劉 佳, 沈 洪, 盛 力, 唐賢春, 施鼎方, 徐竟成, 黃翔峰

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,環(huán)境科學(xué)與工程國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 上海 200092)

環(huán)境問題是21世紀(jì)的全球性熱點(diǎn)問題,環(huán)境污染問題從過去的單一性污染、局部污染發(fā)展成為復(fù)合性污染和區(qū)域性污染。環(huán)境學(xué)科的發(fā)展也呈現(xiàn)了學(xué)科交叉跨度大、學(xué)科前沿發(fā)展快、社會(huì)需求多樣等特點(diǎn),相應(yīng)要求培養(yǎng)的環(huán)境人才具有自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力以及應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境問題所需要的廣闊視野和綜合素質(zhì)[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是環(huán)境學(xué)科提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[2],是實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)向復(fù)雜問題解決能力轉(zhuǎn)化的重要途徑[3]。傳統(tǒng)環(huán)境實(shí)驗(yàn)教學(xué)受教學(xué)形式和教學(xué)時(shí)長(zhǎng)所限,實(shí)驗(yàn)課以單元實(shí)驗(yàn)過程的演示和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)果的驗(yàn)證為主,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、方式和評(píng)價(jià)方式限制了學(xué)生思維能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

起源于美國(guó)著明教學(xué)家和社會(huì)學(xué)家Elliot Aronson(埃利奧特·阿倫德森)的Jigsaw(拼圖課堂)教學(xué)模式，是一種基于合作學(xué)習(xí)環(huán)境下的教學(xué)模式,通過個(gè)人或小組學(xué)習(xí)特定內(nèi)容的部分信息成為專家后,將自己掌握的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)及研究成果分享給其他學(xué)生,以此完成全班學(xué)生對(duì)于全部特定內(nèi)容的學(xué)習(xí)[4]。多項(xiàng)研究表明,Jigsaw教學(xué)模式能夠促進(jìn)學(xué)生積極、自主地參與學(xué)習(xí),是一種面向?qū)嶋H復(fù)雜問題解決類學(xué)科的有效教學(xué)方法[5]。目前,Jigsaw教學(xué)模式在我國(guó)大學(xué)英語(yǔ)教學(xué)、計(jì)算機(jī)、臨床醫(yī)學(xué)[6]等學(xué)科中已有實(shí)踐應(yīng)用。

新建設(shè)的“剩余污泥減量化項(xiàng)目”來源于污水處理廠剩余污泥厭氧消化工藝的實(shí)際問題,面向環(huán)境工程、環(huán)境科學(xué)和給排水科學(xué)與工程大四年級(jí)學(xué)生。學(xué)生已具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以及動(dòng)手實(shí)踐能力,但在自主學(xué)習(xí)能力、合作學(xué)習(xí)能力和思辨能力方面尚需培養(yǎng),因此本實(shí)驗(yàn)探索了以Jigsaw合作式學(xué)習(xí)模式設(shè)計(jì)環(huán)境學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,滿足人才培養(yǎng)的需要。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速,污水處理量和污水處理率不斷增加,隨之而產(chǎn)生的剩余污泥量也與日俱增。剩余污泥目前常用的處理方式主要有填埋、焚燒、厭氧消化等。厭氧消化因其能夠最大限度降解污泥中的有機(jī)物，使其轉(zhuǎn)化為沼氣實(shí)現(xiàn)能源化,因而最具社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢(shì)[7]。但是在污泥厭氧消化過程中,由于污泥中微生物細(xì)胞壁阻礙了有機(jī)物的水解,污泥的水解過程是整個(gè)厭氧消化過程的限速步驟。采用適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可以在較短時(shí)間內(nèi)將污泥水解,提高污泥厭氧消化效率[8]。近年來,污泥熱堿聯(lián)合處理法在污泥預(yù)處理中得到關(guān)注。

剩余污泥在熱處理中,高溫促使微生物細(xì)胞蛋白質(zhì)變性,細(xì)胞膜上的載體蛋白發(fā)生變化,脂質(zhì)雙分子層溶解產(chǎn)生孔洞,進(jìn)而細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物(蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等)得以釋放[9]。而堿可以減弱污泥中微生物細(xì)胞壁對(duì)高溫的抵抗力,使細(xì)胞受熱時(shí)更容易破裂,從而釋放出大量的有機(jī)物(如蛋白質(zhì)、碳水化合物等)[10]。在熱堿處理過程中,污泥的性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變,有利于后續(xù)的污泥處理[11]。研究表明,在熱堿處理過程中對(duì)污泥特性影響較大的因素有溫度、pH值、處理時(shí)間、污泥濃度、加熱方式、加堿種類等[12]。

本實(shí)驗(yàn)開展要求學(xué)生掌握以下目標(biāo)：

(1) 了解剩余污泥的主要結(jié)構(gòu)特征、物質(zhì)組成及處理情況。

(2) 了解污泥厭氧消化技術(shù)的原理、發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)難點(diǎn)。

(3) 掌握剩余污泥熱處理、堿處理及熱堿處理技術(shù)的主要原理及反應(yīng)條件。

(4) 掌握用多種指標(biāo)來分析和確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2 Jigsaw學(xué)習(xí)、討論與分享

1.2.1 布置Jigsaw學(xué)習(xí)討論任務(wù)

圍繞實(shí)驗(yàn)主題“剩余污泥減量化”,將研究主題拆分成4個(gè)知識(shí)點(diǎn),每個(gè)知識(shí)點(diǎn)列出3個(gè)以上討論要點(diǎn)。

知識(shí)點(diǎn)一：剩余污泥處理現(xiàn)狀,討論要點(diǎn)包括上海污泥處理現(xiàn)狀、污泥處理發(fā)展趨勢(shì)、污泥減量技術(shù)類型等；

知識(shí)點(diǎn)二：剩余污泥厭氧消化技術(shù),討論要點(diǎn)包括污泥厭氧消化原理、污泥能源化瓶頸、污泥破壁技術(shù)等；

知識(shí)點(diǎn)三：剩余污泥結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成,討論要點(diǎn)包括污泥形態(tài)、結(jié)構(gòu)、粒徑,胞外聚合物組成及提取方法,胞外聚合物功能等；

知識(shí)點(diǎn)四：剩余污泥熱堿預(yù)處理,討論要點(diǎn)包括熱堿處理原理、熱堿處理影響因素、處理后評(píng)價(jià)污泥特性指標(biāo)等。

1.2.2 個(gè)人學(xué)習(xí)—小組討論—交流展示

在此基礎(chǔ)上將學(xué)生分組,每組指定一個(gè)知識(shí)點(diǎn),小組的每位學(xué)生拿到一篇相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行個(gè)人獨(dú)立閱讀10 min,之后進(jìn)行組內(nèi)討論10 min,最后在組內(nèi)形成討論結(jié)果制作海報(bào)。在交流展示環(huán)節(jié),按照知識(shí)要點(diǎn)順序每組派一名學(xué)生在5 min時(shí)間內(nèi)分享小組討論結(jié)果,即圍繞指定的討論要點(diǎn)給出主要結(jié)論,并接受其他小組質(zhì)疑。

1.2.3 教師總結(jié)點(diǎn)評(píng)并提出實(shí)驗(yàn)方案

每組學(xué)生匯報(bào)時(shí),教師根據(jù)學(xué)生匯報(bào)結(jié)果將課程相關(guān)要點(diǎn)摘錄并撰寫在黑板上,如影響實(shí)驗(yàn)效果的溫度、pH、堿投量等實(shí)驗(yàn)條件,待全部小組知識(shí)點(diǎn)匯報(bào)完成后,將這些要點(diǎn)進(jìn)一步解釋,同時(shí)給出本次實(shí)驗(yàn)中的這些指標(biāo)的設(shè)定值,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)關(guān)鍵影響因素的認(rèn)識(shí)。

1.3 剩余污泥減量化實(shí)驗(yàn)操作

(1) 單獨(dú)堿處理對(duì)剩余污泥減量化/破解率影響研究?？疾煸诔貤l件下,一定堿投加量(1.0 g/L、 3.0 g/L) 條件下,單獨(dú)堿處理1.5 h對(duì)剩余污泥減量化的處理效果。

(2) 單獨(dú)熱處理對(duì)剩余污泥減量化/破解率影響研究?？疾煸?0 ℃加熱條件下,單獨(dú)加熱條件處理1.5 h對(duì)剩余污泥減量化的處理效果。

(3) 熱—堿聯(lián)用對(duì)剩余污泥減量化/破解率影響研究?？疾煸?0 ℃加熱條件下,一定堿投加量(1.0 g/L、3.0 g/L),熱—堿聯(lián)用處理1.5 h對(duì)剩余污泥減量化的處理效果。

1.4 減量化效果檢測(cè)與評(píng)價(jià)

對(duì)以上條件得到的處理后污泥樣品進(jìn)行離心,分別得到上清液和污泥剩余殘?jiān)Ｉ锨逡簻y(cè)定溶解性有機(jī)物含量(SCOD),污泥殘?jiān)鼫y(cè)定總懸浮物濃度(TSS),然后采用污泥減量程度(RD)和污泥破解程度(DD)來評(píng)價(jià)熱堿處理效果：

RD(reduction degree)=(TSS0-TSSt)/TSS0*100,TSS0表示原污泥的總懸浮物濃度,TSSt表示污泥預(yù)處理破解一段時(shí)間t后殘余的懸浮物濃度。

DD(disintegreation degree)=(SCODt-SCOD0)/(TCOD-SCOD0)*100,SCODt表示污泥預(yù)處理破解一段時(shí)間t后上清液的SCOD；SCOD0表示污泥未破解時(shí)上清液SCOD；TCOD表示污泥總COD。

在完成2個(gè)指標(biāo)測(cè)定的基礎(chǔ)上,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理與討論。要求學(xué)生描述原始污泥和不同處理方式得到污泥在顏色、粒徑、沉降性能以及過濾后得到的殘?jiān)碛^性能上的差異,同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析熱處理、堿處理、熱堿聯(lián)合處理3種處理方式的差異,從能量輸入角度為污水廠厭氧效果工藝提出最有實(shí)際應(yīng)用可能性的污泥破壁預(yù)處理方法,使其有助于后續(xù)污泥厭氧消化工藝。

2 教學(xué)實(shí)踐效果

開設(shè)的剩余污泥減量化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,將行業(yè)需求與科研研究成果綜合到實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中,是一項(xiàng)面向大四年級(jí)綜合能力提升的新建實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。在教學(xué)形式中采用Jigsaw教學(xué)法,讓學(xué)生主動(dòng)開展學(xué)習(xí)建立知識(shí)體系,通過組間討論和組間互助式學(xué)習(xí)提高了學(xué)生參與度,增強(qiáng)了師生互動(dòng),培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)和思辨能力；實(shí)現(xiàn)了知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作的有機(jī)結(jié)合,讓學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)從理論學(xué)習(xí)、感性認(rèn)識(shí)上升到結(jié)果觀察和理性分析階段。本實(shí)驗(yàn)的建設(shè)與實(shí)踐通過在實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目選擇、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式等方面的創(chuàng)新,增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、合作式學(xué)習(xí)能力、科研能力,取得了較好的教學(xué)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

通過剩余污泥減量化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)與實(shí)踐,探索了Jigsaw教學(xué)法在水處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用,在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的基礎(chǔ)上增加了合作式學(xué)習(xí)模式,強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作技能掌握和實(shí)際問題的理解,提高了學(xué)生的自學(xué)、合作和研究能力。