给排水科学与工程专业实验教学改革与探索

梁 娟，张 静，刘 亚，梁 英

给排水科学与工程专业实验教学改革与探索

梁 娟，张 静，刘 亚，梁 英

(四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065)

针对给排水科学与工程专业实验课程教学过程中存在的问题，从学科发展的高度优化实验课程体系，探索实验教学改革的新思路。提出 “将验证实验同探索实验相结合；工程设计理念同实验论证相结合；大型仪器检测与常规化学分析相结合”的 “三结合”教学理念，并以此为指导优化实验教学内容，将综合性实验、先进水处理技术和大型仪器检测技术引入本科教学。实验教学体系的改革对提高实验教学水平，培养具有创新精神的高级工程技术人才有一定的推动作用。

实验教学；综合实验；探索实验；创新能力

给排水科学与工程专业作为我国给排水行业高级人才培养和科技发展的重要支撑，在国民经济和社会发展中发挥了重要作用。培养具有创新精神的高级工程技术人才是给排水科学与工程专业重要的培养目标[1]。给排水科学与工程专业是一门实践性、应用性很强的专业，对学生的综合素质培养至关重要，而学生实践能力与综合素质的一个重要途径是来自实验教学[2]。作为高等教育的一种有效方式，实验教学是整个高等教育创新体系中的重要组成部分，也是培养学生创新思维和创新能力的重要教学环节[3]。加强实验教学的改革研究，对学生掌握基本实验技能，深刻理解专业知识，提高学生的专业素质及培养创新人才等方面都具有非常重要意义[4-5]。

1 给排水科学与工程专业实验课程体系现状

常规实验教学开设的实验项目可分为验证性实验、综合性实验两个方面。验证性实验能使学生将专业课程中学到的理论知识在实验课程中得到验证，巩固学生对理论知识的理解和掌握；综合性实验有助于学生实践能力和创新精神的培养，提高从整个学科角度思考问题的能力[6-7]。

目前四川大学给排水科学与工程专业依据专业指导规范共开设 “水质分析化学实验”“水处理微生物学实验”“水处理技术实验”和 “泵与泵站实验”4门专业实验课，共计26个实验项目，包含水质指标检测、水处理技术工艺参数测定、水处理设施运行等多个方面。其中，验证性实验为22项，综合性实验为4项。现有的实验课程体系虽然能加深学生的理论学习，在一定程度上培养学生综合分析问题的能力，但由于几门实验课程设置相互独立，综合性实验也仅仅是针对单门实验课而言，并没有让学生做到真正的融会贯通，并且水处理技术种类繁多，发展十分迅速，涉及的领域也很广泛[8]。在给排水科学与工程专业开设的实验课程中，大部分实验都是验证型实验，对探索型实验开展得较少，而对于与本学科密切相关的前沿性技术更是没有提及。此外，随着仪器分析技术的发展，大型仪器在水处理领域发挥的作用也越来越大，但在本科教学体系中，针对大型仪器在水处理中的应用提及较少。这些对于拓宽学生知识面，提高学生学习的积极性，培养高素质的创新人才都是十分不利的。

2 实验课程体系改革的理念

针对给排水科学与工程专业实验课程教学体系存在的一系列问题，以及 “卓越工程师教育培养计划”新形势下的要求，从学科发展的高度优化给排水科学与工程专业实验课程体系，提出以下几点改革理念[9]:

1)将独立开设的实验课程融合开展综合实验，变验证性实验为验证、探索实验相结合，培养学生独立科研创新能力；

2)将已有工程应用的水处理的先进技术引入到本科教学，使工程设计理念同实验论证相结合，提高学生独立分析问题、解决问题能力；

3)将大型仪器检测技术引入本科教学，实现大型仪器检测与常规化学分析相结合，拓宽学生知识面，增强学生动手能力和创新能力。

3 实验课程体系改革与探索

结合专业实验课设置的核心实践单元和知识技能点，以 “三结合”理念为指导，利用现有实验室资源，开展给排水科学与工程专业实验课程体系的建设与改革。对传统实验项目进行改造，并在此基础上引入新技术、新方法，改造 “活性炭静态吸附实验”，设计 “臭氧-活性炭联用技术处理苯酚实验”，在内容上突出创新人才培养功能；对核心专业课程中的实验进行整合、重组，并引入大型仪器在水处理中的应用，整改 “城市污水综合处理实验”和 “多相水质指标检测”，在形式上打破课程实验的界限和框架。

3.1 “活性炭静态吸附”验证性、探索性实验

“活性炭吸附实验”是 《高等学校给排水科学与工程本科指导性专业规范》制定的水质工程学实践环节的核心单元。该实验是典型的操作性、验证性实验，活性炭静态吸附环节仅对吸附反应前后目标物的浓度进行简单测定并绘制活性炭静态吸附曲线，而对于影响活性炭吸附效果的各项参数并未进行测定。整个实验过程非常简单，很难调动学生的积极性，对于学生创新能力的培养也十分不利。

为改善教学质量，提高学生积极性，将该实验项目改进。根据大纲基本要求，除考虑活性炭投加量对吸附的影响外，还考察了不同原料、不同反应条件对污染物去除效果影响，以及活性炭结构和表面性质对吸附效果的影响。具体以苯酚为目标物配置模拟废水，以小组为单位考察不同原料活性炭(果壳活性炭、煤质活性炭、木质活性炭)对苯酚的去除效果，选出吸附效果最好的活性炭，改变不同反应条件(震荡时间、反应温度、pH值)，考察反应条件对吸附效果的影响。通过测试活性炭比表面积、孔结构、孔径分布、表面性质，研究活性炭结构和表面特性对苯酚吸附的影响效果。实验过程不仅涉及多种技术方法和工艺参数，而且突出现代测试技术和表征方法的应用，可以使学生更系统地了解活性炭对有机物吸附性能，掌握活性炭在水处理中的设计参数。

3.2 “臭氧-活性炭联用技术处理苯酚”综合性、设计性实验

臭氧-活性炭联用技术是目前国内外应用最为广泛的一种饮用水深度处理方法，国内外关于臭氧-活性炭联用技术方面的研究也较多[10]。臭氧-活性炭联用技术除可保持各自优势外，臭氧可以对大分子进行开链作用与充氧作用，为活性炭提供了更易吸附的小分子物质，而臭氧可能产生的有害物质则可被活性炭吸附并降解，相比于传统活性炭吸附工艺有很大的优势[11]。但目前在本科教学实践环节针对臭氧-活性炭联用工艺、性能以及设计参数方面的实验研究并不多。

为使实验教学同实际工程结合，同新技术接轨，使学生尽快接触到先进技术，将新技术融入传统实验教学内容中，开设新实验项目。如开设综合性实验 “臭氧-活性炭联用技术处理苯酚实验”。具体以苯酚为目标物分别考察单独臭氧、单独活性炭和臭氧-活性炭联用技术对苯酚的降解效果，分析3种技术的优势和劣势。以小组为单位选取不同的臭氧投加位置(前臭氧、中臭氧和后臭氧)和投加量，研究臭氧投加位置和投加量对苯酚降解效果的影响，选取最佳的投加位置和投加量。以小组为单位选取苯酚(易被臭氧氧化，易被活性炭吸附)、对氯苯甲酸(不易被臭氧氧化，易被活性炭吸附)、腐殖酸(易被臭氧氧化，不易被活性炭吸附)3种不同的污染物作为目标物，分别测定臭氧-活性炭联用技术对3种物质的降解效果，考察不同种污染物的降解效果。采用不同的目标物浓度、水体流速，考察污染物浓度、水体流速对降解效果的影响。本实验开展仅需对现有活性炭动态吸附测定实验装置进行改造，增加O3投加单元，即可搭建实验装置。此外，该实验引入了大型仪器对污染物浓度及水质指标的测定，可拓宽学生视野，提高学生实验积极性。

3.3 “城市污水综合处理”长课时、综合性实验

综合性实验是培养学生实践能力和创新精神的重要手段，综合性实验的开展有助于提高学生分析问题、解决问题的能力，为今后的研究性工作打下良好的基础[12-13]。给排水科学与工程专业综合实验课程开展多数为单独一门实验课程内容的综合，而未从整个学科角度考虑知识点的交叉和融合。

为提高专业实验的综合性、应用性以及职业实用性，提高学生的综合创新能力，将传统单一实验课程教学内容和组织方式打破，设置全新的综合性实验。如将 《水处理技术实验》中 “城市污水综合处理实验”同 《水处理微生物实验》中 “活性污泥微生物形态观察”“活性污泥微生物呼吸活性(好氧速率)的测定”相结合，将水质指标监测实验同系统运行等独立实验项目结合，开展长学时实验，使学生对各种水处理工艺的工作原理、优化控制、运行监测等有更全面而深入的了解。学生分成多组采用不同的污水处理工艺 (A/A/O、SBR、氧化沟等)处理生活污水，自行调试设备，在实验过程中自行维护，将原有的污泥沉降比和污泥指数的测定、水质指标监测、污泥菌胶团中生物相观察、污泥中微生物呼吸活性测定以及系统的运行等独立的实验项目结合在一起，使该项实验内容具有系统性、完整性、综合性。

3.4 “多种方法测定水中铁”综合性、交叉性实验

水质指标的检测是 《水质分析化学实验》教学的重要内容，该实验课程共涉及多个水质指标的测定，其中绝大部分为简单的化学分析法。在实际的工业应用以及科研领域、大型仪器检测技术发挥作用越来越大，但在该门实验课程体系中大型仪器检测手段却提及较少。

为使实验教学紧跟科学技术前沿，开拓学生视野，在教学过程中引入大型精密仪器，改造原有实验教学内容。如改造 《水质分析化学实验》中“邻二氮菲吸收光谱法测定水中铁”实验，将大型仪器原子吸收仪引入到该实验项目中，比较两种方法取得的数据，分析两种检测方法的优缺点。在原有实验的基础上，增加火焰原子吸收法对总铁的测定，采用邻二氮菲吸收光谱法和火焰原子吸收法分别测定同一水样中的总铁，水样采取国家标准物质，比较其测定结果、方法的回收率、准确度和精密度，分析两种方法的优缺点。在教学过程中引入大型仪器检测手段，能合理有效利用大型仪器，增加学生动手机会，调动学生学习兴趣和积极性。

4 结束语

开展综合性、设计性实验是实验教学改革的重点，而实践教学改革是 “卓越工程师教育培养计划”的关键。将独立实验课程相结合开展综合实验，有助于帮助学生综合运用所学知识，解决有关工程技术问题，提高学生独立分析问题、解决问题的能力；将验证性实验变成验证、探索实验相结合，可加大探索性实验在本科实验教学中的比例，有助于培养学生独立科研创新能力；将已有工业应用的新水处理技术引入本科实验教学，同时引入了大型仪器检测技术在水处理中的应用，让学生了解大型仪器对水质指标的测定方法，可以拓宽学生视野，使学生保持对先进技术的敏锐度，增强学生动手能力和创新能力。

[1]高等学校给水排水工程学科专业指导委员会.高等学校给排水科学与工程本科指导性专业规范[M].北京:中国建筑工业出版社，2012.

[2]张小林，周美华，李茂康.综合性、设计性实验教学改革探索与实践[J].实验技术与管理，2007，24(7):94-96.

[3]耿红霞，蒋小林.综合性实验教学改革探索与实践[J].实验室研究与探索，2015，34(5):147-149.

[4]崔芳.环境工程专业创新实验教学体系改革[J].实验技术与管理，2011，28(2):139-141.

[5]郝光香，张涛，袁文，等.开展创新实验研究促进实验教学改革[J].实验室研究与探索，2010，29(7):204-206.

[6]黄大明，秦钢年，杨春兰，等.提高实验教学人才培养功能适应创新人才培养[J].实验室研究与探索，2011，30(6):126-129.

[7]黄大明，秦钢年.专业实验课综合性实验的创新设计与教学实践[J].实验室研究与探索，2011，30(6):247-250.

[8]曾薇，王淑莹，彭永臻.改革水质工程学实验教学，培养工程应用型人才[J].实验技术与管理，2010，27(7):127-129.

[9]闫小青，张春，黄模佳，等.卓越工程师培养目标下的 “工程力学实验”教学改革与实践[J].实验技术与管理，2013，30(9):177-184.

[10]马军，刘正乾，虞启义，等.臭氧多相催化氧化除污染技术研究动态[J].黑龙江大学自然科学学报，2009，26(1):1-15.

[11]刘辉.O3/H2O2-活性炭-砂滤工艺处理引黄水库水的研究[D].山东:山东建筑大学，2012.

[12]王国惠.环境工程微生物学实验教学改革研究[J].微生物学通报，2005，32(2):144-145.

[13]熊开生，谢朝新，沈小东，等.环境工程专业实验教学体系的构建[J].实验室科学，2014，17(6):82-85.

Exploration and Practice of Experimental Teaching for Water Supply and Drainage Science and Engineering

LIANG Juan， ZHANG Jing， LIU Ya， LIANG Ying
(College of Architecture and Environment， Sichuan University， Chengdu 610065， Chian)

Aiming at the problems in the teaching system of the experimental courses of water supply and drainage science and engineering program，an optimized curriculum system was proposed from the viewpoint of scientific development and the new ideas of experimental teaching reform which were also explored.This paper presented a “three-combination” teaching philosophy.This paper presented the concept of“three-combination” teaching philosophy with the combination of validation and exploration experiments，the combination of the engineering design concepts and the experimental demonstrations and the combination of large-scale equipment detection and chemical detection technologies.The existing engineering applications of advanced water treatment technology and largescale equipment detection technologies were brought into undergraduate teaching.These new teaching concepts could also improve the experimental teaching level of experimental teaching and cultivating the advanced engineering and technical talents with innovative spirit.

experiment teaching； comprehensive experiment； exploratory experiment； creative ability

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.024

2016-03-09；修改日期:2017-05-08

成都市科技惠民技术研发项目(2015-HM01-00280-SF)；四川大学实验技术立项项目。

梁娟(1984-)，女，硕士，实验师，主要从事水污染控制的实验教学与科研工作。

张静(1981-)，女，博士，副教授，主要从事水污染控制的实验教学与科研工作，zjing428＠163.com