环境工程试验装置学生实践能力探析

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摘要:我国当代环境问题错综复杂，现有的环保仪器跟不上时展的需求，国外高端环保设备也不完全适应我国国情，因此，培养研发环保仪器的人才刻不容缓。该文以自制试验装置为重要环节探讨了如何完善环境工程专业实践教学体系，分析了自制试验装置如何促进大学生的实践技能和创新意识的培养，结合自制试验装置的案例，从不同角度阐述了自制试验装置对培养环境工程专业学生创新思维和实践能力的作用。

关键词:自制试验装置;环境工程;实践能力;实践教学;创新思维

现代科技的重大突破越来越依赖于先进的科研仪器，掌握了最先进的科学仪器研发技术，就掌握了科技发展的主动权［1］。当前我国环境问题呈现出综合性、复杂性、地域性、时间性的特征，现有的环保仪器跟不上时展的需求，而具有世界领先水平技术的环保仪器，在引进的过程中又存在技术垄断［2］，这严重地阻碍了我国绿色GDP的实现。因此，高等院校作为国家环境工程人才培养的重要基地，应在本科阶段培养学生具备研发仪器的工程素质和实践能力，为我国自主研发环保设备做贡献。强化培养学生的实践能力和创新思维是人才培养的根本要求［3］，环境工程专业是一个实践性很强的工科专业，实践环节在工科学生综合能力培养中的地位尤为重要。为落实我国中长期人才发展规划，2010年6月国家启动“卓越工程师教育培养计划”;2013年6月19日，我国成为《华盛顿协议》预备会员后，环境工程专业可通过工程教育专业认证，使毕业生可以在协约国申请工程师职业资格。这都指明了我国工科类专业高等教育今后发展的方向，即要培养具有卓越的工程素质和实践能力的大学生。学生在高校实践教学体系中参与实践活动是提高学生工程素质和实践能力的主要方式。自制试验装置是一种培养学生创新思维、增强学生专业实践能力和综合能力的有效手段。国外高校工科类实验室基本都有教师或学生自制的实验仪器，来解决一些实验过程中采样、模拟和工程控制的问题。国内大学的一些实验室也把自制仪器作为实验教学示范中心的特色来建设［2－4］。这不仅促进了教学，还能够丰富、活跃学生的科学思维，加深对理论知识的理解，培养学生良好的动手能力和创新思维。因此，本文把加强自制试验装置作为环境工程专业实验教学的重要环节来建设，完善实践教学体系，形成制度，让学生了解自制试验装置是他们成功走向工程师的重要一步［5－6］，并结合具体的实践案例，论述学生在自制试验装置活动中创新思维和实践能力的培养。

1以自制试验装置为重要环节完善实践教学体系

1.1现存的实践教学体系缺少自制试验装置的环节

自1998年我国颁布了修订后的普通高等学校本科专业目录以来，我国开设环境工程专业的高校约有360所。高等院校在实验教学中心建设方面都投入了大量的经费，对教学仪器进行了持续的补充和更新、升级和换代，能够很好地满足日常的实验教学需求。据环境工程教育专业认证委员会调查，多数高校采用传统的实践教学体系，缺乏工程特色和创新;以分析类、监测类的实验教学偏多，而工程原理和工程实验、实践偏少。造成这种现象的主要原因是市场上很容易买到分析类和监测类仪器。但是有关工程原理和工程实验、实践的试验，不仅需要现成的仪器，还需要与之配套的模拟试验装置，通过模拟设备和分析设备相结合才能更好地解决工程试验问题。而模拟试验装置是根据实际问题设计的，很难找到现成的，需要老师自己花费大量的时间和精力来研发或与提供商进行多次沟通进行定制，一旦损坏，维修比较困难。这说明环境工程专业需要通过自制试验装置来完善实验教学，同时也反映出社会需要这方面的人才。中国海洋大学环境工程专业为了培养学生仪器使用、维护和研发的实践能力，实验教学中心与设备管理处联合成立了技能实践训练中心。根据现有的理论课程，针对相关仪器设备缺少介绍或仅作简要介绍和实验课程内容难以使学生对仪器设备有更深的了解、更不可能实地亲手深度操练的状况，开展了大型仪器技术培训活动，并充分利用淘汰、报废电子仪器仪表、环境监测仪器、海洋调查仪器等常规现代科学仪器设备，专门设计一系列涉及仪器设计原理、结构、维护、调试以及应用的实践训练项目。面向全校本科生开设了系列专业技能拓展训练项目，吸引了各个专业(包括文科专业)的学生，锻炼了他们在仪器使用和维护方面的实践能力。但就现阶段形势而言，许多高校还缺少让学生自制试验装置的机会。虽然一些高校进行了这方面的积极探索，如受中科院“张衡计划”的启发，北京大学于2009年启动了仪器创新与创制计划;广西大学改革了实验课程体系和实验教学内容，增加了自制设备做实验教学内容［4］，但这种理念还有待慢慢地渗透到所有的工科类院校。

1.2让自制试验装置环节融入实践教学体系

自制试验装置是工科大学生应具备的工程素质之一。面对我国的日益复杂的环境问题，不仅要对环境工程专业增开仪器学理论、环境监测在线监测原理等方面的实践课程;而且还需要在每个实践教学模块中增加自制试验装置环节，以培养能解决实际问题的社会需要人才。我校环境工程专业的实验教学一般可分为3大模块［7］:1)在专业模块中的综合设计性实验和研究创新性实验中可以让学生根据实际环境问题的需要，自制模拟试验装置，小到自动采样的装置，大到解决污染过程控制的装置。在国家或学校大学生研究训练计划项目、教师从事的科研项目、教师支持下的学生自主拟题项目中，可以开设一些自制试验装置的项目研发，锻炼学生的实践创新能力。2)拓展模块涉及自主设计、开发创业、技能训练、工程应用等类型的实验项目，这些项目属于开放型实验，更能体现出社会需要与当代科技的有机链接。结合当前急需解决的新环境问题，开展在线监测仪器的自制试验装置项目，使知识能够学有所用，提高学生就业的信心。3)毕业设计模块主要是为毕业生完成毕业设计、毕业论文提供的开放型实验。要增加毕业设计的数量，可以针对水、大气和固体废物等环境问题，设计自制试验装置来解决相应的环境问题。

1.3通过校内外实践教学平台培养学生的自制试验装置意识

我校校内外实验教学实践平台包括直属实验室、协作实验室、共建实验室、校外实习基地和东方红2号调查船。直属实验室支撑着实验教学中心、国家级实验教学中心、教育部实验中心，自制试验装置的环节在该实验室已通过实践教学模块体现出来了。校外的协作实验室、共建实验室，校外实习基地，可让学生更多地了解科研、监测、质检等单位目前使用仪器的状况、现有仪器存在的问题和他们对自制仪器的需求，让学生从实践中获得更多的创新思维源泉。东方红2号调查实习船，每年为本科生提供了较全面的海洋环境调查实践训练，学生在实习的过程中会发现，海水是一个复杂的多组分的多相体系，包括多种有机和无机的、溶解态的和悬浮态的物质，对海水分析带来很大的影响。例如:大量基体盐类对测定和仪器的影响，有些仪器不适合分析海水中的主要成分、重金属、营养盐等。海水的采样也因研究问题的不同而不同，可能对于采海水、微表层海水、间隙水等，普通的采样器就不合适，在实践教学中需要注重探究实验教学的指导方式，引导、启发学生自主设计、研发适应于海洋调查的实验装置。

2通过自制试验装置培养大学生的实践创新能力

实践能力是相对于认知能力而言的，是运用知识、技能解决实际问题的能力;具体来说，是指大学生到实际社会环境中认识问题，并且运用自身知识探索解决问题的一种能力［8］。环境工程专业与工程实际的结合度高，在专业教学中需构建专业实践教学体系，加强对学生工程实践能力和创新能力的培养［9］。在实践教学体系中设置自制试验装置环节既能满足综合性、设计性、创新性等现代实验教学、实验内容的要求，又能把这些自制试验装置应用到实践教学，培养了学生的学习能力、动手能力和创新思维。

2.1增加知识储备，激发创新意识

知识是实践能力的基本要素之一，知识储备是实践技能培养和科学进行实践活动的基础。其不仅包括系统表述、能用文字等来表达的理论知识的储备，还包括个体在各种实践过程中积累的经验和感悟。自制试验装置需要学生对相关仪器的各种类型、功能及其优势和局限性有全面的掌握与了解，能够对现有的资料进行分析与总结［11］。例如，在自制模拟工业SO2吸收实验装置时，学生需要进行工业脱硫方法、脱硫原理、模拟实验装置的流程等理论知识的学习，还要了解装置中真空泵、流量计、减压阀和其他配件的类型、使用条件和安装方法等。这些知识的储备使得学生在操作仪器时不仅仅停留在使用层面，更激发了他们对仪器装置更深刻的反思，为发现仪器功能不足、激发学生自主研究提供了可能。装置的制备过程，使学生有了制备仪器的体验和经验的积累，在不断反思和提升中有利于形成独特的思维方式，在认识新事物、解决新问题时更容易激发学生的创新意识，产生独特的策略或技巧，并成为学生不断参与实践活动的动力。

2.2增强动手环节，培养工程能力

动手操作是掌握实践技能的中心环节，是理论知识和经验内化的过程。自制试验装置，需要学生通过各种渠道收集国内外设备相关信息的收集，资料经整理后制定初步的设计方案，通过修改、技术论证确定最终的实施方案并执行［12］。这些过程每一个环节，大到立项、方案制定，小到各种零部件的采购、组织安装都需要学生积极参与、亲自动手，学生的实践动手能力得到很大提高。另外，项目的顺利开展需要学生同学校不同部门、社会不同行业进行沟通和协调，仪器现有类型需要进行市场调查，设备制作过程中需要咨询相关专业老师的意见，这些过程直接或间接培养了学生解决实际问题的能力，提高了学生的综合素质。实践教学体系的完善增设了自制实验装置项目，使学生更多地了解校外其他单位和整个环保行业目前使用仪器的状况和他们对新仪器的需求，突出了关于仪器制备的工程教育实践环节和工程训练，增强了学生的工程意识和解决工程问题的能力。

2.3形成创新思维，提高综合素质

自制试验装置实践实现了知识和技能向问题解决策略的转化，激发了学生思考的积极性，启迪了学生的思维创造性和各方面素质的综合提高。以自制试验装置为重要环节的人才培养体系为学生提供了一个良好的实践环境，使教学实践变成启发、探究、培养创新思维的实践过程。通过自制试验装置实践，学生由以往被动获取知识转变为主动汲取知识甚至创造知识，思维方式得到极大转变，创新意识逐渐形成;实践共同体的配合、教师的指导和实践环境的刺激充分提高了学生团队合作能力、心理素质和社会交往能力等，综合素质得到很大提高。当学生看到自己的成果对实验教学和科学研究有明显的作用时，必然会提高学习兴趣，激起研发热情。创新性思维是当代大学生最需要的素质，这是改变中国制造向中国创造的前提。

3学生自制试验装置的实践活动的探索

自制试验装置是开展工程问题模拟研究的必要手段，模拟试验具有环境条件可控性、重复性和经济性的优点。同时，模拟设备的研制是工科学生从事创新实践应具备的基本能力。现实的环境问题也需要开展自制试验装置的研究。如学生在开展利用污泥启动微生物燃料电池(MFC)处理废水的研究创新型项目时，就需要研制以微生物为催化剂将储存在有机物中的化学能转变成为电能的废水处理装置。探讨不同种类污泥启动MFC时间和差异，废水处理效率和产电效能的变化，当MFC达到最大电压时，电极微生物群落的异同及对产电的贡献。当然还需要配置电流电压在线监测装置及MFC性能监测设备，形成一整套的自制试验装置，开展相应的研究。在这个装置研发过程中，学生要储备知识，了解整个过程的原理，激发自主研究，形成创新思维，完成自制试验装置。这套装置花费不多，却可以研究不同环境条件下，微生物燃料电池(MFC)处理废水的效果。如果没有这套装置，就不能开展相应的研究。在开展重金属在土壤中的迁移转化规律研究时，需要进行土柱淋滤试验的自制试验装置设计。试验装置可以由有机玻璃柱、供液瓶、采样器3部分组成。为了连续采样方便，可以设计定时控制器;为了研究不同介质对重金属的迁移转化规律的影响，还需要在有机玻璃柱不同深度处开设采样孔;为了了解活性介质对重金属的还原、吸附、络合、沉淀等作用，需要考虑介质的添加方式。最后再与分析仪器结合，就能模拟不同情况下，重金属在土壤中的迁移转化规律。在开展污水的有机物污染物的去除、污水厂剩余污泥产酸发酵过程中反硝化问题、盐碱水体的生物修复技术研究等都需要自制试验装置来完成各种模拟过程。只要对装置想要实现的功能进行剖析，综合运用所学的专业知识，就能在研制试验装置的过程中培养学生的实践能力和创新思维。

4结束语

高校承担着培养解决我国未来复杂环境问题人才的重任。通过完善培养学生实践能力的实践教学体系建设，使学生能够充分参与到自制试验装置的实践中，加深对理论知识的理解，将实践和理论紧密结合，激发他们的创新思维，从而全面提升学生的综合实践能力，为我国环保行业仪器、设备的研发储备高素质人才。自制试验装置是实验教学、科研的重要成果之一，对促进实验教学改革、丰富教学内容、改进实验手段和加强实验室建设都具有重要意义，可以在今后环保产业、社会经济、科技进步等服务项目中发挥作用并打下了良好的基础。

参考文献

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［11］单永明.学生自制设备的实践与探索［J］.实验技术与管理，2012，29(10):28－32.

作者：陈友媛 许国辉 刘小丽 杨世迎 单位：中国海洋大学环境科学与工程实验教学中心 环境科学与工程学院