“水质工程学”实验课程教学改革实践<br/>——以北京林业大学为例

“水质工程学”实验课程教学改革实践
——以北京林业大学为例

2021-03-02李若愚孙德智王毅力

中国林业教育 2021年1期

李若愚曲丹孙德智王毅力

(北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083)

“水质工程学”是给排水科学与工程专业(以下简称给排水专业)的一门核心主干课程，也是全国高校给排水和环境工程等相关专业的重点课程。其主要教学任务是让学生系统了解水的性质、水的特征、水质指标、水体污染危害与水体自净等基本概念与理论，扎实掌握各种水处理的工程技术与方法以及应用条件，为将来从事水处理的工程设计、科研及运行管理等工作奠定理论和应用基础[1]。实验课程是“水质工程学”课程的重要组成部分，是理论联系实际的关键，也是巩固强化该课程理论知识、锻炼学生实践能力、培养学生创新性思维及解决实际环境问题能力的重要环节[2-4]。

一、“水质工程学”实验课程教学的特点

(一)实验内容丰富，体现了水处理技术的现状与发展趋势

“水质工程学”实验课程作为给排水专业的核心课程，其实验内容丰富，涵盖了多种水处理技术的原理、工艺流程、科研最新成果以及水处理技术的发展趋势。北京林业大学“水质工程学”实验课程为40学时，实验操作内容包括混凝实验、颗粒自由沉降实验、过滤实验、折点加氯消毒实验、离子交换除盐/软化实验、反渗透除盐实验、膜分离过程实验、活性污泥指标测定实验、曝气充氧系数的测定实验、污泥比阻的测定实验等。学生在学习完水质工程相关专业知识后，通过实验课程开展水处理工艺的相关实验操作，从而学会废水、给水的水质指标测定方法，掌握自来水厂传统工艺(混凝、沉淀、过滤、消毒)、除盐工艺(离子交换、反渗透、膜分离)和废水处理工艺(污泥指标、曝气充氧)的相关技术、基本原理、反应过程和计算方法，了解城市给水技术和废水处理的实际工程技术情况。“水质工程学”实验课程丰富的实验内容，体现了水处理技术的现状与发展趋势，为学生未来从事相关的科学研究和工程设计奠定理论和实践基础。

(二)实验教学注重学生操作能力和分析解决问题能力的培养

“水质工程学”实验课程教学围绕学生的实际操作开展，主要内容有实验装置的运行控制、投加药剂的种类和数量控制、水样的采集和水样分析测试等，这些内容全部由学生设计并操作完成。在此过程中学生需要结合理论知识计算和确定实验装置的运行参数，控制实验装置的运行过程，根据水样的分析测试结果及时调整实验装置的运行参数。这些实际操作既能加强对学生实验操作能力的训练，又能使学生在深刻理解理论知识的同时，培养分析问题和运用理论知识解决实际问题的能力。

二、“水质工程学”实验课程教学存在的问题

(一)实验指导书内容简单，实验操作部分薄弱

“水质工程学”实验课程原有的实验指导书内容由实验目的、实验原理、实验装置和设备、实验步骤、实验结果和结果讨论6部分组成。其中，实验原理的相关内容丰富且表述清晰，而实验的具体操作步骤则陈述简单，且操作性较弱。学生在进行实验操作时，由于缺少实验步骤的详细准确的表述，学生只能根据自己的理解进行实验操作，常常出现操作错误。而在实验中一旦产生错误的操作，会导致在两个方面产生不良影响：一是影响学生顺利完成实验，得不到理想的实验结果，进而影响在实验结果分析与讨论环节的训练效果；二是实验误操作可能还会引发实验事故，危及学生的人身安全。因此，应改进实验教学的指导过程，充实指导书中有关实验步骤的内容，以保证实验教学的顺利进行。

(二)实验课程考核方式单一，实验操作过程的考核薄弱

传统的“水质工程学”实验课程采取的是平时成绩和期末考试成绩相结合的考核形式。其中，平时成绩主要依据学生的出勤率进行考核。而实验课程教学要求学生必须亲自进行实验操作，因此学生的出勤率均为全勤，所以依据出勤率计算的平时成绩均为满分；实验课程的期末考试成绩为学生实验课程的笔试成绩。期末考试成绩虽然能评价学生对水质工程基本概念、技术方法和实验操作的理解和掌握情况，但是笔试仅仅是对理论知识的考核，其成绩常与学生在实际操作中所体现的能力存在较大的差异。因此，单一的实验课程考核评价方式无法对学生实际操作能力进行考核。

(三)实验报告缺少根据实验结果进行分析和总结的内容

实验教学改革前，学生完成实验报告时，会照搬实验指导书上的实验原理、实验步骤和实验方法等内容，按部就班地完成实验报告，导致实验报告千篇一律，难以通过实验报告的质量区别学生的实验效果。实验课程教学缺少基于实验结果开展的分析训练，影响了学生实验综合能力的提升。

三、“水质工程学”实验课程教学改革的措施

(一)完善实验指导书内容，增强实验步骤的可操作性

为了增强实验指导书的可操作性，北京林业大学“水质工程学”实验课程的任课教师将实验指导书内容进行了重新整合，丰富并细化了实验指导书中实验步骤的内容，学生根据实验步骤进行实验操作时，需根据实际操作中发现的问题提出改进建议，并说明原因，进而对实验步骤进行不断改进。这种对实验指导书进行适时修改更新的模式，不仅保证了实验操作过程中的规范性，也保障了实验操作的安全性。笔者以“离子交换除盐实验”为例，说明实验指导书的丰富和细化情况。

使用离子交换法除盐装置对自来水进行除盐操作实验首先应绘制H离子交换树脂软化出水的水质变化曲线和复床除盐系统出水水质变化曲线，之后分析出水水质变化规律。具体做法是指导教师首先引导学生在实验中使用具四氟活塞层析柱填装离子交换树脂，通过蠕动泵向层析柱内泵入进水(自来水)，使用烧杯接取软化出水；之后学生测定出水的pH、硬度和电导率指标，并根据水质指标绘制出水水质曲线，至此完成整个实验操作。“水质工程学”实验课程原实验指导书中部分实验步骤的内容见图1。

图1 “水质工程学”实验课程原实验指导书中部分实验步骤的内容

由于改革前实验指导书中实验步骤较为简单，学生只能根据简单描述的实验步骤摸索着进行相关的操作，可能导致出现实验结果不理想的情况，如滴定时超过滴定终点，接取的出水量满足不了检测用量以及离子交换柱未穿透等，最终造成学生在有限的实验课时内，无法顺利取得较为准确的实验数据，无法保证实验课程的教学效果。

笔者针对实验指导书中操作内容简单的问题，对其进行了丰富和细化，对每个实验步骤都增加了供学生填写的“改进意见”和“改进原因”两部分的内容。同时，学生在完成实验报告时，需要把对实验步骤的改进意见和改进原因写进实验报告，指导教师将改进意见和改进原因纳入实验报告的考核内容，并对学生的改进意见和改进原因的合理性和创新性进行评价，以激励学生主动思考，培养其发现问题、解决问题的能力。改革后“水质工程学”实验课程原实验指导书中部分实验步骤的改进方案见图2。

图2 “水质工程学”实验课程原实验指导书中部分实验步骤的改进方案

“水质工程学”实验课程结束后，指导教师将学生提出的关于实验步骤的改进意见和改进原因进行汇总，将合理性的实验步骤和改进意见及改进原因充实到实验指导书中，更新后的实验指导书可用于下一届学生的实验课程教学，从而使实验指导书得到不断丰富和完善。

(二)制定贯穿实验全过程的实验操作能力考核标准

实验教学主要围绕学生实际操作开展，因此在实际操作过程中有充足的时间供指导教师对学生的实际操作能力进行考核。其考核内容主要包括操作的规范性、实验数据收集的完整性和实验操作能力等。指导教师不仅要对学生安全操作的规范性进行评价，还要根据实验操作表现对学生进行评价，并将其作为学生实验课程的平时成绩。对学生实验操作能力的考核标准弥补了以往实验教学以出勤率和笔试成绩作为考核标准的弊端，达成了实验课程培养学生实验操作能力的主要目的。“水质工程学”实验课程考核中实验操作能力考核标准见表1。

表1 “水质工程学”实验课程考核中实验操作能力考核标准

(三)实验报告增加结果分析和自我评估两项内容

北京林业大学“水质工程学”实验课程要求学生按照实际的操作过程，基于实验结果和综合分析结果进行实验报告的编写，并用科学语言对实验过程加以描述和分析。学生撰写的实验报告应包含三部分内容:一是本课程规定的实验报告内容；二是实验结果分析；三是对实验操作的自我评估。同时，实验报告要按规范格式进行书写。实验结果分析要求学生依据实际的实验结果归纳实验结论，并结合所学的专业知识和查阅的相关文献信息，分析实验结果在给排水工程中应用的意义。自我评估要求学生评价本次实验的完成情况，综合评估是否达到了实验目的，如有未达到预期的结果，需分析具体原因并提出改进方法。指导教师在进行实验报告批改时，对学生结果分析和自我评估的内容进行重点评判后，应给出合理的建议。

四、“水质工程学”实验课程教学改革的成效

(一)提高了教学质量，锻炼了学生的创新能力

通过丰富和充实实验指导书内容，提高了实验指导书的可操作性，节约了指导教师描述实验步骤的时间，从而可以更加深入地进行实验原理及应用方法的讲授，提高了实验课程的教学质量，拓展了实验教学的深度。

同时，学生在实验课上能主动思考，积极参与实验教学，并对在实验操作过程中发现的问题提出解决的新思路、新方法，提升了创新能力。更新后的实验指导书制定了实验操作的规范和标准，降低了学生在实验操作过程中发生误操作的可能性，而且减少了学生无效实验操作的时间，提高了实验效率，保护了学生在实验过程中的人身安全，保障了实验教学的顺利开展。