水质科学综合性设计性实验的教学实践

2013-09-06刘广容叶春松廖冬梅曾玉彬

实验技术与管理 2013年10期

刘广容，张弦，周为，叶春松，廖冬梅，曾玉彬

（1.武汉大学动力与机械学院水质工程系，湖北武汉 430072；2.中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室，湖北武汉 430074）

实验教学是实施素质教育和创新人才培养目标、加强学生实践能力和创新能力培养的重要环节，综合性、设计性实验是实验教学内容、方法和手段改革的重要内容之一[1]。综合性、设计性实验，能够培养学生的动手能力、分析和解决问题的能力、创新能力[2－3]。进行水质科学综合性、设计性实验的研究，改革实验教学体系和更新实验内容，将验证性实验与综合性、设计性实验相结合，从而使学生高效地达到理解、掌握、巩固、运用所学知识和扩大知识面的目的，使之成为21世纪市场需求的复合型人才[4－5]。

1 水质科学综合性、设计性实验教学的实施

1.1 实验教学内容

根据武汉大学水质科学与技术专业本科人才培养方案，要求学生系统掌握水处理理论与技术，了解水质科学与技术领域的理论前沿及其新技术和新工艺的发展趋势，其中实验课学时占有很大比重[6]。数年前，教育部对普通高校本科教学工作水平评估中就已经把“综合性、设计性实验”作为评估指标体系的一个重要观测点，明确要求凡有实验的课程都要尽可能开出综合性、设计性实验[7]。进行水质科学综合性、设计性实验的研究是顺应这一改革需要的，实验教学主要内容见表1。

表1 水质科学综合性、设计性实验教学内容

1.2 实验教学大纲

2006年撰写了实验教学大纲，于2007年进行了修订，并根据教学实践情况，于2010年再次进行了修订。

1.3 实验指导书和示范报告

综合性、设计性实验是介于基础实验与科学研究实验之间具有模拟科研实验性质的课题研究，它是由指导教师提出问题，由学生在充分理解基本原理的基础上，综合运用所掌握的基本理论知识、实验技能以及各种技术原理与方法，自行设计方案进行实验，并最终独立完成实验报告或实验论文的过程。由于综合性、设计性实验对师生要求高，因此，教师编写了实验指导书和部分实验示范报告。

1.4 制作实验录像及动态模拟

由于实验室设备有限，为了使学生更好地理解实验内容，我们制作了部分水处理动态模拟（如平流式沉淀池、板框式压滤机的过程与洗涤、活性污泥完全混合法基本流程等）和水体特性分析实验录像（如水样的采集与保存、溶氧仪的使用、藻类和原生动物的制片观察、水中细菌总数的测定等），从而提高了学生对实验内容的理解。

1.5 实验的基本过程

按照时间进度，“水质科学基础”综合性、设计性实验的基本过程可以分为4个阶段：实验准备阶段、制订方案阶段、组织实施阶段、总结报告阶段。具体的步骤是：发放实验设计项目任务书（让学生熟悉各类实验的设计内容与要求）→学生选择实验项目（可依自己的兴趣或所熟悉的知识）→制定实验方案→填写实验任务书、实验用品申请表→写出实验设计预习报告→教师审核、修改→实验实施→数据分析与处理→写出实验总结报告。

由于水质分析项目中使用了许多化学试剂，实验结束后，还将实验室废液回收列为综合性、设计性实验课题。这也是为了充分利用现有的实验室条件，培养学生综合实践能力，增强环境保护意识[8]。

1.6 综合性、设计性实验的考核评价办法

综合性、设计性实验有其本质上的独特性，所以建立和实施了以基本操作技能与创新能力并重的实验教学考核体系，重视对学生学习过程的评价，从设计思路、实验操作能力、分析综合能力、团队配合能力、创新能力及实验报告（或论文）等方面对学生进行全方位综合评价[9－10]。在综合性、设计性实验中，学生可能要经历多次的失败、多次的尝试，最后却不一定能获得成功。如果我们单纯地看重实验结果而忽视实验过程进行评价，那么可以说实验是一种失败。因此，加强对综合性、设计性实验各个环节的考核，注重对实验素养的考查。除了教师对学生评价，还包括学生自评、学生之间互评。综合性、设计性实验考核方法见表2。

表2 综合性、设计性实验考核方法

2 实验教学的完善

2.1 重视科研促进实验教学

参加科研项目必然能提高教学水平，因此，我们不仅注意与同行的学术交流，而且注重参加各种科学研究项目，并将会议信息和科研项目的最新成果及时补充到实验教学中[11]。近几年共参加大型国内和国际会议5人次，发表论文10篇（其中SCI收录4篇），提高了教师教学能力和整体水平。

2.2 本科毕业设计与实践教改项目相结合

毕业设计是提高学生综合素质与创新能力的关键一环，也是高校教学工作中的一项常规性内容。将毕业设计与本实践教改项目相结合，促进了教改项目的完成。关于“反应器模型设计与性能测试设计性实验”，设计并委托加工了2套SBR间歇式反应器，指导了2个2003级本科毕业设计。2008年5月学院为实验室购置了SBR法污水处理模拟装置，完成了1个2004级本科毕业设计。本科毕业设计为教改项目的完成提供了经验和数据。近几届学生，都在使用教改项目的成果。

2.3 实验仪器的补充

实验仪器的缺乏影响了实验的正常开设，我们多次向系、院领导反映，递交书面报告，在2007年学校迎评创建的时候，学校为我们实验室补充了一些实验仪器，为部分实验的开设提供了条件。

2.4 实验室章程的建立

经过30多年的风风雨雨，水质科学基础实验室所继承的原电厂化学水质工程实验室已经破旧不堪。经多次向上级部门反映并提交维修报告，终于在2005年得到了维修。为了使实验室条件建设工作逐步规范化，更好地适应教学、科研任务计划的完成，制定了水质科学基础实验室章程，包括质量控制与安全管理2个方面[12－13]。

3 实验教学质量调查与分析

采用不记名问卷调查，对连续几届水质工程系学生发放问卷，调查统计结果分析如下：

（1）52.9%的学生表示在实验课以外的时间想进入实验室做想做的实验。他们普遍反映，“我们经过综合性、设计性实验的磨练，感受到它最大的特点是没有标准答案，一切的结果都是自己独立思考、主动探究得来的，这样的课题可谓是‘科学研究的小型化’，对我们的科学精神、科学态度以及意志力的培养都大有裨益。”大多数学生都表示，如果有机会，一定愿意抽时间到实验室完成一些综合性、设计性的实验。他们说，“说实话，大学阶段的基础验证性实验基本上已经磨灭了我们做实验的兴趣，现在到实验室都是为了完成任务而已，很希望能真正地自己做一回主，认认真真地把一个实验做好、做透。”

（2）51.8%的学生认为综合性、设计性实验能够培养同学之间的学习合作能力及团队精神，而人与人之间的合作能力及团队精神正是社会各界大力提倡的新型人际关系，亦是当今社会对人才最基本的要求。

（3）对“水质科学基础”综合性、设计性实验课的印象，学生普遍反映较喜欢，非常喜欢者占12.9%，比较喜欢者占47.1%，一般者占29.4%，不喜欢者占10.6%，说明本实验课总的来说对学生有一定的吸引力。

（4）42.3%的学生认为综合性、设计性实验对培养自己的实验操作技能帮助大，而57.7%的学生认为一般，说明在实验操作技能的培训方面还需加大投入力度。

（5）有50.6%的学生认为本实验课的考核形式比较好，而40.0%的学生反映平平，9.4%的学生反映较差。说明实验课（包括综合性、设计性实验）考核形式比较好，但有待进一步完善。

（6）学生反映强烈的问题之一是实验室的实验设施条件较差，有47.1%的学生认为好，23.5%的学生认为一般，29.4%的学生认为较差。说明实验室的实验设施条件还需改善。

（7）对于实验课学时，48.2%的学生认为应增加学时，43.5%的学生认为学时适宜，8.2%的学生认为应减少。说明实验课时应适当调整。

总体来说，学生对本课程实验教学模式改革持肯定的态度，并能够积极参与。学生中68.2%的人认为此实验对提高自己的思维能力、组织能力、动手能力有着重要意义。58.8%的学生认为综合性、设计性实验比验证性实验对自己的要求更高，同时收获更大。51.8%的学生认为综合性、设计性实验能够将以往所学相关知识点有机地结合在一起，相互之间联系在一起，培养了自己综合运用所学知识的能力。