挖掘內涵 提升形式 建設“混凝實驗”精品項目

盛 力， 劉 濤， 沈 洪， 徐竟成

(同濟大學 環境科學與工程實驗教學中心, 上海 200092)

挖掘內涵 提升形式 建設“混凝實驗”精品項目

盛 力， 劉 濤， 沈 洪， 徐竟成

(同濟大學 環境科學與工程實驗教學中心, 上海 200092)

以傳統的水處理經典實驗項目“混凝實驗”為基礎進行精品實驗建設。深入挖掘實驗內涵，為學生發揮自主性、激發興趣、鍛煉能力創造廣闊的空間。嘗試數字技術在實驗教學中的應用，實驗形式得到有效提升。內涵和形式改進將傳統實驗項目改造成能夠有效進行實踐創新能力培養的精品實驗項目。

混凝實驗； 實驗教學； 創新能力培養； 精品實驗項目； 人才培養

同濟大學開展的精品實驗項目建設強調以人才培養為核心[1-5]，通過優化影響實驗教學的各類要素，優化實驗項目內涵，把實驗項目建設成能夠幫助實現實踐能力、創新能力和綜合素質的人才培養大目標的有力手段，在實驗教學改革中引領實驗項目建設的方向。

水處理實驗技術是環境類學科本科生的主要專業實驗課之一，環境學科作為一門實踐性很強的學科，十分注重學生實踐創新能力的培養，學生的培養目標之一是具有面對日趨復雜的環境問題提出建設性解決方案的能力。本文闡述以傳統的水處理經典實驗項目“混凝實驗”為基礎進行精品實驗建設，深入挖掘實驗內涵，在實驗形式上升級實驗技術方法，將傳統實驗項目改造成能夠有效進行實踐創新能力培養的精品實驗項目。

1 傳統混凝實驗的現狀

混凝實驗是經典實驗項目，由于其不可替代的重要性，幾乎所有相關高校都在實驗教學中選擇開設。該實驗項目在實驗教學中的重要性體現在：

(1) 混凝是常規水處理工藝最重要的內容之一，同時六聯燒杯攪拌混凝實驗也是生產實踐中常用的實驗方法，有必要學習和掌握；

(2) 混凝實驗過程涉及的水中懸浮顆粒、膠體、大分子有機物、高價金屬離子及其水解產物的性質和特點的變化過程是學生了解和認識水中各項雜質組成及水質特點的有效手段，有助于學生對其他水處理工藝原理的理解和掌握；

(3) 對混凝過程涉及的水力學狀態變化過程以及對水中懸浮顆粒、膠體、有機無機絡合產物物理化學性質影響的認識,能夠幫助學生深入理解水力條件、水處理構筑物結構對水處理過程的影響。

對混凝過程的深入理解從水質化學和固液兩相流體力學2個方面為學生掌握其他水處理工藝的原理和運行特點奠定基礎。但傳統混凝實驗教學還存在一些缺欠。首先，實驗材料和操作步驟過于簡單和整齊劃一，實驗現象和實驗結果完全在指導教師的控制之下，學生只是嚴格按照講義規定的實驗步驟執行，沒有發揮主觀能動性的機會，很難激起學習和探究的興趣。其次，傳統混凝實驗通過展現出的混凝實驗參數(混凝劑的投加量、pH、水流流速梯度)變化與處理后水濁度之間的趨勢性關系，來間接說明混凝工藝的機理，不利于學生對混凝機理產生直觀的認識和從較深層次理解混凝理論。隨著對創新型人才和應用型人才培養要求的提高，這種實驗方式在學生創新素質、探究能力的培養方面發揮的作用非常有限。另外，六聯燒杯攪拌混凝實驗屬于專業實驗層次，能夠有效發揮綜合素質和實踐應用能力培養的作用，但對創新能力和思維的訓練與培養效率不高?；炷鳛橹匾膶I教學內容和實驗素材，要在創新實驗層次發揮作用，在形式和內容上還需升級和改進[6-8]。

因此我們通過實驗內容的挖掘，豐富實驗內涵，深化基本原理的體現；通過實驗形式的技術升級，強化實踐創新能力培養。實驗內容和形式的改進，強化了學生的實驗主體角色，在混凝實驗中獲得更多的知識積累和能力鍛煉。

2 增加實驗元素，搭接實驗與理論的橋梁，豐富實驗內涵

2.1 實驗材料多樣化、實驗參數自主化

在實驗課上，雖然教師是實驗的引導者，但學生才是實驗的主體[9-10]。讓學生自己選擇實驗材料、設定實驗參數，才能激勵學生深入思考實驗理論、激發學生開展探究和創新活動的興趣。要讓學生在實驗中擁有廣闊的自主空間，實驗元素應該更加豐富多彩，使實驗具有豐富的內涵[11-12]。

首先，我們將實驗用原水由高嶺土配制的懸濁液改為使用天然水體水源，混凝劑在原來只有分析純試劑硫酸鋁基礎上增加了聚合氯化鋁、聚丙烯酰胺等多種類型供學生選擇。傳統實驗所用的原水為高嶺土配制的懸濁液，混凝劑也只采用分析純試劑硫酸鋁一種。這樣做的一個重要理由是實驗現象和實驗結果穩定、容易控制，不會由于學生操作手法的差異而產生較大差別，從而由于相互之間的比較對實驗原理理論產生較多疑問。但實驗包含的機理過于簡單、實驗現象呆板，使實驗成為動手多、動腦少,甚至不動腦的過程。天然原水雜質中不但有懸浮顆粒，還有腐殖質等膠體或溶解性的多種形態物質。其混凝實驗原理不但包括顆粒的壓縮雙電層、電性中和、吸附架橋、卷掃等機理，還包括有機物與無機離子的絡合等多種機理。實驗涵蓋的理論內容更加豐富，實驗現象也與真實生產中完全相同，很容易激發起學生的學習興趣。試劑硫酸鋁在實驗中作為混凝劑只能體現壓縮雙電層和電性中和機理，聚合氯化鋁和聚丙烯酰胺在混凝過程中主要發揮吸附架橋和卷掃作用，幾種混凝劑在實驗中對比使用，使混凝的幾個主要原理都在實驗中有所體現。實驗涵蓋的理論內容大大增加，實驗現象更加生動，學生對專業知識應用能力的鍛煉效率顯著提高。

實驗材料的豐富為學生自主設定實驗參數完成實驗提供了前提條件。在教師的指導下，在混凝劑種類選擇、混凝劑投加量、攪拌強度等重要實驗條件的確定上，學生自主設定實驗參數。比如，學生在無機混凝劑的最佳投量實驗結果出來后，按照教師講解的原則判斷最佳投藥量，然后根據自己的實驗結果確定最佳投藥量后，再自主選擇與之配合的其他藥劑進一步優化混凝效果。由于參數設定不佳而實驗結果不理想，只要在實驗報告中充分討論原因，并不影響實驗成績，有興趣的學生還可以當場補做一組實驗。這種實驗模式有效激發了學生的實驗興趣，加強了預習，對實驗投入了更多的關注。學生不但增加了許多混凝過程的感性認識，對教材中沒有涉及到的一些與混凝相關的理論知識也有很大收獲。

實驗內容的擴充給教師增加了很大的工作量和工作強度，內容的增加對教師也提出了更高的要求。教師要對混凝理論有較深入全面的理解，同時也要有一定的與混凝相關的實踐經驗，教師也要在教學改革過程中不斷充實自己。

2.2 懸浮顆粒zeta電位測定融入混凝實驗

六聯燒杯攪拌混凝實驗效果只能通過系列實驗歸納總結出混凝劑種類和投量、混凝pH值、攪拌強度等因素對混凝靜沉后水濁度的影響規律，以此間接體現混凝過程的主要機理。學生無法從實驗中直接建立起混凝機理與實驗結果的聯系，對混凝的基本理論難以通過實驗產生深刻的認識。為此，我們將zeta電位測定引入到混凝實驗中，搭接一個理論與實驗連通的橋梁。

zeta電位測定環節的操作首先加深了學生對壓縮雙電層和電性中和混凝機理的深入理解。實驗要求學生用微電泳儀測定原水中加入不同數量混凝劑后或不同pH值的水中懸浮顆粒表面電動電位(zeta電位)的變化情況，歸納顆粒zeta電位隨混凝劑投量或水pH值的變化趨勢以及zeta電位對混凝沉淀效果的影響規律，從而認識到顆粒電性對混凝過程的作用機理。分析了顆粒zeta電位對混凝過程的作用之后，還可以進行知識延伸。通過引導學生就pH值對混凝劑水解產物和流速梯度對混凝過程的影響進行討論，深入認識混凝劑化學性質及混凝水力條件對混凝過程的作用。在加深理論理解的同時，學生還學習到一種科研實驗中zeta電位的測定方法，這一環節顯著提高了學生對實驗的興趣，增加了學生獲取的知識量。

水中微粒zeta電位測定內容的融入不僅使學生對壓縮雙電層和電性中和機理有了直觀認識，對一些實驗現象的分析也能夠促進對混凝其他機理進行更深入細致的消化理解。比如，在以硫酸鋁單體作為混凝劑的實驗中，混凝劑投量為50 mg/L上下時，沉后水濁度達到較好的水平，混凝劑投量繼續增加，沉后水濁度并沒有明顯變化，甚至逐漸有增加的趨勢。而懸浮顆粒zeta電位測定值在投量50 mg/L時為-25 mv，隨著混凝劑投量的增加繼續有所上升(見圖1)?；炷恋硇Ч⑽措S著懸浮顆粒zeta電位的逐漸提高向零趨近而進一步改善，這一現象單純用壓縮雙電層和電性中和機理理論無法解釋，引發了積極踴躍的討論。學生從多個角度進行了分析，尋找原因。最終大家形成一個共識就是，顆粒zeta電位在較大的負值(-20 mV)時即接近最優混凝效果，說明其他因素在混凝過程中發揮了作用，這種因素極有可能是混凝劑溶液中鋁離子在存放過程中發生了水解聚合，生成的鋁聚集體在混凝過程中發揮吸附架橋和卷掃作用?；炷齽┩读坷^續增加鋁聚集體主導混凝過程，不會由于zeta電位繼續升高而混凝效果進一步改善。通過這一實驗現象的分析，學生對鋁鹽混凝劑的不同形態在混凝過程中的作用有了深入的理解，對混凝主要機理有了更全面的認識。

圖1 沉后水濁度及顆粒zeta電位隨混凝劑投量的變化

學生教學效果反饋表明，改進后的混凝實驗對學生相關物理化學、水分析化學、水處理工程知識進行綜合應用和掌握能力以及全面分析問題、解決問題能力的鍛煉起到了明顯的促進作用，激發了學生探索水處理科學技術的興趣。

3 升級實驗形式，利用新的實驗技術方法進行實踐和創新能力鍛煉

六聯燒杯攪拌實驗屬于靜態實驗，在生產上用于輔助運行參數的確定，而在科研中主要用于混凝過程化學問題的研究，對于混凝其他方面問題的探索難以有效發揮作用，單純六聯燒杯實驗在實踐創新能力培養上效能有限。因此，我們增加了動態的連續流混凝實驗方式，結合專業前沿相關問題為有學有余力的同學開展“在線連續流混凝實驗”(見圖2)。

圖2 在線連續流混凝實驗系統

連續流混凝實驗擁有靜態實驗不具備的一些優勢，不但能夠對混凝工藝展開全面的探索，而且在實驗過程中學生還可以對實際生產中的混凝工藝系統的構成、運行、操作控制有更貼近的認識。但連續流實驗還有一些不利于開展的因素，實驗周期長、水樣檢測工作量大，實驗的進行會占用學生大塊的時間和精力，對于本科生來說實施難度較大?；谝陨纤伎?，我們設計建設了在線連續流水處理工藝實驗系統。系統用在線濁度儀、懸浮物分析儀等儀表代替人工檢測，實驗數據自動發布到網絡上供下載分享，同時通過登錄網絡遠程控制工藝實驗操作。系統實現了以下功能：

(1) 幫助學生進一步了解水處理構筑物結構、了解構筑物中水流走向、形態，增加感官認識；

(2) 幫助學生熟悉水處理工藝系統操作流程，了解配套閥門、水泵等機械設備運行操作流程；

(3) 了解 “翻池”等實際水處理過程中經常出現的現象的成因及預防措施，了解實際生產運行各環節需把握的要點；(4) 觀察思考不同水質參數、運行條件下各工藝段處理效果的變化，深入理解其中的物理、化學作用機理(見圖3)。

圖3 相同化學條件下靜態混凝與連續流混凝形態差異

實驗系統將學生從繁冗的實驗操作中解脫出來，使學生能夠做內容更復雜、難度更大的實驗，經歷了一次全面的分析研究問題的過程，實驗技能得到全面的鍛煉、綜合能力得到全面的提高，實踐創新能力得到更有效的培養。

4 結束語

通過內容挖掘和形式提升，水處理經典實驗項目“混凝實驗”煥發了新的活力，精品實驗項目建設完成后在幾屆學生的教學中都獲得了很好的反響，獲得同濟大學第4期精品實驗優秀項目稱號。傳統實驗項目要在實踐和創新能力培養中發揮更大的作用就必須在

內容挖掘和形式改進上下功夫，實驗項目建設可以根據能力培養目標(專業應用能力層次還是創新能力層次)的不同而選擇不同的改進途徑。

References)

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[3] 徐寧，牟建明.“精品實驗項目”經典屬性的探索[J].實驗技術與管理，2012，29(3)：24-26.

[4] 張嫻，王士芬，徐竟成.建設精品實驗項目 深化創新人才教育[J].實驗室研究與探索，2011，30(11)：87-89.

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[11] 蔡琳，林麗，葉發青,等.生物制藥專業實踐教學創新模式的探索[J].化工高等教育，2014(4)：56-58.

[12] 王麗萍，張潔，何士龍.大學生實踐創新能力培養模式[J].實驗室研究與探索，2012，31(10)：313-315.

Constructing an excellent item of “coagulation experiment” throughexcavating contents and upgrading forms

Sheng Li, Liu Tao, Shen Hong, Xu Jingcheng

(College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

An excellent experimental project was constructed on the basis of “coagulation experiment”, a classic item of water treatment experiment. A wide room was created for students to exert self positivity, kindle enthusiasm and practical ability by the way of excavating experimental contents. Digital technology was adopted in order to upgrade experimental form effectively. A classic experimental item is reconstructed into an excellent item, which could actualize training of practice and innovation ability efficiently, through the improvement of contents and forms.

coagulation experiment； experimental teaching； cultivation of innovation ability; excellent experimental item； cultivation of talents

2014- 10- 27 修改日期：2014- 12- 13

教育部“國家級實驗教學示范中心建設”項目(教高函[2009]28號)；上海市教委“環境科技創新人才培養基地長效運行機制”項目(10DZ120010A)；同濟大學精品實驗建設項目(0400104092)

盛力(1971—)，男，吉林白城，副教授，研究方向為水質深度處理技術及實驗教學.

E-mail：shengli@#edu.cn

TU991； G642.423

A

1002-4956(2015)5- 0028- 03