基于創(chuàng)新訓(xùn)練的開放式化學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計與實踐

吳淑琰 葉陶靈 黃微雅

摘? 要 探索以創(chuàng)新訓(xùn)練為目的的開放式化學(xué)實驗教學(xué)過程，教學(xué)實踐表明，經(jīng)過延學(xué)課堂知識、尋找研究主題，了解發(fā)展趨勢、提出研究假設(shè)，設(shè)計實驗方案，解決困難疑惑，助推深入探究和拓展創(chuàng)新，學(xué)生經(jīng)歷了一次相對系統(tǒng)完整的課題研究創(chuàng)新訓(xùn)練。通過開放式實驗學(xué)習(xí)，綜合運用專業(yè)知識和技能解決實際問題，提升了學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新能力和素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 創(chuàng)新訓(xùn)練;開放式實驗;化學(xué);排水科學(xué)與工程;電絮凝技術(shù)

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是國家戰(zhàn)略發(fā)展的需要，將大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融入人才培養(yǎng)體系，有助于學(xué)生的個體成長和全面發(fā)展[1-2]?；瘜W(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗是化學(xué)教育教學(xué)的重要組成部分，可以作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)和主要途徑，在高等教育實踐教學(xué)體系中占據(jù)重要地位[3]。其中，開放式實驗教學(xué)尤為注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[4]。

浙江水利水電學(xué)院給排水科學(xué)與工程專業(yè)化學(xué)實驗教學(xué)體系以階梯式螺旋上升的模式全面培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才：普通化學(xué)主要以驗證性實驗奠定學(xué)科基礎(chǔ);逐步上升到專業(yè)核心課程水分析化學(xué)綜合實驗，通過綜合設(shè)計性實驗，培養(yǎng)學(xué)生綜合解決水分析化學(xué)中相關(guān)實際問題的能力;最頂端是與專業(yè)課銜接的提升型創(chuàng)新訓(xùn)練實驗，主要面向高年級本科生或化學(xué)知識技能基礎(chǔ)較好，有較強創(chuàng)新意識，對科學(xué)研究有濃厚興趣，并學(xué)有余力的二年級以上本科生，以開放式實驗教學(xué)為依托，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新實踐團隊項目的模式修取相應(yīng)學(xué)分。目前，創(chuàng)新訓(xùn)練實驗項目大多來源于專業(yè)教師科研項目，創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化或者學(xué)生從課堂教學(xué)拓展知識中發(fā)現(xiàn)并挖掘有興趣的課題，在專任教師的指導(dǎo)下完成項目[2]。其中課堂知識拓延的課題更貼近學(xué)生的知識構(gòu)架，在導(dǎo)師的指引下，更能激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)驅(qū)動力，也更能鍛煉學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。本文以電化學(xué)絮凝技術(shù)為拓展知識點的創(chuàng)新訓(xùn)練項目為例，闡述開放式實驗教學(xué)模式的實施過程。

1 延學(xué)課堂知識，從身邊尋找研究主題

針對給排水科學(xué)與工程專業(yè)特征及需求，物理化學(xué)作為專業(yè)基礎(chǔ)課，授課知識點主要集中在電化學(xué)、膠體化學(xué)、界面化學(xué)以及化學(xué)動力學(xué)等章節(jié)，并以其在水處理中的應(yīng)用作為延學(xué)內(nèi)容，拓寬學(xué)生的知識面，并盡量做到與后續(xù)水質(zhì)工程學(xué)專業(yè)課程的良好銜接。不同學(xué)生從自身的知識構(gòu)架出發(fā)，在教師課堂授課相關(guān)知識拓展引導(dǎo)下，某些知識點會與其自身的學(xué)習(xí)興趣點發(fā)生碰撞而萌生探究的想法。

例如，膠體化學(xué)是水質(zhì)工程學(xué)課程中關(guān)于絮凝的重要化學(xué)基礎(chǔ)知識，學(xué)生理解了傳統(tǒng)化學(xué)試劑鋁鹽或鐵鹽的混合絮凝機理，高年級的學(xué)生在探究了原水混凝實驗后，對其機理有了更深入的認識。結(jié)合電化學(xué)在水處理技術(shù)中的應(yīng)用實例分析，其中以Al、Fe等金屬為陽極的電絮凝技術(shù)，混凝過程中無須添加化學(xué)試劑，無二次污染的特點，引起部分學(xué)生的興趣點：電絮凝技術(shù)除了處理污廢水之外，能否凈化一些身邊的微污染水體，使這些水資源得到再生利用呢？

2 了解發(fā)展趨勢，提出研究假設(shè)

學(xué)生最初的原始想法與創(chuàng)新訓(xùn)練項目仍有較大的差距。在學(xué)生能熟練運用學(xué)校圖書館電子資源的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)他們查閱文獻，了解當前電絮凝技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展狀況，并及時向教師反饋和交流，在前人已做工作的基礎(chǔ)上提出問題和假設(shè)，并鼓勵他們嘗試撰寫綜述性小論文，也為下一步的實驗方案的設(shè)計制定打下基礎(chǔ)。通過查閱文獻，學(xué)生發(fā)現(xiàn)電絮凝技術(shù)是一項比較成熟的技術(shù)，在水處理方面的應(yīng)用也十分廣泛，其中關(guān)于雨水的處理凈化引起學(xué)生的關(guān)注。根據(jù)往屆學(xué)生課外科技活動關(guān)于雨水水質(zhì)情況的調(diào)研數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，初期雨水污染較為嚴重，且不同屋面的雨水水質(zhì)差異較大。雨水是寶貴的淡水資源，收集雨水是解決水資源供需矛盾的重要途徑之一，那么，能否運用電絮凝技術(shù)凈化不同屋面的雨水并再生回用呢？這是一個比較有現(xiàn)實意義的課題。

3 設(shè)計實驗方案，制定技術(shù)路線

確定項目主旨之后，需對課題實施方案的合理性和可行性進行分析。由于其中涉及許多基礎(chǔ)理論知識和實際應(yīng)用操作，小組成員與指導(dǎo)教師進行了多次交流和探討，對實驗方案進行具體的分析評定和討論。通過仔細分析前期雨水水質(zhì)調(diào)研數(shù)據(jù)，根據(jù)校園范圍內(nèi)房屋屋面特征，初步篩選三種代表性屋面作為研究對象，分別為瀝青、水泥和種植屋面。依據(jù)現(xiàn)有實驗室條件和國家相關(guān)水體的水質(zhì)標準，選取部分水質(zhì)監(jiān)測指標，如pH、濁度、CODMn等，作為評價此次雨水水體的指標。對于電絮凝技術(shù)中電解時間、電解電壓、電極間距等工藝條件的優(yōu)化，由于各實驗室條件的差異，教師建議在借鑒他人研究的基礎(chǔ)上，先探索優(yōu)化自身的工藝條件，再進行模擬凈化調(diào)試，并制定了相應(yīng)的項目實施技術(shù)路線方案，如圖1所示。通過完善實驗方案，更加深了學(xué)生對給排水科學(xué)與工程專業(yè)所涉及化學(xué)知識的理解。

4 解決困難疑惑，助推深入探究

按照既定實驗方案，向?qū)W院預(yù)約開放式實驗時間和實驗所需設(shè)備與試劑。在自制實驗器材、定做實驗?zāi)Ｐ推骶摺①徶眯⌒蛯嶒炘O(shè)備的過程中，學(xué)生的各項能力都得到淋漓盡致的發(fā)揮和鍛煉。實驗探索的過程并非一帆風(fēng)順，崎嶇的探究之路需要集師生的毅力、韌性和智慧一起克服困難，當面臨的困惑被解答后，豁然開朗，這正是科學(xué)探究的魅力所在，也是創(chuàng)新訓(xùn)練的初衷所在。

例如，由于雨水采集和保存的特殊性、與上課時間的沖突等采樣難問題，每次都以實際屋面初期雨水為受試水體不太切合實際。經(jīng)過與指導(dǎo)教師討論協(xié)商后，對方案進行相應(yīng)調(diào)整，選用模擬雨水進行實驗工藝條件的探索。優(yōu)化實驗工藝條件完成后，以實際雨水作為受試水體進行凈化模型測試。

模擬雨水配水過程中，最初嘗試采用葡萄糖配置溶液中的CODMn，發(fā)現(xiàn)對于可溶解性葡萄糖配置的溶液，其高錳酸鹽指數(shù)值在電絮凝前后基本沒有變化。針對這一現(xiàn)象，組員經(jīng)過討論，認為電絮凝對可溶性的有機物產(chǎn)生的CODMn基本無去除效果，電絮凝能降低水中高錳酸鹽指數(shù)，主要是通過絮凝沉淀包裹在懸浮物顆粒中的有機物。

有組員提出：讓水體靜置自然沉降和電絮凝一定時間后再進行沉降，兩者的區(qū)別有多大？經(jīng)過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，對于膠體懸浮物較多的雨水，自然沉降效果不如電絮凝后沉降。但是，濁度儀測定的數(shù)值顯示兩者的差距并不大。細心的組員發(fā)現(xiàn)電絮凝沉淀后的上層清液中有一些懸浮的極其細小的絮體顆粒，影響了濁度的測定。再次查閱文獻資料后，得出實際應(yīng)用中電絮凝—砂濾組合的方法更適合微污染水體的處理，因此嘗試調(diào)整凈化工藝，采用電絮凝—砂濾組合工藝。組合工藝的運用使出水水質(zhì)得到進一步的改善。

直接用砂濾是否也能達到一樣的效果？這是探索過程中的又一個疑惑。實驗發(fā)現(xiàn)，直接砂濾的凈化效果和組合工藝相差不大。但是，在凈化懸浮物、膠體物質(zhì)較多的水體時，若直接砂濾，濾柱水頭損失增速加快，需增加濾柱的反沖洗頻率;若改用組合工藝，先電絮凝并經(jīng)過一定時間沉淀后的水體，再進入砂濾柱，相較于直接過濾，濾柱水頭損失增速減緩。

5 凈化實際水體，拓展創(chuàng)新應(yīng)用范圍

在確定優(yōu)化實驗工藝條件之后，就三種典型屋面實際雨水進行電絮凝—砂濾組合工藝凈化處理，發(fā)現(xiàn)對于較清潔的種植屋面或長時連續(xù)屋面雨水，出水經(jīng)過簡單的自然沉降或直接砂濾，便能達到城市污水再生利用的城市雜用水水質(zhì)標準;對于初期或短時暴雨沖刷后的水泥和瀝青屋面雨水，其中含有的泥沙和膠體物質(zhì)更多，利用電絮凝和砂濾組合工藝能更有效地凈化水質(zhì)。

通過對電絮凝工藝實驗條件的探究以及自然沉降、直接砂濾和電絮凝—砂濾組合工藝的比較，實際處理效果的經(jīng)驗總結(jié)和實驗結(jié)論，使學(xué)生對各類屋面雨水水體的凈化有了更深入的認識，并提出后續(xù)可根據(jù)雨水—太陽能聯(lián)合利用模式建立屋面雨水收集、凈化及供水等一體化的綜合雨水利用系統(tǒng)。

針對電絮凝工藝清潔、易操作、節(jié)約占地、投資運行費用少等特點[5]，學(xué)生認為除了凈化屋面雨水之外，還可以根據(jù)需要進一步拓展其應(yīng)用范圍。針對目前浙江省農(nóng)村飲用水提升工程中遇到的一些技術(shù)問題，如絮凝劑人工添加不及時，山區(qū)單村供水工程的溪坑水源水隨水文季節(jié)變化，水質(zhì)濁度變化大，絮凝劑投加量未能及時變更等問題，能否通過智能化電絮凝技術(shù)得到一定的改善？學(xué)生經(jīng)過調(diào)研和文獻查閱，將其應(yīng)用到農(nóng)村水源水凈化適用性研究的項目，已被立項為校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。

6 結(jié)束語

從文獻資料查閱到實驗方案設(shè)計，逐步深入探究，遇到困難后再次查閱文獻，調(diào)整思路解決疑惑，拓展創(chuàng)新應(yīng)用范圍，鞏固成果和知識，使學(xué)生經(jīng)歷了一次相對完整系統(tǒng)的課題研究創(chuàng)新訓(xùn)練。這不僅是對專業(yè)知識和技能的綜合運用，也調(diào)動了學(xué)習(xí)的主動性，提高了學(xué)生綜合解決實際問題的能力，使其科學(xué)創(chuàng)新能力和素養(yǎng)得到訓(xùn)練和提升。開放式實驗教學(xué)不同于以往的實驗教學(xué)，教學(xué)周期長、跨度大，教學(xué)主題更為深入復(fù)雜，需要教師具備非常充足的專業(yè)知識技能儲備和較強的科研能力。同時，在學(xué)生遇到困難時，不但要給予專業(yè)知識方面的指導(dǎo)，還要給予心理上的鼓勵和肯定，促使其順利完成項目。因此，教師需要不斷地鞭策自己提升專業(yè)學(xué)識以及指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和心理思想發(fā)展的技能。■

參考文獻

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