PBL模式提高学生工程实践及创新能力的应用

2019-05-31王淑勤武金锦陈司晗刘路游

山东化工 2019年9期

王淑勤，武金锦，陈司晗，付懿，刘路游

(华北电力大学环境科学与工程系，河北保定 071003)

PBL( problem-based learning )教学模式是把问题当作焦点诱导学生进行调查和研究，使得学生学习到解决问题的思路与过程，并熟练运用有关知识和概念，有利于提高学生理解问题和分析问题的能力，还可以总结解决问题的经验与教训，最终培养其自主学习的意识和能力[1]。该教学模式是根据问题来进行的学习，因此需要教师精心设计实际问题和解决问题的途径，并且组织学生调查、寻找相关项目，然后提供解决现实问题所需要的环境和设备，最后组织讨论，充分调动学生在学习过程中的主动性，培养学生分析并解决问题的能力，这也是研究性教学的一种途径[2-3]。学习和研究相结合的研究型教学是指教师通过引导、促进、支持和指导学生的研究型学习活动来完成教学任务的一种教学方法。将这种方法应用于理论课学习已获得很多成功案例。

PBL最显著的特征是其具有实践性，它鼓励项目成员相互协作、共同创造，并完成所需求的最终项目产品，使其收获一次系统的、经验的学习。通过这种教学方式来培养具有高水平综合能力和创新实践能力的学生，从而实现企业需求和人才输出的无缝对接。

将该模式应用于理论课程的教学实践，已经成为各高校关注的焦点。华北电力大学环境工程专业作为双一流建设专业，从2013年就开始积极尝试研究性教学试点课程《水污染控制工程》的教学改革。为了体现华北电力大学“研究型、国际化”的办学特色，我们不仅更新课程教学内容，改进教学手段和措施，还提高学生创新能力，并取得了较好的教学效果[4]。我们还通过案例进行教学，强化工程应用和实践能力训练；但如何构建符合能力培养要求的实验教学模式，是环境工程专业教学改革普遍关注的问题[5]。因此通过研究性实验，结合PBL教学模式让学生能够主动的获取知识、探索问题、应用知识解决问题，以培养学生的科研素养和提高学生研究性学习能力，这方面的研究还有待加强。

研究性实验需要自主研究、总结、梳理出与实验有关的理论，遇到问题及时回到书本学习，甚至要求在已有知识的基础上学习和探索新的知识，如此才能全面理解实验项目、精确操作实验设备、制订完善的实验方案、顺利的完成实验项目。通过PBL教学模式来提高学生的学习热情，使学生自主学习、资料查找、解答问题以及团结合作等方面的能力得到提升[6]。另外，教师在教学过程中的角色转变，有利于老师学生之间教学相长教学关系的建立和发展，更有助于师生的交流。不过，想要实现PBL教学模式，就要求任课教师完成更高层次的要求。为此我们进行了以下3个方面的尝试。

1 PBL 教学模式在综合实验中的应用

华北电力大学环境工程专业综合实验是单独开设的为期两周的实践教学环节，这个环节的目的是使学生对现场实际问题进行多指标的检测分析和治理研究，加强对复杂环境问题的认识，学会利用多门专业课的知识分析解决这些问题，自己制定可行的实验方案，并进行方案实施、数据处理及分析总结治理项目对环境的综合影响、撰写符合行业规范的实验报告，受到全方位的科学思维和实验训练，在工程实践能力和创新能力等方面得到进一步的锻炼与提高。

通过综合实验全面加深学生对有关废水、废气、固体废物处理理论的理解，使学生掌握文献和仪器设备使用方法，掌握水、气、固体废物处理工艺选择，掌握处理实验数据的方法及主要处理设施的性能特点，培养学生的实践动手能力，并且提高其撰写符合行业标准的实验报告的能力，在工艺路线、实验方案、治理设备选择上提高创新意识。

为保证课程教学目标的达成度，我们任课教师充分分析学生自身的特点，结合学校的实验条件确定了合适的综合实验题目，给出任务要求。我们的做法是考虑到学生能力差异、性别差异、性格差异，进行合理搭配，均匀分布，因此要求学生以宿舍为单位分成小组，每组5～6人，选出责任心强的学生作为组长，组长根据指导教师的任务要求对组员进行适当分工，使学生小组成员之间达到较好的合作，增强团队意识。

实验进行的第一周，要求学生认真查阅“中国知网”、“万方数据库”、“Ei compendex”、 “Elsevier”、“ Springer”等数据库，仔细查找和阅读相类似于本组实验任务的科研论文，在已有验证性实验的基础上提前设计综合实验方案。自主选择实验药品和仪器的类型、数量、实验方法和制定实验步骤，在研究中培养学生的思考能力。要求不同组的学生选择不同处理对象进行监测治理，或者可选择同一处理对象进行不同处理单元或者不同处理方法的效果对比，要求各组之间充分交流，避免重复和抄袭，实验方案确定后交任课教师批改修正。

实验第二周，要求学生自己按照实验方案选取样品，配制溶液，组装实验装置，进行多指标的分析检测。

例如在“生活污水化学处理与生物处理差异分析”的实验项目中，学生们通过参观学校中水站切实感受生活污水A2O生物处理工艺的效果，自己取出进、出水水样，制定合理实验方案，并且应用环境监测、环境工程微生物学和水污染控制工程等课程中学到的知识，进行COD去除效果分析，发现冬季中水站A2O工艺过程中COD的去除率仅63%，比混凝、化学吸附、过滤，氧化等组合工艺的总去除效果低23%；还分析了好氧池中的碳、氮、磷的比例，发现其中磷含量明显偏高；水的pH值偏低，溶解氧含量小于2mg/L，这些都是引起非丝状菌污泥膨胀的原因。根据所学专业知识提出工艺运行调整对策，减少含磷废水的排放或者投加有机物改善营养比和水的pH；在冬季水温低的条件下减少曝气量。中水站采用了我们的改进方案，污泥膨胀得到显著改善。

又例如在“混凝、吸附、氧化处理生活污水的实验”中，发现混凝后上清液虽然很清澈，但还是有色度，如图1所示；继续使用臭氧氧化时，在烧杯中不易控制臭氧的流量，时间在5 min之内氧化效果不明显，延长到30 min时臭氧味溢出烧杯，满屋都是，带来二次污染，因此调整实验方案改为过氧化氢氧化。可是实验过程又发现过氧化氢用量太多，采用高锰酸钾法测定COD会产生颜色干扰，无法得到预期的数据，必须控制合适的投加量才能保证对有机物的氧化，又不干扰高锰酸钾法测定COD，这样学生在实验过程中逐步增强主动实验和自主实验的意识，使他们建立起善于运用相关知识解决工程问题的思维习惯。

图1 生活污水混凝前后的效果

2 PBL 教学模式在毕业设计中的应用

针对综合实验中出现的臭氧氧化没有合适实验装置的问题，我们结合毕业设计要求学生设计一套小型臭氧化实验装置，并筛选填料提高其臭氧化效果。该学生利用3D打印技术自主设计了特殊的填料如图2所示，还和光催化结合，提高了臭氧氧化不可生物降解污染物-苯酚的降解效率。

图2 利用3D打印技术自主设计开发的两种填料

实验结果表明在这两种填料存在时，不仅使臭氧氧化生活污水的能力有所提高，还使臭氧氧化不可生物降解污染物-苯酚的效率提高近20%，再结合二氧化钛光催化后的总效率又提高近10%，总效率接近100%。但是发现二氧化钛与水难于分离，不利于重复使用，还需要进一步研究探索。

选该毕业设计的同学自主学习热情很高，从查阅资料到设计画图，从加工制造到设备组装，筛选实验条件，改进实验效果，受到全面系统的工程训练，体现了工程设计中的创新意识，答辩效果很好，毕业论文总评成绩为优秀。该同学还被免试推荐到厦门大学供读硕士研究生。

3 PBL 教学模式在创新实验中的应用

图3 替芯式催化剂套筒

针对二氧化钛与水难于分离的问题，我们指导团队又指导了大学生创新实验项目“新型金属有机骨架材料协同光催化氧化法处理焦化废水”，结合此项目发现掺铈二氧化钛处理低浓度的含酚废水具有良好的效果。进而利用数控机床加工了替芯式催化剂套筒，套筒之间通过螺纹连接，起到了防水渗出的作用，如图3所示，套筒内壁刷有特制防水胶，催化剂通过胶的粘性附着在套筒的内壁上，使改性二氧化钛催化剂与污水易于分离，套筒之间固定着不锈钢丝网，使臭氧在通过不锈钢丝网后均匀分散为小气泡，增大气液接触面积，同时促使臭氧在水中溶解，高效参与二氧化钛对污染物的催化，使臭氧利用率更高，催化剂失效后直接更换替芯即可快速投入使用。整个装置的核心部分是负载有改性二氧化钛的替芯，将改性二氧化钛负载于套筒的内壁，再将套筒放入装置的不锈钢外壳中。装置的整个替芯是由五个相同的替芯单元组成，使得在某个替芯失去催化效果时可以单独更换，节省催化剂失活后替换的成本。该项目在指导教师指导下申请了实用新型专利，此项目还获得了国家节能减排大赛三等奖。