及團結協作的能力。

（四）增加開放研究性實驗

開設不同污水、廢水凈化實驗，即校園景觀水凈化實驗、校園生活污水凈化實驗、實驗室廢水凈化實驗、餐飲廢水凈化實驗、染料廢水凈化實驗。實驗以學生自行設計為主，以團隊小組方式進行，學生擁有獨立的思維空間和創新空間，充分體現設計性和開放性，對學生能否綜合運用理論知識解決實際問題提出了更高的要求。教師作為輔助，為學生提供服務，進行實驗儀器設備和化學試劑的協調使用并解答學生在實驗中遇到的問題。一方面，學生根據廢水的不同來源，查找文獻書籍，分析不同來源污水、廢水的水質特點，確定主要污染物的種類及污染指標和檢測方法。另一方面，學生要針對不同來源的污水、廢水進行凈化實驗，根據給定的實驗目的和處理效果，進行污水處理方法的比選和實驗參數優化，確定實驗試劑和設備器材，制訂詳細的實驗操作方案，按照設計說明書進行實驗操作，并對實驗數據和結果進行整理、分析和討論，得出結論和不足。開放探索性實驗最終以研究報告書的形式展現，內容涉及實驗目的、實驗原理、實驗儀器、實驗流程、數據整理和分析、數據作圖、實驗結果與討論、結論與展望、收獲與體會等，并以團隊小組PPT的形式進行展示和交流。

本實驗的開展不僅加深了學生對課程基礎知識和原理的理解與掌握，增強了學生對文獻資料的檢索、閱讀、歸納、總結的能力，掌握實驗計劃書的撰寫以及熟練掌握專業實驗儀器設備的能力。對于廢水中相同的污染物，學生會發現，既可采用單一吸附、混凝轉移污染物的方式或氧化降解實現礦化的方式分離，又可采用多種技術聯合使用進行污染物的去除，不同的處理方法原理不同，優點和缺點也不同。通過文獻調研、合理可行實驗方案的設計、實驗開展、數據分析和討論、實驗報告書撰寫、小組匯報和答辯等過程，有效提高了學生的實驗設計和計算能力、綜合分析比較能力、實驗報告書的撰寫能力以及動手操作能力，實現了學生創新意識和實踐能力培養與強化的目標，學生的綜合素質也得到了大幅提高。

（五）增加自主探索性實驗——以研促教

自主探索性實驗是在教師指導下，學生進入教師的課題組和實驗室，以科研項目為依托，有針對性地以廢水中某一種或某一類污染物為去除目標物，通過目標導向合成策略設計出具有優異功能的環境修復材料，構筑吸附技術、光催化、化學催化、電化學技術等，對目標污染物進行去除，實現水體的凈化和修復，是具有探索性質的過程，形成以“研”促“教”、以“研”促“學”，是有效實現“教”與“研”的重要形式。每年均有5～6名本科生通過“校創”以及其他科研訓練項目進入課題組完成探索性實驗。在這個過程中，學生為主體，教師為輔助，根據教師給出的研究方向，由學生進行環境修復材料的合成、表征和應用的實驗方案設計，包括合成參數優化、物化性質表征及通過構建的物理化學技術進行廢水處理的性能研究和實際應用潛力評估。實驗成果以結項報告和學術論文的形式展現，充分體現了學生自主學習和探索的主動性，提高了科技論文的寫作能力，促進了學生批判思維的形成和嚴謹求實科學態度的樹立，以及學生從事科研的基本能力和科研開拓創新意識的強化。通過這種方式，為下一步的畢業設計和以后進行科研性較強的工作打下了堅實基礎。

（六）指導學生參加專業技能比賽——以賽促教

指導學生參加各級各類專業技能大賽，如指導多名學生參加全國大學生市政環境類創新實踐能力大賽，獲得了2021年西部賽區虛擬仿真賽二等獎、團體二等獎的良好成績。在這個過程中，促進了學生更好地理解、掌握與應用專業基礎知識，培養了學生的專業技能和工藝實踐能力，鍛煉了學生心理抗壓能力，積累了實踐經驗。通過與其他高校參賽隊伍的競賽和交流，找出差距，在后續的學習中不斷提升和完善自己，提高自身的綜合素質。

（七）進入實習、實踐基地參觀學習——以實踐促教

學生所學的關于污水處理的實際應用局限于課堂講授和平時積累，無法構建出污水處理構筑物的具體形貌和結構，無法直觀和深入地理解這些污水處理設備在實際污水處理廠中的運行情況，也就無法將理論知識與工程應用密切結合起來。通過綜合實習、生產實習、畢業實習和畢業論文設計等，組織學生進入市政污水處理廠和工業廢水處理廠進行參觀和學習，通過現場觀看和工程師的講解，學生對各種處理構筑物的設計、構造、施工、凈化原理，以及運行和管理、污水處理廠的平面設置和高程設置、污水處理工藝方案的選擇和應用、工程概預算等方面有了較為全面的了解，提高了對水污染控制的直觀化和工程化認識。此外，引導學生進入實踐基地，進行系統化學習和創新創業訓練，建立“產學研”培養模式。將課堂學習的教學模式轉換為現場實踐的學習模式，讓學生深入生產一線，親身體驗什么是工程化，以強化學生工程實踐能力，培養學生良好的職業精神。

（八）考核方式的探索與實踐

為考查學生的綜合能力，對考核環節也進行了相應調整，以往的考核方式注重實驗結果，采用以實驗報告和考勤為主的成績評定方式，調整后的考核方式考查學生在整個實驗過程中的表現，包括實驗預習、小組匯報/答辯、專題匯報、大/小論文寫作、實驗方案設計、實驗操作、數據處理和繪圖、結果討論與分析、實驗/結項報告書的寫作、PPT制作和展演，以及考勤、衛生等多樣化的綜合考核方式，注重實驗的設計、儀器設備操作、數據處理和結果分析，以評估學生的綜合能力，同時培養學生認真、嚴謹的做事態度。

結語

新形勢下的實驗教學改革倡導以學生為主體，注重的不僅是學生學習知識的能力，還注重能力培養和素質教育提升。“水污染控制工程”實驗課程經過幾年的改革和實踐，教學效果非常明顯，學生主動學習的興趣得到有效調動，在文獻調研、實驗方案的構思和設計，動手操作儀器設備，數據處理與結果討論，問題提出與解決，科技論文寫作，PPT制作與表達能力等方面均有明顯改善。學生的專業能力，尤其是創新意識和實踐能力得到了大幅提升。在今后的教學中，“水污染控制工程”實驗教學環節的改革還要不斷進行深入探索與實踐，以適應新形勢下培養集知識、能力、素質于一體的高素質綜合性環境人才的需要。

參考文獻

［1］王曉，牛海林.水污染控制工程實踐教學環節改革探討［J］.教育教學論壇，2015（14）：150-151.

［2］卜龍利.“水污染控制工程”課程實踐教學方式的改革探討［J］.教育教學論壇，2014（41）：121-123.

［3］鐘玉鳴，劉暉，鄧小彪，等.基于“新工科”教育模式的《水污染控制工程》課程教學改革探索［J］.廣東化工，2018，45（18）：214-215.

［4］潘楊，黃勇，沈耀良，等.水污染控制工程實驗教學改革初探［J］.實驗科學與技術，2011，9（2）：139-140.

［5］潘楊，李勇，沈耀良，等.水污染控制工程實驗教學改革與探索［J］.化工高等教育，2010（6）：52-53.

［6］閔小波，柴立元，彭兵，等.“水污染控制工程”本科教學改革與實踐［J］.高等教育研究學報，2004，27（2）：57-58.

［7］方戰強，邱心泓.水污染控制工程實驗教學體系的改革與創新［J］.廣東化工，2009，37（4）：193-194.

The Cultivation and Improvement of Students’ Innovative and Practical Ability in the Experimental

Teaching of Water Pollution Control Engineering

LI Xiao-li， CHENG Xiu-wen， LIU Qin， XU Yin-yin

（College of Earth and Environmental Sciences， Lanzhou University， Lanzhou， Gansu 730000， China）

Abstract： The experimental teaching of Water Pollution Control Engineering is an important practical link for undergraduate students in environmental science. Through experiments， the students can deepen their grasp of the basic knowledge and application of various technologies to remove organic and inorganic pollutants in water， the operation of experimental instruments and equipment， the processing and analysis of experimental data， the design， operation and management of wastewater treatment facilities， the comparison and selection of sewage treatment methods and the construction of technological processes， etc. These experiments aim to enable the students to apply professional knowledge and methods to solve practical water pollution problems. In order to cultivate and improve practical and technical professionals with innovative consciousness and practical ability， a series of explorations and innovations are carried out in teaching contents， methods， means and assessment approaches， etc.， which have achieved good teaching results and greatly improved the comprehensive ability of students.

Key words： Water Pollution Control Engineering; experimental teaching; innovative capability; practical ability; reforms and practices