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我校環境科學與工程系于2005級環境工程專業本科生第一次開設《環境工程原理》課程,采用胡洪營教授主編的《環境工程原理》,一直由本文作者擔任理論課程和實踐環節的教學工作。在多年的教學過程中,對《環境工程原理》這門新課程的教學模式,尤其是課程實驗的教學進行了較為深入的探索和思考。
1環境工程原理課程實驗教學特點
《環境工程原理》是基礎理論向工程技術過渡的課程,它抽象出了環境工程學科的基本理論和普遍規律,其特點決定了教材難以理解,再加上內容多,公式推導繁瑣,本人在教學過程中,發現多半數的學生對本課程的學習興趣不高,在學習中往往體會不到該課程的樂趣,體會不到重要性,總覺得用處不大,學習中也就自然缺乏了主觀能動性[4]。由于我們課時有限(理論教學50課時,實驗教學20課時),在理論課的教學中,我們結合本學科的側重點,對內容進行了小范圍的適當刪節和調整,簡化理論推導過程,增強公式的理解和應用,注重公式的應用條件。《環境工程原理》的實踐教學同樣包括課程實驗和課程設計兩大部分(課程設計探索下文再敘),課程的特點決定了實踐教學與理論教學占同等重要的地位,因為實踐環節的訓練能使學生把環境工程原理的理論來提高工程實踐的思維方式、分析能力和創新能力。這樣讓學生切身感受到環境工程原理的實際應用價值,激發學習能動性。
2環境工程原理課程實驗教學體系
2.1環境工程原理課程實驗教學安排
盡管《環境工程原理》在國內高校已開設多年,但是相關的課程實驗教材參考資料幾乎沒有。自我系開設《環境工程原理》課程以來,一直非常重視實踐環節尤其是課程實驗的安排、改革、研討與建設。因此結合《環境工程原理》課程實驗的特點和我系所在的生物與化學工程學院的學科優勢(我院具有較強的應用化學、化工、生物技術和生物工程等7個本科專業和環境科學與工程一級學科碩士點、應用化學、微生物、發酵工程等9個二級學科碩士點),我系《環境工程原理》安排了20個學時的課程實驗,幾乎涉及到課程大部分篇章。我們對《環境工程原理》課程實驗的安排主要考慮原則是《環境工程原理》實驗要區別于《環境工程專業實驗》,例如沉降是《環境工程原理》重要的基礎理論,也是《大氣污染控制工程》的重力沉降室、《水污染控制工程》的沉砂池(沉淀池)的重要工程理論,在水處理實驗中,我們也開設沉降實驗(包括自由沉降和絮凝沉降實驗),因此在《環境工程原理》課程實驗教學講授的方式、深度和范圍,及如何有效和后續專業課程實驗有所區別又能巧妙的銜接對《環境工程原理》課程實驗是非常重要的。最重要的是理論闡述與工程實際相結合,激發學生學習興趣和能動性。所以我們在工業中廣泛應用的單元操作的基礎上,運用環境工程原理基礎理論,提高綜合性、設計性實驗的比例,既使學生了解每個單元操作的基本原理,有能使學生理解這個單元操作在環境工程中的應用,以更寬泛的視覺和更高的高度來看待這些操作,使學生不拘泥于工業操作的模式,使學生可以根據每個單元操作的原理獨立設計實驗,以充分調動學生的創新能力和綜合能力。同時,通過“深化”課程實驗內容,學生可以借助理論知識和課程實驗來發現當前應用的環境工程處理單元的原理和優缺點,提出改進的方向是個重要的課題,也為今后環境工程設計打下基礎。
2.2環境工程原理課程實驗教學設計
我系《環境工程原理》課程實驗以前主要參考和使用《化工原理》實驗教學設備,基本上是通過單元設備和仿真實驗來實際觀察設備的工作狀況,驗證課堂講授的基本內容。我們充分借鑒和吸收《化工原理》、《反應工程原理》和《生物工程原理》等課程實驗,在這個基礎上,結合《環境工程原理》課程特點重新進行了設計和優化。我們擬將《環境工程原理》實驗分為三個層次:基礎實驗、提高型實驗(設計型實驗)、研究型實驗[5]。第一層次是基礎實驗,即教學大綱所要求的實驗項目,包括流體流動阻力系數的測定、孔板流量計校核實驗和吸附等溫線實驗等必做基礎實驗。第二層次為設計型實驗,補充基礎實驗中未體現而在工業中廣泛應用的單元操作,包括恒壓過濾常數測定實驗、吸附動力學實驗及超濾膜實驗等選做實驗。第三層次就是是研究型實驗。例如污染物降解菌的間歇培養實驗(CSTR)實驗。在具體的實驗教學過程中,比如流體流動和流體機械實驗,過濾實驗和吸收實驗,我們主要充分參考了《化工原理》實驗成熟的實驗設置。比如吸附實驗,為了有別于《水污染控制工程》的吸附實驗以及抽象出吸附基本理論,我們設計了吸附等溫線實驗和吸附動力學實驗,這樣不僅使學生深入理解吸附的基本理論,比如Langmuir和Freundlich等溫線,看看他們的相關性系數R2,得出更符合L或者F的等溫線,又可以很好與第三篇反應動力學結合起來,通過研究吸附速率,就是吸附量與時間的關系得出吸附過程是否符合一級或二級吸附動力學。比如沉降,我們開設落球自由沉降實驗,通過這個實驗使學生更能理解流體的Re對自由沉降的影響,熟練掌握Stocks公式的應用,并且理解Stocks定律用落球法測定液體粘度的原理和方法,這樣以能顯著區別于《水污染控制工程》的自由沉降實驗又能使學生深入理解沉降的基本理論。
3結語
《環境工程原理》是環境工程專業中不可缺的專業基礎課,是一門理論與實際結合的重要課程,通過近幾年教學摸索,筆者認為通過安排合理的基礎實驗、設計型提高實驗以及綜合研究型實驗是對理論教學的一個重要的補充,更重要的是使學生能在理論高度上提高對工程實踐的專業深度、思維方式、分析和創新能力。因此《環境工程原理》實踐環節的教學模式,尤其是課程實驗的設計和優化仍是當前《環境工程原理》教學改革與實踐過程中需要重點思考的問題。
作者:唐海徐建平蔡昌鳳徐大勇宋珍霞顏酉斌單位:安徽工程大學生物與化學工程學院