基于创新训练的开放式化学实验教学设计与实践

吴淑琰 叶陶灵 黄微雅

摘  要 探索以创新训练为目的的开放式化学实验教学过程，教学实践表明，经过延学课堂知识、寻找研究主题，了解发展趋势、提出研究假设，设计实验方案，解决困难疑惑，助推深入探究和拓展创新，学生经历了一次相对系统完整的课题研究创新训练。通过开放式实验学习，综合运用专业知识和技能解决实际问题，提升了学生的科学创新能力和素养。

关键词 创新训练;开放式实验;化学;排水科学与工程;电絮凝技术

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）04-0115-03

Teaching Design and Practice on Open Chemistry Experiment for Purpose of Innovation Training//WU Shuyan， YE Taoling， HUANG Weiya

Abstract This paper explored the open experiment in chemistry tea-

ching with the aim of innovation training. Students experienced a relatively complete and systematic innovation training in project research， through extending classroom knowledge， searching for research topics， reviewing development trends， proposing research hypotheses， designing experimental schemes， solving difficulties and doubts， promoting in-depth exploration and expanding innovation. The teaching practice indicated that students’ scientific innovation ability and quality were improved by applying professional know-ledge and skills to solve practical problems during the open experi-ment learning period.

Key words innovation training; open experiment; chemistry; drai-nage science and engineering; electro flocculation technology

0 前言

创新型人才的培养是国家战略发展的需要，将大学生的创新创业教育融入人才培养体系，有助于学生的个体成长和全面发展[1-2]。化学是一门以实验为基础的自然科学，实验是化学教育教学的重要组成部分，可以作为培养学生创新实践能力的重要教学环节和主要途径，在高等教育实践教学体系中占据重要地位[3]。其中，开放式实验教学尤为注重培养学生的创新思维和创新能力[4]。

浙江水利水电学院给排水科学与工程专业化学实验教学体系以阶梯式螺旋上升的模式全面培养创新应用型人才：普通化学主要以验证性实验奠定学科基础;逐步上升到专业核心课程水分析化学综合实验，通过综合设计性实验，培养学生综合解决水分析化学中相关实际问题的能力;最顶端是与专业课衔接的提升型创新训练实验，主要面向高年级本科生或化学知识技能基础较好，有较强创新意识，对科学研究有浓厚兴趣，并学有余力的二年级以上本科生，以开放式实验教学为依托，结合大学生创新实践团队项目的模式修取相应学分。目前，创新训练实验项目大多来源于专业教师科研项目，创新成果转化或者学生从课堂教学拓展知识中发现并挖掘有兴趣的课题，在专任教师的指导下完成项目[2]。其中课堂知识拓延的课题更贴近学生的知识构架，在导师的指引下，更能激发学生的内在学习驱动力，也更能锻炼学生的自主创新能力。本文以电化学絮凝技术为拓展知识点的创新训练项目为例，阐述开放式实验教学模式的实施过程。

1 延学课堂知识，从身边寻找研究主题

针对给排水科学与工程专业特征及需求，物理化学作为专业基础课，授课知识点主要集中在电化学、胶体化学、界面化学以及化学动力学等章节，并以其在水处理中的应用作为延学内容，拓宽学生的知识面，并尽量做到与后续水质工程学专业课程的良好衔接。不同学生从自身的知识构架出发，在教师课堂授课相关知识拓展引导下，某些知识点会与其自身的学习兴趣点发生碰撞而萌生探究的想法。

例如，胶体化学是水质工程学课程中关于絮凝的重要化学基础知识，学生理解了传统化学试剂铝盐或铁盐的混合絮凝机理，高年级的学生在探究了原水混凝实验后，对其机理有了更深入的认识。结合电化学在水处理技术中的应用实例分析，其中以Al、Fe等金属为阳极的电絮凝技术，混凝过程中无须添加化学试剂，无二次污染的特点，引起部分学生的兴趣点：电絮凝技术除了处理污废水之外，能否净化一些身边的微污染水体，使这些水资源得到再生利用呢？

2 了解发展趋势，提出研究假设

学生最初的原始想法与创新训练项目仍有较大的差距。在学生能熟练运用学校图书馆电子资源的基礎上，引导他们查阅文献，了解当前电絮凝技术的应用和发展状况，并及时向教师反馈和交流，在前人已做工作的基础上提出问题和假设，并鼓励他们尝试撰写综述性小论文，也为下一步的实验方案的设计制定打下基础。通过查阅文献，学生发现电絮凝技术是一项比较成熟的技术，在水处理方面的应用也十分广泛，其中关于雨水的处理净化引起学生的关注。根据往届学生课外科技活动关于雨水水质情况的调研数据发现，初期雨水污染较为严重，且不同屋面的雨水水质差异较大。雨水是宝贵的淡水资源，收集雨水是解决水资源供需矛盾的重要途径之一，那么，能否运用电絮凝技术净化不同屋面的雨水并再生回用呢？这是一个比较有现实意义的课题。

3 设计实验方案，制定技术路线

确定项目主旨之后，需对课题实施方案的合理性和可行性进行分析。由于其中涉及许多基础理论知识和实际应用操作，小组成员与指导教师进行了多次交流和探讨，对实验方案进行具体的分析评定和讨论。通过仔细分析前期雨水水质调研数据，根据校园范围内房屋屋面特征，初步筛选三种代表性屋面作为研究对象，分别为沥青、水泥和种植屋面。依据现有实验室条件和国家相关水体的水质标准，选取部分水质监测指标，如pH、浊度、CODMn等，作为评价此次雨水水体的指标。对于电絮凝技术中电解时间、电解电压、电极间距等工艺条件的优化，由于各实验室条件的差异，教师建议在借鉴他人研究的基础上，先探索优化自身的工艺条件，再进行模拟净化调试，并制定了相应的项目实施技术路线方案，如图1所示。通过完善实验方案，更加深了学生对给排水科学与工程专业所涉及化学知识的理解。

4 解决困难疑惑，助推深入探究

按照既定实验方案，向学院预约开放式实验时间和实验所需设备与试剂。在自制实验器材、定做实验模型器具、购置小型实验设备的过程中，学生的各项能力都得到淋漓尽致的发挥和锻炼。实验探索的过程并非一帆风顺，崎岖的探究之路需要集师生的毅力、韧性和智慧一起克服困难，当面临的困惑被解答后，豁然开朗，这正是科学探究的魅力所在，也是创新训练的初衷所在。

例如，由于雨水采集和保存的特殊性、与上课时间的冲突等采样难问题，每次都以实际屋面初期雨水为受试水体不太切合实际。经过与指导教师讨论协商后，对方案进行相应调整，选用模拟雨水进行实验工艺条件的探索。优化实验工艺条件完成后，以实际雨水作为受试水体进行净化模型测试。

模拟雨水配水过程中，最初尝试采用葡萄糖配置溶液中的CODMn，发现对于可溶解性葡萄糖配置的溶液，其高锰酸盐指数值在电絮凝前后基本没有变化。针对这一现象，组员经过讨论，认为电絮凝对可溶性的有机物产生的CODMn基本无去除效果，电絮凝能降低水中高锰酸盐指数，主要是通过絮凝沉淀包裹在悬浮物颗粒中的有机物。

有组员提出：让水体静置自然沉降和电絮凝一定时间后再进行沉降，两者的区别有多大？经过实验验证发现，对于胶体悬浮物较多的雨水，自然沉降效果不如电絮凝后沉降。但是，浊度仪测定的数值显示两者的差距并不大。细心的组员发现电絮凝沉淀后的上层清液中有一些悬浮的极其细小的絮体颗粒，影响了浊度的测定。再次查阅文献资料后，得出实际应用中电絮凝—砂滤组合的方法更适合微污染水体的处理，因此尝试调整净化工艺，采用电絮凝—砂滤组合工艺。组合工艺的运用使出水水质得到进一步的改善。

直接用砂滤是否也能达到一样的效果？这是探索过程中的又一个疑惑。实验发现，直接砂滤的净化效果和组合工艺相差不大。但是，在净化悬浮物、胶体物质较多的水体时，若直接砂滤，滤柱水头损失增速加快，需增加滤柱的反冲洗频率;若改用组合工艺，先电絮凝并经过一定时间沉淀后的水体，再进入砂滤柱，相较于直接过滤，滤柱水头损失增速减缓。

5 净化实际水体，拓展创新应用范围

在确定优化实验工艺条件之后，就三种典型屋面实际雨水进行电絮凝—砂滤组合工艺净化处理，发现对于较清洁的种植屋面或长时连续屋面雨水，出水经过简单的自然沉降或直接砂滤，便能达到城市污水再生利用的城市杂用水水质标准;对于初期或短时暴雨冲刷后的水泥和沥青屋面雨水，其中含有的泥沙和胶体物质更多，利用电絮凝和砂滤组合工艺能更有效地净化水质。

通过对电絮凝工艺实验条件的探究以及自然沉降、直接砂滤和电絮凝—砂滤组合工艺的比较，实际处理效果的经验总结和实验结论，使学生对各类屋面雨水水体的净化有了更深入的认识，并提出后续可根据雨水—太阳能联合利用模式建立屋面雨水收集、净化及供水等一体化的综合雨水利用系统。

针对电絮凝工艺清洁、易操作、节约占地、投资运行费用少等特点[5]，学生认为除了净化屋面雨水之外，还可以根据需要进一步拓展其应用范围。针对目前浙江省农村饮用水提升工程中遇到的一些技术问题，如絮凝剂人工添加不及时，山区单村供水工程的溪坑水源水随水文季节变化，水质浊度变化大，絮凝剂投加量未能及时变更等问题，能否通过智能化电絮凝技术得到一定的改善？学生经过调研和文献查阅，将其应用到农村水源水净化适用性研究的项目，已被立项为校级大学生创新创业训练计划项目。

6 結束语

从文献资料查阅到实验方案设计，逐步深入探究，遇到困难后再次查阅文献，调整思路解决疑惑，拓展创新应用范围，巩固成果和知识，使学生经历了一次相对完整系统的课题研究创新训练。这不仅是对专业知识和技能的综合运用，也调动了学习的主动性，提高了学生综合解决实际问题的能力，使其科学创新能力和素养得到训练和提升。开放式实验教学不同于以往的实验教学，教学周期长、跨度大，教学主题更为深入复杂，需要教师具备非常充足的专业知识技能储备和较强的科研能力。同时，在学生遇到困难时，不但要给予专业知识方面的指导，还要给予心理上的鼓励和肯定，促使其顺利完成项目。因此，教师需要不断地鞭策自己提升专业学识以及指导学生学习和心理思想发展的技能。■

参考文献

[1]邹艳芳，章立新，高明，等.“大学生创新创业训练计划”与实验教学的协同关系[J].实验技术与管理，2016（9）：172-174，185.

[2]赵士博，于惠霖，郑淮远，等.双创背景下科研竞赛型导师制的研究与探索[J].课程教育研究，2020（17）：233-234.

[3]王玉芹，韩靖，刘婉君，等.通识教育背景下综合化学实验教学体系的功能拓展[J].化学教育（中英文），2019（14）：

37-40.

[4]金显春.化学开放式实验教学在普通化学课中的探索[J].化学教育，2008（10）：55-56.

[5]张瑞，赵霞，李庆维，等.电化学水处理技术的研究及应用进展[J].水处理技术，2019（4）：11-16.

3829501908259