环境工程新型实践教学基地实验工厂的探索与建设

2015-04-17侯永平曹玉成

东南大学学报(哲学社会科学版) 2015年2期

张艳，侯永平，曹玉成

（1浙江农林大学环境与资源学院，浙江临安 311300；2浙江农林大学实验室与设备管理处，浙江临安 311300）

当前，环境污染日趋严重，社会对环境工程专业人才的需求逐渐加大。我国设置环境工程专业的高校很多，但人才培养大多偏重于理论知识教育，忽略了实践能力的培养，培养出来的学生往往不能满足社会需求。环境工程专业作为一门工程技术学科，要求学生要具备较高的工程技术和操作能力。因此，高校在人才培养的过程中，必须加强实践教学环节，强化实际操作技术，培养学生创新能力和工程设计能力。而实验实践场所的建设对提高高校实践教学质量和培养学生实践能力起着至关重要的作用。据报道，美国大学生有一半左右的时间在各种实验室和实践场所里度过。在我国，随着污染治理技术的发展，现有的实验实践场所形式陈旧，功能落后，已经无法满足不断改革的实践教学需求［1］。

为此，本文以浙江农林大学环境工程专业为例，探讨建立环境工程专业新型实践教学基地“实验工厂”的建设思路和方法，以期为高校环境工程专业开展实验实践场所改造乃至实践教学改革提供参考。

一、原有实验实践场所普遍存在的问题

1.常规实验室存在的弊端

常规实验室开设的实验主要为验证型实验，演示型实验，这类实验除了采样，其他步骤都可在实验台上完成。其授课形式也是以教师讲授为主，实验项目的选择，操作步骤的制定等均由实验指导教师完成，实验时学生只须按规定的步骤进行实验操作，仅仅是验证一下课本上已有的结论而已［2］。以大气污染控制工程为例，以前安排的实验内容有空气中甲醛的测定，PM2.5的测定，二氧化硫碱液吸收和电除尘器效率测定，前面两个实验其实还是环境监测的内容，后两个实验所用的装置为了便于在实验室内摆放也都是教学模拟装置，结构非常简单，而且只是整个脱硫和静电除尘工艺中的一个环节，容易造成学生一知半解，断章取义，学习内容不完整，知识体系不系统，学到的知识和实际生产脱节。环境工程专业属于技术性、工程性很强的专业，其实践教学的内容主要是废水、废气、固体废弃物和物理性污染的处理和处置技术。常规实验室通用化、标准化的结构不适合这类机械装置设备的安装和运行。

2.实习工厂存在的弊端

安排学生工厂实习是实践教学的一种重要方式，但是实习工厂是生产经营性质，用于以教学为目的的教学实习存在着很多弊端。首先，与学校合作的企业在本行业内并非都处于领先地位的，甚至有些企业的工艺已经落后于社会平均水平，这导致学生不能学习到最先进的技术和知识。其次，企业的生产活动都有一定的连续性，要完成一定的生产任务，不可能因为学生实习而停止生产活动，让学生学习、操控，所以学生到污水处理厂、锅炉烟气处理车间参观实习时，看到最多的是一池池污水，一排排管道，一个个反应釜，看不到设备、装置内部构造，对于这些装置工作时内部流体、固体具体运动状态只能想象，很难联系课本上的理论知识，无法达到理论联系实际的目的。加之，为了便于学生管理，工厂实习一般都集中安排在1-2周内，时间短，出于安全考虑，工人师傅也不会让学生自己动手操作，所以很多学校的工厂实习就是一个走马观花的参观过程，没有起到它应有的作用。

3.校办工厂存在的弊端

由于实习工厂联系不便，部分高校都建立了自己的校办工厂。在功能上，校办工厂具有教学和生产等功能，但在管理上实行的是企业制的管理模式，要求权责分明，机制灵活，经营管理难度大，与高校的管理模式完全不同［3］。而且校办工厂需要多套生产设备，一定面积的厂房，需要专职的生产管理人员，这样会造成高校结构臃肿，投入过大。

二、新型实践教学基地实验工厂的建设

要解决以上问题，就需要有个不受空间限制，所用设备和工厂里的一样，可以开设主体核心内容实验课程的实验场所，这样才能充分锻炼学生的动手操作能力，更加深入地理解理论知识，满足社会发展的需求。考虑到传统的实践教学场所已经不能满足现有实践教学和人才培养的需要。本文在综合分析了以上因素之后，探索建立了新型实践创新基地——实验工厂。

1.实验工厂建设思路

实验工厂是有固定厂房和专业机械设备用于教学和科研的试验场所。其形式和工厂一样，同样的厂房布局，同样的设备装置；其性质、功能和实验室一样，主要是为教学服务，开展实践教学，并在此基础上，进行科学研究。图1为环境工程实验工厂结构体系图。

图1 环境工程实验工厂结构体系图

实验工厂具有3个作用。①作为实践教学基地，为教学实践服务。②作为科研中试基地，为科研成果转化服务。③作为人才培养基地，为创新人才培养服务。

2.实验工厂建设特点

环境工程实验工厂是本文提出的一个新型实践教学基地，既能解决分析型实验室不适合某些工程应用型实验课程开设的问题，又能弥补工厂实习不能充分锻炼学生实践能力的缺陷。

（1）实验工厂建筑结构独特，设备与建筑物一体化

实验工厂，由于各种处理装置形状不规则，体积较大，管道线路连接复杂，所需空间大，不同装置差异性较大，设备装置的安装往往与建筑物融为一体。所以在实验工厂设计时，就需要规划好每间厂房的用途，设计好里面容纳的装置、设备的摆放位置，例如沉淀池、气浮池的进出水管道，脱硫、脱硝和除尘装置排气筒的尺寸和具体位置，垃圾热解熔融处理装置的吊车，嵌入地下的垃圾储槽，以及风机、泵等，都要根据用途单独设计，每间都有独特性，不可复制。

（2）设备装置类型齐全，功能先进

实验工厂主要以教学、科研为目的，不需要规模生产，且这类设备操作简单，基本上都是自动化控制，无需学生大量练习，所以每种类型的设备台（套）数能满足实验教学即可。但不同类型设备装置的结构、工作原理大相径庭。以除尘设备为例，机械除尘器、电除尘器、湿式除尘器和过滤式除尘器这四种类型的除尘设备的工作原理和构造就完全不同。为了使学生全面的掌握处理技术，理解设备的工作原理和设计工艺流程，就要求设备种类齐全，所以在除尘车间里这四种除尘器都是必不可少的。再加上因为需要的设备装置数量少，容积小，可以购置先进的生产装置供学生学习，让学生在读书期间就能接触本行业的新设备、新技术。

（3）具有直观性，实践性强，实现了抽象理论知识的具体化

实验工厂具有直观性，随时可以让学生进入，在实验工厂里，学生可以亲手操作仪器设备，通过调节仪表、控制流量，来观察设备的运行状况和去除效率，甚至可以拆卸装置设备。对比不同设备的工作效率，运行特征以及对工况的要求，熟悉每种设备特性，从而在进行设计时，更加得心应手。以除尘为例，在相同的含尘浓度、流速、气体温度、颗粒粒径的条件下，得出不同除尘装置的除尘效率，找出每种设备最可能捕集的大致粒径范围和条件，从而在遇到不同情况的烟气时，能选择最合适的除尘装置。通过对装置、设备的观察和操作，可以让学生了解和掌握复杂装置的内部结构，弥补课堂教学的不足，使理论知识形象化，增进学生对抽象知识的理解，也能够为学生提供更深入、更宽泛的学习内容，达到良好的教学效果，也使得他们对自己的能力有了重新认识，信心、勇气倍增，养成自己解决问题的好习惯。

在使用设备出现故障时，对故障进行分析，引导学生自己动手排除故障，并且对排故过程进行思考，使学生掌握原理，再次加深对理论知识的理解，学生有了真实体验，从而较易实现角色转换。

（4）实验工厂实行自主开放式管理模式

实验工厂的管理具有开放性和自主性的特点，即无论在空间上还是时间上都面向全体师生开放。环境工程专业污染控制类实验是该专业实践教学的主体和核心，其内容更倾向于工程应用和工厂操作，实验周期长，有的甚至要持续数月，须要进行全过程监控。以固体废弃物的好氧堆肥工艺为例，仅二级发酵（亦称次发酵或后发酵）一个阶段就需要20-30天，这类实验不能在4个学时或8个学时内完成，不能当场检出实验结果，所以需要开放式管理模式。在老师的指导下，由学生自己定期观察不同阶段的实验现象，控制实验条件，监控整个实验过程，在这个过程中由学生自己管理实验工厂，协调安排使用顺序。这种实验教学模式，能够使学生更详细、更深入的理解理论知识，使学生进一步理论联系实际，收到了良好的效果［4］。实验工厂还要向教师开放，为教师进行科学研究和技术开发提供条件［5］。

（5）实验工厂制度建设完善

完善的制度是实验工厂正常运行的保障，开放的管理模式更需要科学合理的管理制度来规范［6］。在实验工厂的建设中，高度重视管理制度的建设［7］。从实际出发，从实验工厂管理的需要出发，建立、健全各项规章、制度，并制订具体的实施细则，严格执行，逐步实现管理的制度化、规范化和科学化，确保教学和科研的高效有序使用［8］。为此，实验工厂制定了《环境工程实验工厂管理条例》、《环境工程实验工厂仪器设备操作指南》、《环境工程实验工厂的借用制度》、《仪器设备的日常维护和赔偿制度》等规章制度［9］。

（6）强化人员管理，提升了实验技术人员的管理能力

在人员管理方面，明确了详细的职责和工作内容，实验工厂由专职的实验技术人员管理。在学生借用期间，由学生负责实验工厂的门窗水电安全和设备的日常维护，实验教师和技术人员定期巡查，给学生实验提供帮助。在实验技术管理队伍的建设方面，鉴于实验教学管理工作内容繁杂，工作量大，实验工厂的开放时间长，开放面广，管理难度大等特点，要求有一定数量的既懂技术又懂教学的高素质实验管理人员［10］。这就要对现有的实验技术人员做相应的补充和调整，定期组织学习、培训，提高实验技术人员的实验技能和综合素质，鼓励部分实验技术人员继续深造，提高自身实验教学水平，从而更好的为实验教学服务，提高教学质量［11］。

（7）资金投入实行可持续化运转

实验工厂建设初期对资金投入的需求量很大，实验工厂厂房、仪器设备、配套条件等硬件设施都需要大量资金投入［12］。本校的实验工厂建设由省级本科实验教学示范中心项目支撑，学校、学院也给与了很大帮助。教师用于科研的一些装置、设备，在项目结题后，也可以放入实验工厂内供学生学习、使用。实验工厂建设完成后，可以通过实验工厂的有偿开放，仪器设备有偿使用，项目基金等对实验工厂进行养护。

三、实验工厂分段式实践教学模式

为了充分发挥实验工厂在实践教学中的作用，制定了分段式的实践教学模式。在实践教学方面，强调在教师引导下学生自主设计和创新。开设的实验以设计型和探索型实验为主，实验结果未知，实验难度提升，这样可以充分调动学生自主学习的积极性和主动性。实验工厂的分段式实践教学模式由专业课程实验，课程设计，社会实践和专题竞赛4个阶段组成，从专业课程实验到专题竞赛，实践程度逐渐加大，逐步引导和培养学生的创新能力。专业课程实验阶段以老师讲解设备的结构，运行原理和操作方法为主。在理解设备工作原理，会使用操作的基础上，开展课程设计，强化知识理解，熟练操作，做到活学活用。从这个阶段开始后面3个部分主要是以学生为主体，按照教学目标，学生自主学习实践的。以烟气脱硫课程设计为例，给定学生待处理烟气的参数，处理后所要达到的排放标准，然后由学生自主设计，学生可以根据不同的烟气类型、流量、浓度来设计脱硫工艺，计算设备主要参数，再进入实验工厂选择脱硫装置，准备实验器材，进行实验，统计实验结果，整理数据，完成数据分析，填写实验报告，最后老师组织全班同学共同参与讲评，让学生相互学习，共同进步。在暑假期间带领学生进行社会实践，到火电厂，印染厂等产污企业去，深入生产一线，让学生带着实际问题回到实验工厂解决。在教学进行到一定程度之后，组织专业竞赛，激发学生潜能。分段式的实践教学模式层次性、系统性强，循序渐进，使实验工厂在培养学生能力方面的作用最大化。图2为实验工厂分段式实践教学模式图。