“污水處理工程綜合實驗”混合式開放教學(xué)實踐

曾潔 李莉 高俊敏 吳全旺 曹知平

[摘 要] 以“污水處理工程綜合實驗”課程混合式開放教學(xué)為例，在“雙一流”建設(shè)背景下，基于拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的本科生實驗課程教學(xué)改革與實踐體會，促進(jìn)教育資源共享。課程開設(shè)10余年來，經(jīng)過教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)模式、考核評價體系及人才培養(yǎng)跟蹤反饋機制的持續(xù)優(yōu)化改革，形成了線上線下混合式開放實驗教學(xué)模式，學(xué)生自主設(shè)計運行，教師全程陪伴教學(xué)，學(xué)生自主創(chuàng)新與綜合實踐能力得到充分鍛煉。課程教學(xué)成效顯著，將拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)落到實處。

[關(guān)鍵詞] 污水處理工程綜合實驗;雙一流;混合式開放教學(xué)

[基金項目] 2021年度重慶市教改重點委托項目“基于綜合實驗教學(xué)的生態(tài)環(huán)境行業(yè)拔尖人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新與實踐”（212009）;2021年度重慶大學(xué)實驗教改項目“污泥厭氧消化實驗”（2021S11）

[作者簡介] 曾 潔（1991—），女，重慶長壽人，碩士，重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院實驗師（通信作者），主要從事環(huán)境工程類實驗課程教學(xué)與改革研究;李 莉（1984—），女，湖北武漢人，市政工程博士，重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院高級實驗師，主要從事水污染控制及檢測研究;高俊敏（1972—），女，四川雅安人，環(huán)境工程博士，重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境監(jiān)測研究。

[中圖分類號] G642 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）19-0057-04 [收稿日期] 2021-10-30

引言

教育部《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》（教高〔2018〕2號）[1]、《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》（教高〔2019〕6號）[2]等指導(dǎo)性文件明確要求，高等院校應(yīng)大力推進(jìn)一流專業(yè)建設(shè)，推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，大力推進(jìn)虛擬仿真實驗建設(shè)，加強校內(nèi)實驗教學(xué)資源建設(shè)，共享優(yōu)質(zhì)教育資源。我校環(huán)境工程、給排水科學(xué)與工程、環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)是首批獲得教育部認(rèn)定的國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點，積極投入國家級和省級一流課程建設(shè)，“水質(zhì)工程學(xué)”和“環(huán)境監(jiān)測”課程被推薦申報國家一流課程，“水污染控制工程”被推薦申報省級一流課程，“污水處理工程綜合實驗”是上述課程的重要實踐環(huán)節(jié)。本文以我?！拔鬯幚砉こ叹C合實驗”混合式開放教學(xué)實踐為例，交流綜合實驗課程教學(xué)建設(shè)與改革體會，促進(jìn)教育資源共享，為社會培養(yǎng)更多的拔尖創(chuàng)新人才。

一、“污水處理工程綜合實驗”課程簡介

“污水處理工程綜合實驗”課程是環(huán)境工程、給排水科學(xué)與工程等專業(yè)本科生的重要專業(yè)課程，教學(xué)內(nèi)容如表1所示，采用線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)手段，是一門完全由學(xué)生自主設(shè)計開展的綜合性、設(shè)計性實驗課程。實驗課程內(nèi)容設(shè)置的合理性、實驗教學(xué)手段的創(chuàng)新性、開放的實驗平臺及完善的安全保障機制，是綜合實驗教學(xué)得以高效開展的前提。課程設(shè)置在學(xué)生對專業(yè)知識有較深認(rèn)識與掌握后，是學(xué)生綜合利用所學(xué)專業(yè)知識初步探索科學(xué)問題的實踐平臺。良好的課程成效對我校生態(tài)環(huán)境類拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)乃至學(xué)科建設(shè)具有重大意義。

二、污水處理工程綜合實驗教學(xué)特色

（一）注重學(xué)科特色，著眼實際問題

綜合實驗課程以“雙一流”建設(shè)[3]為導(dǎo)向，緊密圍繞專業(yè)人才培養(yǎng)任務(wù)，注重學(xué)科特色，將理論知識和實際污水處理有機結(jié)合。采用虛實結(jié)合的混合式開放教學(xué)手段，使學(xué)生在城市污水處理廠運行管理的虛擬仿真操作，和污水處理裝置的實際運行中，加深對水污染控制工程、水處理工藝設(shè)計、環(huán)境監(jiān)測等課程知識的理解與應(yīng)用，并針對實際出現(xiàn)的問題加以思考并動手解決，開拓學(xué)生的學(xué)術(shù)視野和研究思維。課程線下實驗以流程完整的污水處理反應(yīng)器作為學(xué)生實驗裝置，如圖1所示，實驗中處理的污水是由附近學(xué)生宿舍引流的生活污水，著眼實際，體現(xiàn)污染控制的學(xué)科特色。學(xué)生從查閱相關(guān)文獻(xiàn)了解各構(gòu)筑物的作用和原理，并初步掌握污水水質(zhì)的測試方法，開始污泥馴化和反應(yīng)器的啟動;繼而通過自主設(shè)計實驗方案，完成一定工況下實驗裝置的持續(xù)穩(wěn)定運行;并對不同運行工況下處理效果進(jìn)行分析，探討不同實驗因素對工藝運行的影響機制;甚至自行改進(jìn)實驗裝置等實驗內(nèi)容，將多個知識模塊有機結(jié)合。實驗開設(shè)使學(xué)生能靈活運用理論知識相互協(xié)作、解決實際問題，培養(yǎng)學(xué)生水污染控制工程的設(shè)計和運營管理能力，提高學(xué)生參與科學(xué)研究的積極性。

（二）采用虛實結(jié)合，豐富教學(xué)手段

城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)規(guī)模大且過程復(fù)雜，污染物組成成分及出水效果的影響因素眾多[4]。由于實驗教學(xué)場地和時間的限制，實驗室提供的小型污水處理工藝在規(guī)模上難以和實際污水處理廠相比較，難以適應(yīng)時間上的波動變化和空間上的不均勻性。以學(xué)生宿舍生活污水作為實驗進(jìn)水來源，雖然盡可能貼近生活實際，但仍與城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)進(jìn)水差異極大，且學(xué)生如若設(shè)計多因素實驗方案，便難以在一學(xué)期內(nèi)開展完成。針對實驗室條件的局限性，近年來我校打造了適應(yīng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主管理、自主服務(wù)需求的水處理虛擬仿真訓(xùn)練平臺，并將操作成績納入課程評定。該平臺包括課程所需的采用A/A/O工藝的典型城市污水處理廠實習(xí)仿真軟件和常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)仿真測試軟件。

仿真實習(xí)包括城市污水處理廠全貌參觀和工藝調(diào)控操作，即通過自行調(diào)節(jié)污水處理系統(tǒng)運行參數(shù)可直觀地看到出水水質(zhì)的變化。此外，還包括自來水SS、總氮、總磷超標(biāo)等污水處理仿真事故，讓學(xué)生在實驗室污水處理工藝基礎(chǔ)上對城市污水廠的運行、管理及應(yīng)對復(fù)雜進(jìn)水條件變化的處理有更全面的認(rèn)識，獲得更豐富的污水處理技術(shù)實踐體驗和實際工藝過程規(guī)律認(rèn)知，學(xué)習(xí)過程不受時間和場地的限制。

水質(zhì)指標(biāo)仿真測試軟件包括BOD5、COD、TN和TP測定實驗，彌補了課程教師難以為學(xué)生演示水質(zhì)指標(biāo)分析檢測操作的缺陷，將學(xué)生對測試方法理解提升到仿真操作體驗，并可根據(jù)自身操作能力差異借助仿真軟件反復(fù)練習(xí)提升操作水平，以輔助線下實驗室水質(zhì)分析檢測。

（三）方案自主設(shè)計，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

“污水處理工程綜合實驗”課程始終堅持激勵學(xué)生“跳一跳才能夠得著”，創(chuàng)新與挑戰(zhàn)并存，內(nèi)容涵蓋基礎(chǔ)化學(xué)、儀器分析、環(huán)境監(jiān)測、水污染控制等相關(guān)課程知識。在課程設(shè)置上，采用理論知識回顧性講授、實驗室設(shè)備現(xiàn)場講解及課后文獻(xiàn)查閱與收集，結(jié)合虛擬仿真平臺反復(fù)操作練習(xí)的方法，要求學(xué)生熟悉工藝主體構(gòu)筑物及連接方式，理解各構(gòu)筑物的作用和原理，掌握污水水質(zhì)指標(biāo)測試方法。在此基礎(chǔ)上，由學(xué)生自由組合團隊，每組不超過10人，選擇任意一套污水處理反應(yīng)裝置并自主設(shè)計實驗方案，探討分析不同實驗因素和水平的影響。

由于微生物系統(tǒng)培養(yǎng)馴化至穩(wěn)定處理效能的狀態(tài)，需要幾天甚至更長時間，微生物發(fā)揮降解作用、分解污染物所需時間至少幾小時，表征處理效果的水質(zhì)污染指標(biāo)的測定也要花費一定時間[5]。因此，為了獲得較好的實驗結(jié)果，且滿足教學(xué)課時要求，實驗時間控制在一個學(xué)期內(nèi)，實驗周期以2～3個月為宜，每名學(xué)生得到充分鍛煉。數(shù)據(jù)組內(nèi)成員共享，每個學(xué)生以獨立視角對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并按照畢業(yè)論文要求規(guī)范書寫實驗報告，思考實驗過程并得出切合實際的結(jié)論，有意識地把合適的實驗工藝參數(shù)用于課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計。創(chuàng)新加實干，學(xué)生在實驗系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與水質(zhì)分析中，樹立實事求是的科學(xué)態(tài)度和工作作風(fēng)，獲得污水處理設(shè)施日常運行管理基本能力，提升自主動手及團體協(xié)作能力，強化專業(yè)知識有機融合，形成綜合知識網(wǎng)絡(luò)體系。

（四）強調(diào)安全準(zhǔn)入，過程協(xié)作開放

課程完全以學(xué)生為主體自主開展實驗，進(jìn)水、取樣和水質(zhì)指標(biāo)測試均根據(jù)設(shè)計方案自由設(shè)定，課程具有實驗周期長、實驗時間不固定、實驗任務(wù)重且挑戰(zhàn)大的特點。此外，實驗過程用到的儀器和試劑種類多樣，實驗廢棄物回收處置等實驗室安全問題關(guān)系師生人、財、物的安全[6]。學(xué)生實驗過程中的安全管理是實驗教學(xué)活動高效開展的基本保障。

課程在學(xué)生進(jìn)入實驗室之前，設(shè)置系統(tǒng)的實驗室安全技術(shù)培訓(xùn)與線上考試，強調(diào)實驗室安全準(zhǔn)入。通過一系列實驗室安全事故案例講解，分析實驗室安全風(fēng)險，包括水電安全、化學(xué)試劑安全、壓力容器安全、實驗廢棄物回收等，強化安全教育。強調(diào)實驗室安全防護及實驗安全事故應(yīng)急處置，如燙傷、起火、酸堿蝕傷、割傷、觸電等事故的防護與應(yīng)急處理;并對分析儀器和分析方法基礎(chǔ)知識和基本技能開展培訓(xùn)，如各種玻璃器皿認(rèn)識與洗滌、溶液配置、儀器使用與維護等，強化學(xué)生基本操作技能，避免安全事故發(fā)生。要求學(xué)生牢固樹立安全意識，嚴(yán)格實施安全培訓(xùn)，并在線上考試合格后才被許可進(jìn)入實驗室的安全準(zhǔn)入制度。

（五）創(chuàng)新教學(xué)模式，全過程“陪伴式”教學(xué)

污水處理實驗系統(tǒng)在周期內(nèi)連續(xù)運行，實驗過程中學(xué)生隨時可能遇到新問題，課程教師面臨的知識傳授與日常管理挑戰(zhàn)大。對此，課程創(chuàng)新教學(xué)模式的提出并實施，由指導(dǎo)教師與實驗室值班教師師共同參與的全過程“陪伴式”教學(xué)輔導(dǎo)模式。通過線上搭建答疑平臺，指導(dǎo)教師可實時解答學(xué)生提出的各種問題，線下由實驗室值班教師管理實驗過程安全操作、藥品領(lǐng)取、設(shè)備運行維護、實驗廢棄物回收等實驗室安全問題。以“實驗現(xiàn)場指導(dǎo)、線上線下答疑、定期聽取匯報”相結(jié)合的方式陪伴學(xué)生實驗全程，既滿足學(xué)生自主實驗的需求，又注重培養(yǎng)學(xué)生主動思考并動手解決實際問題的能力，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中既有自主創(chuàng)新的挑戰(zhàn)、團隊協(xié)作的友誼，還有教師時刻陪伴的溫暖。學(xué)生畢業(yè)后仍能通過線上答疑平臺與教師交流并得到指導(dǎo)，讓教學(xué)過程從課內(nèi)延伸到課外、校內(nèi)拓展到校外，支撐學(xué)生終身學(xué)習(xí)。

三、“污水處理工程綜合實驗”教學(xué)優(yōu)化及建議

“污水處理工程綜合實驗”教學(xué)堅持“以學(xué)生為主體，教師全程陪伴，平臺開放共享”的模式開展教學(xué)活動，課程效果體現(xiàn)在教師與學(xué)生的相互評價、學(xué)生對實驗課程設(shè)置和實驗平臺軟硬件系統(tǒng)的評價，同時還包含是否滿足企事業(yè)單位對人才培養(yǎng)的需求等綜合因素[7]。當(dāng)前的課程評價中設(shè)置了教師評教與學(xué)生評價板塊，但企事業(yè)單位人才培養(yǎng)需求是否在課程教學(xué)中實現(xiàn)，需在學(xué)生畢業(yè)進(jìn)入相關(guān)行業(yè)后才得到反饋，該部分評價由于學(xué)生就業(yè)范圍廣，缺乏持續(xù)監(jiān)測，評價數(shù)據(jù)相對較少。對此，應(yīng)加強校企溝通與合作，搭建線上評價通道，建立畢業(yè)生質(zhì)量跟蹤體系與動態(tài)反饋機制，評價內(nèi)容主要包括：畢業(yè)生從業(yè)或深造后對課程實用性評價、用人單位對畢業(yè)生污水處理綜合能力評價、深造院?；蚩蒲性核鶎Ξ厴I(yè)生科研探索能力評價等。通過對參與課程學(xué)習(xí)的畢業(yè)生及就業(yè)（深造）單位定向跟蹤，進(jìn)一步明確企事業(yè)單位人才培養(yǎng)需求，以不斷反饋為驅(qū)動，強調(diào)學(xué)習(xí)產(chǎn)出，實現(xiàn)課程改革與時俱進(jìn)，促進(jìn)實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段持續(xù)優(yōu)化。

結(jié)語

我校“污水處理工程綜合實驗”課程已開設(shè)10余年，始終注重學(xué)科特色，著眼實際問題，強調(diào)創(chuàng)新能力培養(yǎng)，具有課程內(nèi)容豐富、教學(xué)手段多樣、教學(xué)模式新穎、實驗平臺開放、考評體系完整、安全保障機制完善等特點，得到兄弟院校高度好評，學(xué)生普遍反映課程挑戰(zhàn)性大、收獲多，對畢業(yè)就業(yè)和學(xué)業(yè)深造影響深遠(yuǎn)。課程建設(shè)還將大力推進(jìn)虛擬仿真實驗實踐平臺的建設(shè)，形成符合混合式開放教學(xué)的綜合實驗考核評價體系;進(jìn)一步加強校企合作交流，建立全方位教學(xué)質(zhì)量動態(tài)跟蹤反饋機制;不斷深化教育教學(xué)改革，切實提高混合式開放實驗教學(xué)水平，并積極推動課程建設(shè)經(jīng)驗與教育教學(xué)資源的共享，培養(yǎng)更多適應(yīng)社會需求的高素質(zhì)拔尖創(chuàng)新人才。

參考文獻(xiàn)

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[5]田晨.好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及其脫氮除磷性能分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2020.

[6]齊悅，何柳，夏子淵.高校實驗室安全規(guī)范與可持續(xù)發(fā)展的研究探索[J].實驗技術(shù)與管理，2021， 38（1）：276-277.

[7]胡春，王立平.從社會評價出發(fā)進(jìn)行人才培養(yǎng)[J].教育教學(xué)論壇，2020（36）：62-63.

Practice of Mixed and Open Teaching in the Course of Comprehensive Experiment of Wastewater Treatment Engineering

ZENG Jiea， LI Lia， GAO Jun-mina， WU Quan-wangb， CAO Zhi-pinga

（a. College of Environment and Ecology， b. College of Computer Science， Chongqing University， Chongqing 400045， China）

Abstract： Taking the mixed and open teaching of Comprehensive Experiment of Wastewater Treatment Engineering course as an example， and under the background of “double first-class” construction， The paper focuses on the ?promotion of the top-notch innovative talents training and educational resources sharing based on the authors’ reform and practice experience of this undergraduate experimental course. The course has been offered for more than 10 years. Since the course setting， it has achieved remarkable teaching results， and the online and offline mixed and open experimental teaching mode has been formed through the continuous optimization and reform of the teaching content， teaching method， teaching mode， the evaluation system and the feedback mechanism. Under this teaching mode， students can design and operate independently under the guidance of the teachers in the whole process of teaching， so that students’ independent innovation ability and comprehensive practical ability can be fully exercised. The course teaching has achieved remarkable results， and the goal of top-notch innovative talents training has been put into practice.

Key words： Comprehensive Experiment of Wastewater Treatment Engineering; “double first-class”; mixed and open teaching