基于Jigsaw教学法的环境学科实验教学实践

2018-04-04唐贤春施鼎方徐竟成黄翔峰

实验技术与管理 2018年9期

刘佳, 沈洪, 盛力, 唐贤春, 施鼎方, 徐竟成, 黄翔峰

(同济大学环境科学与工程学院,环境科学与工程国家实验教学示范中心, 上海 200092)

环境问题是21世纪的全球性热点问题,环境污染问题从过去的单一性污染、局部污染发展成为复合性污染和区域性污染。环境学科的发展也呈现了学科交叉跨度大、学科前沿发展快、社会需求多样等特点,相应要求培养的环境人才具有自主学习能力、实践创新能力以及应对复杂环境问题所需要的广阔视野和综合素质[1]。实验教学是环境学科提升人才培养质量的重要环节[2],是实现理论知识向复杂问题解决能力转化的重要途径[3]。传统环境实验教学受教学形式和教学时长所限,实验课以单元实验过程的演示和实验现象结果的验证为主,实验教学内容、方式和评价方式限制了学生思维能力、实践能力、创新能力的培养。

起源于美国著明教学家和社会学家Elliot Aronson(埃利奥特·阿伦德森)的Jigsaw(拼图课堂)教学模式，是一种基于合作学习环境下的教学模式,通过个人或小组学习特定内容的部分信息成为专家后,将自己掌握的学习经验及研究成果分享给其他学生,以此完成全班学生对于全部特定内容的学习[4]。多项研究表明,Jigsaw教学模式能够促进学生积极、自主地参与学习,是一种面向实际复杂问题解决类学科的有效教学方法[5]。目前,Jigsaw教学模式在我国大学英语教学、计算机、临床医学[6]等学科中已有实践应用。

新建设的“剩余污泥减量化项目”来源于污水处理厂剩余污泥厌氧消化工艺的实际问题,面向环境工程、环境科学和给排水科学与工程大四年级学生。学生已具备一定的专业基础知识以及动手实践能力,但在自主学习能力、合作学习能力和思辨能力方面尚需培养,因此本实验探索了以Jigsaw合作式学习模式设计环境学科实验教学内容,满足人才培养的需要。

1 实验教学设计方案

1.1 实验背景

随着我国经济的快速发展以及城镇化进程的加速,污水处理量和污水处理率不断增加,随之而产生的剩余污泥量也与日俱增。剩余污泥目前常用的处理方式主要有填埋、焚烧、厌氧消化等。厌氧消化因其能够最大限度降解污泥中的有机物，使其转化为沼气实现能源化,因而最具社会、经济和环境优势[7]。但是在污泥厌氧消化过程中,由于污泥中微生物细胞壁阻碍了有机物的水解,污泥的水解过程是整个厌氧消化过程的限速步骤。采用适当的预处理可以在较短时间内将污泥水解,提高污泥厌氧消化效率[8]。近年来,污泥热碱联合处理法在污泥预处理中得到关注。

剩余污泥在热处理中,高温促使微生物细胞蛋白质变性,细胞膜上的载体蛋白发生变化,脂质双分子层溶解产生孔洞,进而细胞内的有机物(蛋白质、脂肪、碳水化合物等)得以释放[9]。而碱可以减弱污泥中微生物细胞壁对高温的抵抗力,使细胞受热时更容易破裂,从而释放出大量的有机物(如蛋白质、碳水化合物等)[10]。在热碱处理过程中,污泥的性质会发生改变,有利于后续的污泥处理[11]。研究表明,在热碱处理过程中对污泥特性影响较大的因素有温度、pH值、处理时间、污泥浓度、加热方式、加碱种类等[12]。

本实验开展要求学生掌握以下目标：

(1) 了解剩余污泥的主要结构特征、物质组成及处理情况。

(2) 了解污泥厌氧消化技术的原理、发展现状及技术难点。

(3) 掌握剩余污泥热处理、碱处理及热碱处理技术的主要原理及反应条件。

(4) 掌握用多种指标来分析和确定实验结果。

1.2 Jigsaw学习、讨论与分享

1.2.1 布置Jigsaw学习讨论任务

围绕实验主题“剩余污泥减量化”,将研究主题拆分成4个知识点,每个知识点列出3个以上讨论要点。

知识点一：剩余污泥处理现状,讨论要点包括上海污泥处理现状、污泥处理发展趋势、污泥减量技术类型等；

知识点二：剩余污泥厌氧消化技术,讨论要点包括污泥厌氧消化原理、污泥能源化瓶颈、污泥破壁技术等；

知识点三：剩余污泥结构及物质组成,讨论要点包括污泥形态、结构、粒径,胞外聚合物组成及提取方法,胞外聚合物功能等；

知识点四：剩余污泥热碱预处理,讨论要点包括热碱处理原理、热碱处理影响因素、处理后评价污泥特性指标等。

1.2.2 个人学习—小组讨论—交流展示

在此基础上将学生分组,每组指定一个知识点,小组的每位学生拿到一篇相关文献进行个人独立阅读10 min,之后进行组内讨论10 min,最后在组内形成讨论结果制作海报。在交流展示环节,按照知识要点顺序每组派一名学生在5 min时间内分享小组讨论结果,即围绕指定的讨论要点给出主要结论,并接受其他小组质疑。

1.2.3 教师总结点评并提出实验方案

每组学生汇报时,教师根据学生汇报结果将课程相关要点摘录并撰写在黑板上,如影响实验效果的温度、pH、碱投量等实验条件,待全部小组知识点汇报完成后,将这些要点进一步解释,同时给出本次实验中的这些指标的设定值,加强学生对关键影响因素的认识。

1.3 剩余污泥减量化实验操作

(1) 单独碱处理对剩余污泥减量化/破解率影响研究。考察在常温条件下,一定碱投加量(1.0 g/L、 3.0 g/L) 条件下,单独碱处理1.5 h对剩余污泥减量化的处理效果。

(2) 单独热处理对剩余污泥减量化/破解率影响研究。考察在70 ℃加热条件下,单独加热条件处理1.5 h对剩余污泥减量化的处理效果。

(3) 热—碱联用对剩余污泥减量化/破解率影响研究。考察在70 ℃加热条件下,一定碱投加量(1.0 g/L、3.0 g/L),热—碱联用处理1.5 h对剩余污泥减量化的处理效果。

1.4 减量化效果检测与评价

对以上条件得到的处理后污泥样品进行离心,分别得到上清液和污泥剩余残渣。上清液测定溶解性有机物含量(SCOD),污泥残渣测定总悬浮物浓度(TSS),然后采用污泥减量程度(RD)和污泥破解程度(DD)来评价热碱处理效果：

RD(reduction degree)=(TSS0-TSSt)/TSS0*100,TSS0表示原污泥的总悬浮物浓度,TSSt表示污泥预处理破解一段时间t后残余的悬浮物浓度。

DD(disintegreation degree)=(SCODt-SCOD0)/(TCOD-SCOD0)*100,SCODt表示污泥预处理破解一段时间t后上清液的SCOD；SCOD0表示污泥未破解时上清液SCOD；TCOD表示污泥总COD。

在完成2个指标测定的基础上,进行实验结果整理与讨论。要求学生描述原始污泥和不同处理方式得到污泥在颜色、粒径、沉降性能以及过滤后得到的残渣表观性能上的差异,同时根据实验结果分析热处理、碱处理、热碱联合处理3种处理方式的差异,从能量输入角度为污水厂厌氧效果工艺提出最有实际应用可能性的污泥破壁预处理方法,使其有助于后续污泥厌氧消化工艺。

2 教学实践效果

开设的剩余污泥减量化实验项目,将行业需求与科研研究成果综合到实验教学内容中,是一项面向大四年级综合能力提升的新建实验教学项目。在教学形式中采用Jigsaw教学法,让学生主动开展学习建立知识体系,通过组间讨论和组间互助式学习提高了学生参与度,增强了师生互动,培养了学生的自学和思辨能力；实现了知识点学习和实验教学操作的有机结合,让学生对知识点的学习从理论学习、感性认识上升到结果观察和理性分析阶段。本实验的建设与实践通过在实验教学项目选择、实验教学内容设计、实验教学方式等方面的创新,增强了学生的学习兴趣、合作式学习能力、科研能力,取得了较好的教学效果。