環(huán)境工程試驗裝置學(xué)生實踐能力探析

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摘要:我國當(dāng)代環(huán)境問題錯綜復(fù)雜，現(xiàn)有的環(huán)保儀器跟不上時展的需求，國外高端環(huán)保設(shè)備也不完全適應(yīng)我國國情，因此，培養(yǎng)研發(fā)環(huán)保儀器的人才刻不容緩。該文以自制試驗裝置為重要環(huán)節(jié)探討了如何完善環(huán)境工程專業(yè)實踐教學(xué)體系，分析了自制試驗裝置如何促進大學(xué)生的實踐技能和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，結(jié)合自制試驗裝置的案例，從不同角度闡述了自制試驗裝置對培養(yǎng)環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力的作用。

關(guān)鍵詞:自制試驗裝置;環(huán)境工程;實踐能力;實踐教學(xué);創(chuàng)新思維

現(xiàn)代科技的重大突破越來越依賴于先進的科研儀器，掌握了最先進的科學(xué)儀器研發(fā)技術(shù)，就掌握了科技發(fā)展的主動權(quán)［1］。當(dāng)前我國環(huán)境問題呈現(xiàn)出綜合性、復(fù)雜性、地域性、時間性的特征，現(xiàn)有的環(huán)保儀器跟不上時展的需求，而具有世界領(lǐng)先水平技術(shù)的環(huán)保儀器，在引進的過程中又存在技術(shù)壟斷［2］，這嚴重地阻礙了我國綠色GDP的實現(xiàn)。因此，高等院校作為國家環(huán)境工程人才培養(yǎng)的重要基地，應(yīng)在本科階段培養(yǎng)學(xué)生具備研發(fā)儀器的工程素質(zhì)和實踐能力，為我國自主研發(fā)環(huán)保設(shè)備做貢獻。強化培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維是人才培養(yǎng)的根本要求［3］，環(huán)境工程專業(yè)是一個實踐性很強的工科專業(yè)，實踐環(huán)節(jié)在工科學(xué)生綜合能力培養(yǎng)中的地位尤為重要。為落實我國中長期人才發(fā)展規(guī)劃，2010年6月國家啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”;2013年6月19日，我國成為《華盛頓協(xié)議》預(yù)備會員后，環(huán)境工程專業(yè)可通過工程教育專業(yè)認證，使畢業(yè)生可以在協(xié)約國申請工程師職業(yè)資格。這都指明了我國工科類專業(yè)高等教育今后發(fā)展的方向，即要培養(yǎng)具有卓越的工程素質(zhì)和實踐能力的大學(xué)生。學(xué)生在高校實踐教學(xué)體系中參與實踐活動是提高學(xué)生工程素質(zhì)和實踐能力的主要方式。自制試驗裝置是一種培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、增強學(xué)生專業(yè)實踐能力和綜合能力的有效手段。國外高校工科類實驗室基本都有教師或?qū)W生自制的實驗儀器，來解決一些實驗過程中采樣、模擬和工程控制的問題。國內(nèi)大學(xué)的一些實驗室也把自制儀器作為實驗教學(xué)示范中心的特色來建設(shè)［2－4］。這不僅促進了教學(xué)，還能夠豐富、活躍學(xué)生的科學(xué)思維，加深對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生良好的動手能力和創(chuàng)新思維。因此，本文把加強自制試驗裝置作為環(huán)境工程專業(yè)實驗教學(xué)的重要環(huán)節(jié)來建設(shè)，完善實踐教學(xué)體系，形成制度，讓學(xué)生了解自制試驗裝置是他們成功走向工程師的重要一步［5－6］，并結(jié)合具體的實踐案例，論述學(xué)生在自制試驗裝置活動中創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)。

1以自制試驗裝置為重要環(huán)節(jié)完善實踐教學(xué)體系

1.1現(xiàn)存的實踐教學(xué)體系缺少自制試驗裝置的環(huán)節(jié)

自1998年我國頒布了修訂后的普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄以來，我國開設(shè)環(huán)境工程專業(yè)的高校約有360所。高等院校在實驗教學(xué)中心建設(shè)方面都投入了大量的經(jīng)費，對教學(xué)儀器進行了持續(xù)的補充和更新、升級和換代，能夠很好地滿足日常的實驗教學(xué)需求。據(jù)環(huán)境工程教育專業(yè)認證委員會調(diào)查，多數(shù)高校采用傳統(tǒng)的實踐教學(xué)體系，缺乏工程特色和創(chuàng)新;以分析類、監(jiān)測類的實驗教學(xué)偏多，而工程原理和工程實驗、實踐偏少。造成這種現(xiàn)象的主要原因是市場上很容易買到分析類和監(jiān)測類儀器。但是有關(guān)工程原理和工程實驗、實踐的試驗，不僅需要現(xiàn)成的儀器，還需要與之配套的模擬試驗裝置，通過模擬設(shè)備和分析設(shè)備相結(jié)合才能更好地解決工程試驗問題。而模擬試驗裝置是根據(jù)實際問題設(shè)計的，很難找到現(xiàn)成的，需要老師自己花費大量的時間和精力來研發(fā)或與提供商進行多次溝通進行定制，一旦損壞，維修比較困難。這說明環(huán)境工程專業(yè)需要通過自制試驗裝置來完善實驗教學(xué)，同時也反映出社會需要這方面的人才。中國海洋大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)為了培養(yǎng)學(xué)生儀器使用、維護和研發(fā)的實踐能力，實驗教學(xué)中心與設(shè)備管理處聯(lián)合成立了技能實踐訓(xùn)練中心。根據(jù)現(xiàn)有的理論課程，針對相關(guān)儀器設(shè)備缺少介紹或僅作簡要介紹和實驗課程內(nèi)容難以使學(xué)生對儀器設(shè)備有更深的了解、更不可能實地親手深度操練的狀況，開展了大型儀器技術(shù)培訓(xùn)活動，并充分利用淘汰、報廢電子儀器儀表、環(huán)境監(jiān)測儀器、海洋調(diào)查儀器等常規(guī)現(xiàn)代科學(xué)儀器設(shè)備，專門設(shè)計一系列涉及儀器設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)、維護、調(diào)試以及應(yīng)用的實踐訓(xùn)練項目。面向全校本科生開設(shè)了系列專業(yè)技能拓展訓(xùn)練項目，吸引了各個專業(yè)(包括文科專業(yè))的學(xué)生，鍛煉了他們在儀器使用和維護方面的實踐能力。但就現(xiàn)階段形勢而言，許多高校還缺少讓學(xué)生自制試驗裝置的機會。雖然一些高校進行了這方面的積極探索，如受中科院“張衡計劃”的啟發(fā)，北京大學(xué)于2009年啟動了儀器創(chuàng)新與創(chuàng)制計劃;廣西大學(xué)改革了實驗課程體系和實驗教學(xué)內(nèi)容，增加了自制設(shè)備做實驗教學(xué)內(nèi)容［4］，但這種理念還有待慢慢地滲透到所有的工科類院校。

1.2讓自制試驗裝置環(huán)節(jié)融入實踐教學(xué)體系

自制試驗裝置是工科大學(xué)生應(yīng)具備的工程素質(zhì)之一。面對我國的日益復(fù)雜的環(huán)境問題，不僅要對環(huán)境工程專業(yè)增開儀器學(xué)理論、環(huán)境監(jiān)測在線監(jiān)測原理等方面的實踐課程;而且還需要在每個實踐教學(xué)模塊中增加自制試驗裝置環(huán)節(jié)，以培養(yǎng)能解決實際問題的社會需要人才。我校環(huán)境工程專業(yè)的實驗教學(xué)一般可分為3大模塊［7］:1)在專業(yè)模塊中的綜合設(shè)計性實驗和研究創(chuàng)新性實驗中可以讓學(xué)生根據(jù)實際環(huán)境問題的需要，自制模擬試驗裝置，小到自動采樣的裝置，大到解決污染過程控制的裝置。在國家或?qū)W校大學(xué)生研究訓(xùn)練計劃項目、教師從事的科研項目、教師支持下的學(xué)生自主擬題項目中，可以開設(shè)一些自制試驗裝置的項目研發(fā)，鍛煉學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。2)拓展模塊涉及自主設(shè)計、開發(fā)創(chuàng)業(yè)、技能訓(xùn)練、工程應(yīng)用等類型的實驗項目，這些項目屬于開放型實驗，更能體現(xiàn)出社會需要與當(dāng)代科技的有機鏈接。結(jié)合當(dāng)前急需解決的新環(huán)境問題，開展在線監(jiān)測儀器的自制試驗裝置項目，使知識能夠?qū)W有所用，提高學(xué)生就業(yè)的信心。3)畢業(yè)設(shè)計模塊主要是為畢業(yè)生完成畢業(yè)設(shè)計、畢業(yè)論文提供的開放型實驗。要增加畢業(yè)設(shè)計的數(shù)量，可以針對水、大氣和固體廢物等環(huán)境問題，設(shè)計自制試驗裝置來解決相應(yīng)的環(huán)境問題。

1.3通過校內(nèi)外實踐教學(xué)平臺培養(yǎng)學(xué)生的自制試驗裝置意識

我校校內(nèi)外實驗教學(xué)實踐平臺包括直屬實驗室、協(xié)作實驗室、共建實驗室、校外實習(xí)基地和東方紅2號調(diào)查船。直屬實驗室支撐著實驗教學(xué)中心、國家級實驗教學(xué)中心、教育部實驗中心，自制試驗裝置的環(huán)節(jié)在該實驗室已通過實踐教學(xué)模塊體現(xiàn)出來了。校外的協(xié)作實驗室、共建實驗室，校外實習(xí)基地，可讓學(xué)生更多地了解科研、監(jiān)測、質(zhì)檢等單位目前使用儀器的狀況、現(xiàn)有儀器存在的問題和他們對自制儀器的需求，讓學(xué)生從實踐中獲得更多的創(chuàng)新思維源泉。東方紅2號調(diào)查實習(xí)船，每年為本科生提供了較全面的海洋環(huán)境調(diào)查實踐訓(xùn)練，學(xué)生在實習(xí)的過程中會發(fā)現(xiàn)，海水是一個復(fù)雜的多組分的多相體系，包括多種有機和無機的、溶解態(tài)的和懸浮態(tài)的物質(zhì)，對海水分析帶來很大的影響。例如:大量基體鹽類對測定和儀器的影響，有些儀器不適合分析海水中的主要成分、重金屬、營養(yǎng)鹽等。海水的采樣也因研究問題的不同而不同，可能對于采海水、微表層海水、間隙水等，普通的采樣器就不合適，在實踐教學(xué)中需要注重探究實驗教學(xué)的指導(dǎo)方式，引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生自主設(shè)計、研發(fā)適應(yīng)于海洋調(diào)查的實驗裝置。

2通過自制試驗裝置培養(yǎng)大學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力

實踐能力是相對于認知能力而言的，是運用知識、技能解決實際問題的能力;具體來說，是指大學(xué)生到實際社會環(huán)境中認識問題，并且運用自身知識探索解決問題的一種能力［8］。環(huán)境工程專業(yè)與工程實際的結(jié)合度高，在專業(yè)教學(xué)中需構(gòu)建專業(yè)實踐教學(xué)體系，加強對學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［9］。在實踐教學(xué)體系中設(shè)置自制試驗裝置環(huán)節(jié)既能滿足綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性等現(xiàn)代實驗教學(xué)、實驗內(nèi)容的要求，又能把這些自制試驗裝置應(yīng)用到實踐教學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、動手能力和創(chuàng)新思維。

2.1增加知識儲備，激發(fā)創(chuàng)新意識

知識是實踐能力的基本要素之一，知識儲備是實踐技能培養(yǎng)和科學(xué)進行實踐活動的基礎(chǔ)。其不僅包括系統(tǒng)表述、能用文字等來表達的理論知識的儲備，還包括個體在各種實踐過程中積累的經(jīng)驗和感悟。自制試驗裝置需要學(xué)生對相關(guān)儀器的各種類型、功能及其優(yōu)勢和局限性有全面的掌握與了解，能夠?qū)ΜF(xiàn)有的資料進行分析與總結(jié)［11］。例如，在自制模擬工業(yè)SO2吸收實驗裝置時，學(xué)生需要進行工業(yè)脫硫方法、脫硫原理、模擬實驗裝置的流程等理論知識的學(xué)習(xí)，還要了解裝置中真空泵、流量計、減壓閥和其他配件的類型、使用條件和安裝方法等。這些知識的儲備使得學(xué)生在操作儀器時不僅僅停留在使用層面，更激發(fā)了他們對儀器裝置更深刻的反思，為發(fā)現(xiàn)儀器功能不足、激發(fā)學(xué)生自主研究提供了可能。裝置的制備過程，使學(xué)生有了制備儀器的體驗和經(jīng)驗的積累，在不斷反思和提升中有利于形成獨特的思維方式，在認識新事物、解決新問題時更容易激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，產(chǎn)生獨特的策略或技巧，并成為學(xué)生不斷參與實踐活動的動力。

2.2增強動手環(huán)節(jié)，培養(yǎng)工程能力

動手操作是掌握實踐技能的中心環(huán)節(jié)，是理論知識和經(jīng)驗內(nèi)化的過程。自制試驗裝置，需要學(xué)生通過各種渠道收集國內(nèi)外設(shè)備相關(guān)信息的收集，資料經(jīng)整理后制定初步的設(shè)計方案，通過修改、技術(shù)論證確定最終的實施方案并執(zhí)行［12］。這些過程每一個環(huán)節(jié)，大到立項、方案制定，小到各種零部件的采購、組織安裝都需要學(xué)生積極參與、親自動手，學(xué)生的實踐動手能力得到很大提高。另外，項目的順利開展需要學(xué)生同學(xué)校不同部門、社會不同行業(yè)進行溝通和協(xié)調(diào)，儀器現(xiàn)有類型需要進行市場調(diào)查，設(shè)備制作過程中需要咨詢相關(guān)專業(yè)老師的意見，這些過程直接或間接培養(yǎng)了學(xué)生解決實際問題的能力，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。實踐教學(xué)體系的完善增設(shè)了自制實驗裝置項目，使學(xué)生更多地了解校外其他單位和整個環(huán)保行業(yè)目前使用儀器的狀況和他們對新儀器的需求，突出了關(guān)于儀器制備的工程教育實踐環(huán)節(jié)和工程訓(xùn)練，增強了學(xué)生的工程意識和解決工程問題的能力。

2.3形成創(chuàng)新思維，提高綜合素質(zhì)

自制試驗裝置實踐實現(xiàn)了知識和技能向問題解決策略的轉(zhuǎn)化，激發(fā)了學(xué)生思考的積極性，啟迪了學(xué)生的思維創(chuàng)造性和各方面素質(zhì)的綜合提高。以自制試驗裝置為重要環(huán)節(jié)的人才培養(yǎng)體系為學(xué)生提供了一個良好的實踐環(huán)境，使教學(xué)實踐變成啟發(fā)、探究、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的實踐過程。通過自制試驗裝置實踐，學(xué)生由以往被動獲取知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃蛹橙≈R甚至創(chuàng)造知識，思維方式得到極大轉(zhuǎn)變，創(chuàng)新意識逐漸形成;實踐共同體的配合、教師的指導(dǎo)和實踐環(huán)境的刺激充分提高了學(xué)生團隊合作能力、心理素質(zhì)和社會交往能力等，綜合素質(zhì)得到很大提高。當(dāng)學(xué)生看到自己的成果對實驗教學(xué)和科學(xué)研究有明顯的作用時，必然會提高學(xué)習(xí)興趣，激起研發(fā)熱情。創(chuàng)新性思維是當(dāng)代大學(xué)生最需要的素質(zhì)，這是改變中國制造向中國創(chuàng)造的前提。

3學(xué)生自制試驗裝置的實踐活動的探索

自制試驗裝置是開展工程問題模擬研究的必要手段，模擬試驗具有環(huán)境條件可控性、重復(fù)性和經(jīng)濟性的優(yōu)點。同時，模擬設(shè)備的研制是工科學(xué)生從事創(chuàng)新實踐應(yīng)具備的基本能力。現(xiàn)實的環(huán)境問題也需要開展自制試驗裝置的研究。如學(xué)生在開展利用污泥啟動微生物燃料電池(MFC)處理廢水的研究創(chuàng)新型項目時，就需要研制以微生物為催化劑將儲存在有機物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為電能的廢水處理裝置。探討不同種類污泥啟動MFC時間和差異，廢水處理效率和產(chǎn)電效能的變化，當(dāng)MFC達到最大電壓時，電極微生物群落的異同及對產(chǎn)電的貢獻。當(dāng)然還需要配置電流電壓在線監(jiān)測裝置及MFC性能監(jiān)測設(shè)備，形成一整套的自制試驗裝置，開展相應(yīng)的研究。在這個裝置研發(fā)過程中，學(xué)生要儲備知識，了解整個過程的原理，激發(fā)自主研究，形成創(chuàng)新思維，完成自制試驗裝置。這套裝置花費不多，卻可以研究不同環(huán)境條件下，微生物燃料電池(MFC)處理廢水的效果。如果沒有這套裝置，就不能開展相應(yīng)的研究。在開展重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究時，需要進行土柱淋濾試驗的自制試驗裝置設(shè)計。試驗裝置可以由有機玻璃柱、供液瓶、采樣器3部分組成。為了連續(xù)采樣方便，可以設(shè)計定時控制器;為了研究不同介質(zhì)對重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響，還需要在有機玻璃柱不同深度處開設(shè)采樣孔;為了了解活性介質(zhì)對重金屬的還原、吸附、絡(luò)合、沉淀等作用，需要考慮介質(zhì)的添加方式。最后再與分析儀器結(jié)合，就能模擬不同情況下，重金屬在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。在開展污水的有機物污染物的去除、污水廠剩余污泥產(chǎn)酸發(fā)酵過程中反硝化問題、鹽堿水體的生物修復(fù)技術(shù)研究等都需要自制試驗裝置來完成各種模擬過程。只要對裝置想要實現(xiàn)的功能進行剖析，綜合運用所學(xué)的專業(yè)知識，就能在研制試驗裝置的過程中培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維。

4結(jié)束語

高校承擔(dān)著培養(yǎng)解決我國未來復(fù)雜環(huán)境問題人才的重任。通過完善培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的實踐教學(xué)體系建設(shè)，使學(xué)生能夠充分參與到自制試驗裝置的實踐中，加深對理論知識的理解，將實踐和理論緊密結(jié)合，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維，從而全面提升學(xué)生的綜合實踐能力，為我國環(huán)保行業(yè)儀器、設(shè)備的研發(fā)儲備高素質(zhì)人才。自制試驗裝置是實驗教學(xué)、科研的重要成果之一，對促進實驗教學(xué)改革、豐富教學(xué)內(nèi)容、改進實驗手段和加強實驗室建設(shè)都具有重要意義，可以在今后環(huán)保產(chǎn)業(yè)、社會經(jīng)濟、科技進步等服務(wù)項目中發(fā)揮作用并打下了良好的基礎(chǔ)。

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作者：陳友媛 許國輝 劉小麗 楊世迎 單位：中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程實驗教學(xué)中心 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院