高校实验室废弃物的再利用及大学生创新能力培养研究

申龙章, 邱长军, 李必文

(南华大学 机械工程学院, 湖南 衡阳 421001)

随着大学教学过程从以教师、教材、课堂为中心,向以学生、学生能力与方法培养、开放教育为中心的转变,学生对课堂教学以及教学改革的感受和评价日益受到重视,学生创新能力和动手能力培养,已成为高校教学质量保障体系中不容忽视的重要环节[1]。现代工科专业大多具备综合性、多样性、跨学科交融等特点,教育部对“新工科”建设的持续推进以及《中国制造2025》的要求,促使我国工科高等教育深入研究学科交叉、课程设置及其内涵、面向工业界需求等方面发展,强化学生动手能力培养,以适应工程科技发展的需要。按照“进一步强化实践、突出应用、注重创新创业”的原则,我们需要深入改革相关课程内容,寻求顺应社会需求、与市场紧密接轨的教学方式[2]。

1 问题的提出

在一次学校的资产清查和仪器设备报废过程中,教师和学生发现,大量的机电设备、计算机打印机等,以极低的价格按废品处理了。虽然这些设备已无法正常使用,失去了维修价值,内部零件也都老化,但其中很多诸如齿轮、丝杠、电源、电机、电子元器件等,还能拆卸使用,其可靠性虽不高,但还是可以用在实验上,而且一些木质或铁质外壳稍经加工也能用到其他地方。这样可充分利用这些废弃物的剩余价值,比如一台报废计算机主机才卖二十元,而买一个新的稳压电源动辄好几百元。如果我们的实验中能尽量使用报废物品中尚能正常使用的零部件,不仅可以节省大量教育资金,还顺应了社会可持续发展的要求[3-4]。

目前,整个社会尤其是工科专业都在强调动手能力和创新思维[5-6]。然而,绝大部分的教学仍停留在教授理论的课堂。比如,相对比较容易实践的大学计算机课程中,教授的主要内容是计算机结构、发展历史、程序编码原理等。虽然这些理论基础是必须掌握的专业常识，然而一些学生直至毕业写毕业论文时,甚至都不会整理文档格式,不会制作PPT演示,不会利用简单的数据处理软件。

我们一方面面临经费和资源紧张的巨大压力,另一方面,高校在实验设备和耗材、教学设备上投入巨大。因为政策制度的限制,我们在购置新型设备前,必须先报废已有设备,且报废后的设备由资产处统一处置,往往是直接卖给废品收购站,而废品站是无法发现这些东西的潜在剩余价值的。

高校作为人才集中培养之地,不仅应当与社会接轨,还要高瞻远瞩,引领社会朝着更绿色健康的方向发展[7]。如果能够建立一套有效的系统,将高校实验室报废的物品进行有效回收,并利用其中尚能使用的各类零部件,进行经过良好设计的实验,既能缓解资源紧张的压力,让更多的学生拥有实际动手的机会,更能培养学生的创新思维、可持续发展意识和实践能力[8]。

2 建立实验室可利用废弃物回收站

首先要将有毒有害废弃物和可回收利用废弃物区别开来。现在谈及实验室废弃物问题,往往停留在有毒有害危化品,或是具有潜在传染性的医用废品[9-10],抑或是简单的原材料回收[11-12]。本文讲到的实验室废弃物,不是仅仅指用过的、已经失效的实验耗材,而是指整栋实验大楼里所有准备废弃的东西,包括报废的仪器设备,及计算机、打印机、投影仪等办公设备。而这些仪器设备中含有各种各样的废旧机械零件及电子器件,如果能通过有效的手段,将它们二次利用起来,将使这些材料可以继续发挥其价值。

再如我们所从事的机械制造行业,各种各样废旧机械零件及电子器件等,在无法正常工作之后,也是有二次利用价值的。

我们的实验楼除收集生活垃圾的垃圾箱外,再单独设置可回收分类处理垃圾箱。倡导全校师生建立回收意识,要求大家在丢弃物品时首先进行简单分类,这样可以节省很多后续处理时间。

及时将回收的实验室废弃物品进行分解、判别、编码,并存贮在分类货架中,如图1所示。为了便于存贮与选用,将所有回收站货架上的物品按照一定原则进行编码。针对本实验室废弃物回收特点,本文初步制定的分类编码如图2所示。

图1 分类货架

图2 物品分类目录

回收站对所有物品进行六位数字编码,前两位为大类编码,如(01)为原材料大类,主要为一些板材、外壳、铁皮等,中间两位为小类编码,如(0101)为木质原材料,主要为木头材质的一些木板、木棍等,最后两位为物品编号,对应于每一个小类下每一件物品编号。

3 增开“变废为宝”等创新开放实验课程

目前,高校中如要增开一门实验课程,一般都需要购置相关新型设备和实验耗材,尤其是一些工科实验课程,实验成本高达上百元/人次/学时。当然,为了保证学生学习质量,专业实验即使代价巨大,也不能偷工减料。

然而为了人类之持续发展,整个社会都在强调绿色、环保及资源的再利用。如果能利用已经作为废品处理的某些仍存在价值的物品,经过创新和进一步设计,学生自己动手变废为宝,其教育意义不比一般实验差。作为一项具有深刻意义的实验课题,同时又可强化学生的理论知识及实践动手能力,而且资金投入极低,还有什么理由不去做呢。

我校机械工程学院在可持续发展这一主题下,重在培养学生的实际动手能力,开设了一系列基于“变废为宝”等主题的开放实验课程。实验课程在能力的培养方面强调循序渐进,因此分为三个培养阶段：第一阶段主要是深化理论知识在实际中的应用,通过分析比较他人的成功案例来汲取经验；第二阶段主要是对各种加工工艺的了解、操作及应用,从简单的敲、剪、折等,到有着严格要求的焊接、切割、打磨等机械设备加工工艺；第三阶段为思维的创新及实践,让学生把自己之前通过训练所得到的一些较为专业的知识及经验转换成作品。

学生通过这样的实验课程,可以利用工业上的原材料、成品及废品,进行二次创造得到艺术作品。图3(a)为利用一些废旧木板简单加工后,拼接的牙刷架；图3(b)为利用废旧电路板上拆下的一些电子原件,简单组合焊接后的蜘蛛饰品；图3(c)为元件拆卸后的电路板简单打磨后的吊坠饰品。

图3 利用实验室废弃物做成的装饰品

现今对废品的再利用大都停留在艺术装饰品上,但实际上我们能做的工作远不止于此。图4(a)为利用废弃计算机电源中的线圈,加上简单的设计,做成的磁悬浮简易模型,可让人直观理解磁悬浮原理。图4(b)为利用废弃办公桌抽屉导轨和一些仪器打包箱木板制作的2轴简易滑台,可作为一些低强度材料加工的临时工作台。图4(c)为利用废旧的开关电源、螺栓等,简单拼凑的建筑模型,可以作为建筑艺术课程中辅助教学的教具。

通过对一些简单的理论的应用,再加上一定的设计,使得废弃物拥有了新的功能。在此过程中,学生的理论基础、设计能力、动手能力和创新思维都能得到有效锻炼。

对于具备一定专业基础的学生,鼓励他们利用尚能使用的零部件进行二次开发和设计,甚至能完成一些复杂工具或仪器的制作。不仅能提高学生动手能力,增进专业知识的掌握,甚至可以进行一些科学研究,并获得成果[13]。

图4 利用实验室废弃物做成的工具和模型

案例1：利用鼠标的光电感应原理,加上自行设计的信号处理电路,将鼠标移动的距离显示出来,可以非接触测量直线、曲线等长度,如图5(a)所示。

案例2：利用电脑中仍能正常使用的光驱和电源,根据光驱中的激光自动聚焦原理,加上自行设计的单片机控制电路、步进电机驱动电路等,制作了一台简易的表面形貌仪,可以对物体表面进行初步的非接触精密测量[14],如图5(b)所示。

图5 利用实验室废弃物经过设计后制作的仪器

除此之外,还可以举办一些如“废物利用”“变废为宝”等相关主题的比赛、作品展等科技活动,激发学生创新思维,增强动手能力。

4 建立废弃物共享回收网站

废弃物被回收存储起来后,如果不能及时转化利用,那么越来越多的待利用的废弃物将会成为管理的沉重负担，且回收站面积有限,学生查找所需物品较困难。如果能建立共享网站,将所有回收站中所有分类编码的物品,拍照上传至网络,如图6所示。学生便可随时随地浏览资源信息,或者根据已有物品进行作品设计。

图6 实验室回收站网页展示图

图2所示分类货架每个物品格旁均贴有物品识别标签,标签上有二维码,和网站上显示信息一一对应,并可实时更新。

网站不仅可以展示回收站中各种物品,还可将一些经验、设计思路、获奖作品等展示出来,供学生学习和参考。学生的作品也可挂在网站上进行交易,实现价值转换。

5 结语

随着我国经济的发展,技术的进步,产品更新换代加速,不仅在高校,整个社会都会有越来越多的物品失去使用价值,进入废旧物品回收再利用阶段。因而建立规范的废旧物品回收市场,让有用的资源得到再利用,发挥其最大价值,是符合可持续发展要求的[15]。

高校实验室废弃物回收再利用体系的建立具有以下几点意义：

(1) 实验所需运行经费减少,且可从多个方面强化本科生创新能力和动手能力的培养。虽然实验场地稍大、物品管理较困难,但节省了仪器设备耗材等耗费较大开支。从废弃物的回收分解,元件的分类储存,回收网站的管理与维护,到相关实验项目的开展,学生的参与既可节省人工耗费,同时可使学生创新能力和动手能力得以加强。

(2) 实验教学机制的创新,彰显以学生为主体的实验教学特色。在废弃物回收并开展实验过程中,不同于以往传统实验,自始至终是以学生为主体的。这样不仅可以充分发挥学生的积极性和创造性,还能使他们积累实践经验,增强自信心和进取心。

(3) 倡导可持续发展和绿色制造理念。实验室废弃物再利用就是基于可持续发展和绿色制造理念而提出的,有利于学生在此过程中逐步培养社会主义核心价值观、人文社会科学素养和社会责任感,这与我们专业认证中对学生的毕业要求是紧密契合的。

本文提出的高校实验室废弃物回收利用体系应成为我国再生资源回收利用体系的组成部分,更应成为当代大学生动手实践的有效平台,希望可为有关单位提供一定参考。