“水污染控制工程”实验教学中学生创新和实践能力的培养与提升

［摘 要］ “水污染控制工程”实验是兰州大学环境科学本科专业开设的一门实践课程。通过学习“水污染控制工程”，使学生加深对水污染控制工程基础理论和各种废水处理技术的掌握，了解相应实验设备的操作，实验数据的处理和分析，污水处理构筑物的设计、运行和管理，污水处理方法的比选以及工艺流程的构建等，旨在通过实验培养学生运用基础理论知识和各种处理技术解决实际水污染问题的能力。为培养和提高具有创新意识和实践能力的实用与技术型专业人才，在教学内容、方法、手段、考核环节等方面进行了一系列探索和革新，在取得良好教学效果的同时，学生的综合能力得到大幅提升。

［关键词］ 水污染控制工程；实验教学；创新意识；实践能力；改革和探索

［基金项目］ 2020年度兰州大学教育教学改革研究项目“‘水污染控制工程及设计与实验’学生创新与实践能力提升研究与实践”（2020100）；2022年度兰州大学教学团队建设项目“水污染控制工程及实验”（JXTD-2020-211799）

［作者简介］ 李晓丽（1981—），女，黑龙江黑河人，博士，兰州大学资源环境学院副教授，主要从事水污染控制研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）18-0101-04 ［收稿日期］ 2023-09-28

“水污染控制工程”是环境科学本科专业学生必修的核心课程，课程涵盖了各种处理技术，以及去除水体中有机污染物和无机污染物的原理和工程应用，知识点多且繁杂，是一门集合了应用性和工程实践性的专业基础课程。“水污染控制工程”实验课是加强学生对这门课程基础理论知识的理解和专业技能的掌握，以及将理论和技术应用于解决实际废水处理问题的一个重要实践环节，其教学效果是评价理论教学效果的重要指标之一［1］。实验教学的有效开展，对于学生专业技能的训练和提高、创新意识和实践能力的增强、就业竞争力以及综合素质的提升至关重要，将为以后学生进行水污染治理方面的科学研究和一定的工程设计、施工、运行和管理等奠定良好的实践基础［2-3］。

一、实验教学现状及存在的问题

目前，兰州大学环境科学本科专业开设的“水污染控制工程”实验课共设置了7个实验，涉及污水的物理、化学和生物处理方法，即自由沉淀、混凝、加压溶气气浮、氧传递系数测定、活性炭吸附、序批式活性污泥法、离子交换等验证性实验和综合性实验。其中，序批式活性污泥法为综合性实验，由活性污泥的培养和驯化、废水可生化性评价、COD检测、活性污泥评价指标检测、溶解氧检测、周期运行操作、污水处理程度评价等多个实验构成。学生以小组的形式开展实验，每组4～8人。由于实验条件限制，无法满足多个小组同时开展同一实验，只能不同的小组开展不同的实验，轮流交换以完成实验，且小组内的人数较多，不能满足每一名学生对实验设备仪器完整操作的要求。同时，由于学时有限、检测设备不足和落后等原因，未能进行重复性实验，导致实验所得数据误差较大。实验所用废水大多为人工配置废水，导致废水处理的理论和实际效果相差较大。此外，开设的实验多为验证性实验，在实验过程中，学生只是按照实验指导书被动操作实验设备和仪器，记录实验数据，以完成实验任务和上交实验报告为目的，学生很少去思考实验中的现象和问题，对实验数据和所得结果缺乏质疑精神，提出问题和解决问题的能力欠缺，实验方案设计和专业绘图技能还有待提高，实际工程经验远远不足。目前，这种按部就班、被动程序化的实验过程已不能满足当前相关实验课程的教学和实训要求，严重影响了学生学习的兴趣和积极主动性，导致学生运用理论知识解决实际问题的能力不足，制约了学生独立思考能力、创新思维和实践能力的培养与提高，已不能满足综合型专业技术人才培养的目标和用人单位的需求［4-5］。

为解决以上问题，进行实验教学的改革与创新对激发学生主动学习的热情和效率，加强学生运用基础理论和技术方法解决实际水污染问题的能力，提升学生实验方案合理设计和科研探索能力，培养有钻研精神、创新意识和实践能力的新时代大学生具有十分重要的意义。为此，针对目前实验教学过程中存在的诸多不足与缺陷，在教学内容、方法、手段和考核方式等方面探索了适合我校环境科学专业实验教学的一系列探索和改革。

二、实验教学环节的探索与革新

“水污染控制工程”实验内容的设置和优化对学生创新意识和实践能力的培养至关重要，突出学生专业技能的培养和提高，应符合社会发展对实用技术型人才的需求［6-7］。在实际操作中，演示验证型实验必不可少，然而实际却相应减少了这类实验。增加综合型、开放型和探索型实验，实验类型多样化是实验教学改革的必然趋势，注重学生解决实际问题能力的培养，增强其创新精神和实践应用能力。再通过灵活多变的教学方法、多样化的考核方式等，对学生综合能力的培养和提升起到了极大的促进作用。

（一）开展专题教育

设置三个专题，即认识我们身边的水污染；查找资料总结近年来的水污染事件，进行污染源分析并论述水污染的危害；我是环保“小达人”。通过资料收集和总结并结合自身的日常生活和学习，让学生有针对性地认识和探讨水污染问题，以增强自身减少水污染和保护水资源的意识和行为。

一周七天为一个周期，由学生观察并记录围绕自己的生活和学习能够产生哪些类型的废水和产生废水量的多少。学生收集在学校生活和学习中产生的不同污水，主要包括洗衣废水、清洁废水、餐饮废水等，并根据废水的来源，结合文献资料分析不同来源废水的水质特点，确定污染指标的种类及检测方法，判定主要污染物，进行污染程度确定及污染物危害分析。在此过程中，一方面，让学生结合自身的日常生活和学习，了解自己将清水变成污水的过程，有针对性地认识和探讨水污染问题，以增强自身保护水资源和减少水污染的意识和行为，促进学生树立正确的环保观念，做到“节水用水，从我做起”，为水污染的防治贡献自己应有的力量。另一方面，通过已掌握的知识和技术，进行污水处理，学生亲自通过不同方法处理脏污废水，使其变得和自来水一样澄清透明，心中充满了自豪感和成就感，激发其求知欲和探索欲。

（二）增加水污染控制发展前沿模块

科学技术的发展日新月异，水污染控制工程领域的发展也紧跟时代潮流，创新型设备和先进工艺不断涌现。然而，在实际课堂教学中，基础知识的更新速度较慢，无法让学生及时了解水污染控制工程领域发展的最新进展和动态，对此，应在理论和实验教学过程中，将水污染控制工程领域的发展前沿和最新成果补充进来，以更新和充实课堂及实验教学内容，拓宽学生的视野，培养学生的科研创新意识，使学生能够及时了解和掌握国内外最新的污水处理方法、设备和技术，为学生获取更为综合和更深层次的应用知识提供途径，为学生将来从事科研探索工作或继续深造打下坚实的基础。

（三）开设新实验，完善旧实验

开设新实验2个，即电解含铜废水和高级氧化技术（AOPs）处理有机废水；完善氧传递系数测定实验。AOPs净化有机废水实验涉及臭氧氧化、Fenton氧化、类Fenton氧化、基于过硫酸盐的催化氧化等多个小实验。学生要提前进行文献的查找、整理和总结，了解和掌握电解及各种AOPs的原理，了解哪些因素会对电解除铜和有机物氧化的效率产生影响，进一步设计进水流量、pH、污染物浓度、催化剂投加量等工艺运行控制条件对除铜和有机物去除效果影响的实验方案，学生再通过实验操作找出最佳实验条件，比较不同处理技术的优劣。这个过程有效提高了学生的动手能力、分析和解决问题的能力、综合分析比较的能力以及团结协作的能力。

（四）增加开放研究性实验

开设不同污水、废水净化实验，即校园景观水净化实验、校园生活污水净化实验、实验室废水净化实验、餐饮废水净化实验、染料废水净化实验。实验以学生自行设计为主，以团队小组方式进行，学生拥有独立的思维空间和创新空间，充分体现设计性和开放性，对学生能否综合运用理论知识解决实际问题提出了更高的要求。教师作为辅助，为学生提供服务，进行实验仪器设备和化学试剂的协调使用并解答学生在实验中遇到的问题。一方面，学生根据废水的不同来源，查找文献书籍，分析不同来源污水、废水的水质特点，确定主要污染物的种类及污染指标和检测方法。另一方面，学生要针对不同来源的污水、废水进行净化实验，根据给定的实验目的和处理效果，进行污水处理方法的比选和实验参数优化，确定实验试剂和设备器材，制订详细的实验操作方案，按照设计说明书进行实验操作，并对实验数据和结果进行整理、分析和讨论，得出结论和不足。开放探索性实验最终以研究报告书的形式展现，内容涉及实验目的、实验原理、实验仪器、实验流程、数据整理和分析、数据作图、实验结果与讨论、结论与展望、收获与体会等，并以团队小组PPT的形式进行展示和交流。

本实验的开展不仅加深了学生对课程基础知识和原理的理解与掌握，增强了学生对文献资料的检索、阅读、归纳、总结的能力，掌握实验计划书的撰写以及熟练掌握专业实验仪器设备的能力。对于废水中相同的污染物，学生会发现，既可采用单一吸附、混凝转移污染物的方式或氧化降解实现矿化的方式分离，又可采用多种技术联合使用进行污染物的去除，不同的处理方法原理不同，优点和缺点也不同。通过文献调研、合理可行实验方案的设计、实验开展、数据分析和讨论、实验报告书撰写、小组汇报和答辩等过程，有效提高了学生的实验设计和计算能力、综合分析比较能力、实验报告书的撰写能力以及动手操作能力，实现了学生创新意识和实践能力培养与强化的目标，学生的综合素质也得到了大幅提高。

（五）增加自主探索性实验——以研促教

自主探索性实验是在教师指导下，学生进入教师的课题组和实验室，以科研项目为依托，有针对性地以废水中某一种或某一类污染物为去除目标物，通过目标导向合成策略设计出具有优异功能的环境修复材料，构筑吸附技术、光催化、化学催化、电化学技术等，对目标污染物进行去除，实现水体的净化和修复，是具有探索性质的过程，形成以“研”促“教”、以“研”促“学”，是有效实现“教”与“研”的重要形式。每年均有5～6名本科生通过“校创”以及其他科研训练项目进入课题组完成探索性实验。在这个过程中，学生为主体，教师为辅助，根据教师给出的研究方向，由学生进行环境修复材料的合成、表征和应用的实验方案设计，包括合成参数优化、物化性质表征及通过构建的物理化学技术进行废水处理的性能研究和实际应用潜力评估。实验成果以结项报告和学术论文的形式展现，充分体现了学生自主学习和探索的主动性，提高了科技论文的写作能力，促进了学生批判思维的形成和严谨求实科学态度的树立，以及学生从事科研的基本能力和科研开拓创新意识的强化。通过这种方式，为下一步的毕业设计和以后进行科研性较强的工作打下了坚实基础。

（六）指导学生参加专业技能比赛——以赛促教

指导学生参加各级各类专业技能大赛，如指导多名学生参加全国大学生市政环境类创新实践能力大赛，获得了2021年西部赛区虚拟仿真赛二等奖、团体二等奖的良好成绩。在这个过程中，促进了学生更好地理解、掌握与应用专业基础知识，培养了学生的专业技能和工艺实践能力，锻炼了学生心理抗压能力，积累了实践经验。通过与其他高校参赛队伍的竞赛和交流，找出差距，在后续的学习中不断提升和完善自己，提高自身的综合素质。

（七）进入实习、实践基地参观学习——以实践促教

学生所学的关于污水处理的实际应用局限于课堂讲授和平时积累，无法构建出污水处理构筑物的具体形貌和结构，无法直观和深入地理解这些污水处理设备在实际污水处理厂中的运行情况，也就无法将理论知识与工程应用密切结合起来。通过综合实习、生产实习、毕业实习和毕业论文设计等，组织学生进入市政污水处理厂和工业废水处理厂进行参观和学习，通过现场观看和工程师的讲解，学生对各种处理构筑物的设计、构造、施工、净化原理，以及运行和管理、污水处理厂的平面设置和高程设置、污水处理工艺方案的选择和应用、工程概预算等方面有了较为全面的了解，提高了对水污染控制的直观化和工程化认识。此外，引导学生进入实践基地，进行系统化学习和创新创业训练，建立“产学研”培养模式。将课堂学习的教学模式转换为现场实践的学习模式，让学生深入生产一线，亲身体验什么是工程化，以强化学生工程实践能力，培养学生良好的职业精神。