周海東,詹 詠

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

2016年6月,我國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》正式成員,工程教育認(rèn)證體系得到國(guó)際認(rèn)可,工程教育邁上新的發(fā)展臺(tái)階,從而激發(fā)了工科專業(yè)開展工程教育認(rèn)證的熱情,以提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。工程教育認(rèn)證中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)科學(xué)實(shí)踐,促使學(xué)生在科學(xué)探究和解決復(fù)雜工程問題中應(yīng)用和增長(zhǎng)科學(xué)知識(shí)[1]。學(xué)生獲得學(xué)位,學(xué)習(xí)了科學(xué)和工程知識(shí),但通常很少能充分掌握如何有效應(yīng)用科學(xué)與工程知識(shí)。當(dāng)學(xué)生在大學(xué)里不能有效應(yīng)用科學(xué)與工程知識(shí)時(shí),教育模式和未來工作間就會(huì)出現(xiàn)關(guān)鍵性的脫節(jié)。因此,應(yīng)推動(dòng)教學(xué)改革,開展工程教育認(rèn)證,重視科學(xué)實(shí)踐,以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

工科類實(shí)驗(yàn)課程往往是通過演示或動(dòng)手實(shí)驗(yàn),以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)教學(xué)中所涉及的概念理解。實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)習(xí)的作用很大程度上取決于實(shí)驗(yàn)的本身。實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式可以有演示性(或傳統(tǒng))、發(fā)現(xiàn)式、問題導(dǎo)向性和探究性。演示性、發(fā)現(xiàn)式、問題導(dǎo)向性的實(shí)驗(yàn),其結(jié)果通常是預(yù)先確定的。而探究性實(shí)驗(yàn),其結(jié)果是不確定的,操作程序由學(xué)生制定,這非常有利于對(duì)科學(xué)與工程知識(shí)的理解與應(yīng)用,有利于工程型人才的培養(yǎng)[2]。

一些文獻(xiàn)報(bào)道了探究式實(shí)驗(yàn)的實(shí)施和評(píng)估[3-10]。除了以問題引導(dǎo)下的實(shí)驗(yàn)練習(xí),學(xué)生問卷是評(píng)價(jià)課程的主要工具。Berg等[11]開展了一個(gè)較全面的研究,評(píng)價(jià)兩組學(xué)生;一組進(jìn)行演示性實(shí)驗(yàn),而另一組開展探究式的同一實(shí)驗(yàn)。根據(jù)對(duì)學(xué)生問卷的分析,表明探究式實(shí)驗(yàn)更有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)。由于必備的資源(例如時(shí)間、設(shè)備、人員)所限,探究性實(shí)驗(yàn)難以頻繁實(shí)施,對(duì)其報(bào)道相當(dāng)有限。探究性實(shí)驗(yàn)的局限性也促使了演示性實(shí)驗(yàn)的普遍使用。

本文介紹了環(huán)境工程本科生在水處理綜合實(shí)驗(yàn)中探究式實(shí)驗(yàn)的開展和評(píng)價(jià)。通過評(píng)價(jià)問卷的統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與探究式實(shí)驗(yàn)在提高學(xué)習(xí)效果方面進(jìn)行了比較,對(duì)探究式實(shí)驗(yàn)的有效性做出評(píng)價(jià)。

一、探究式實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

水處理綜合實(shí)驗(yàn)是上海理工大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)本科課程,是獲得學(xué)士學(xué)位的必修課。其先修課程是環(huán)境工程原理和水污染控制工程。課程每學(xué)年開設(shè)一次,安排在第5個(gè)短學(xué)期。在2014年下半學(xué)期之前,水處理綜合實(shí)驗(yàn)基本采用演示性(“傳統(tǒng)”)實(shí)驗(yàn),即提供實(shí)驗(yàn)理論和程序的講義給學(xué)生;實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),每人根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,單獨(dú)寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交。整個(gè)學(xué)期至少進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要集中在水污染控制工程為基礎(chǔ)的各處理單元(例如,混凝/絮凝、沉淀、吸附、氧化、生物處理)。通常第一次課安排的是實(shí)驗(yàn)室安全討論課,而且在學(xué)期內(nèi)有專業(yè)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí),安排兩次污水處理廠的現(xiàn)場(chǎng)考察。

自2014年下半學(xué)期開始,對(duì)水處理綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱進(jìn)行修訂,納入探究式實(shí)驗(yàn),努力適應(yīng)解決復(fù)雜工程問題的工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)量從5次減少到3次,并要求必須有一個(gè)探究式試驗(yàn)。對(duì)于探究式實(shí)驗(yàn),要求每一組確定一個(gè)問題,并對(duì)此問題設(shè)計(jì)解決方案和開展實(shí)驗(yàn),記錄結(jié)果、提交個(gè)人的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。探究式實(shí)驗(yàn)成績(jī)占水處理綜合實(shí)驗(yàn)課程最終成績(jī)的40%,是終極的實(shí)驗(yàn)室訓(xùn)練。

探究式實(shí)驗(yàn)一般根據(jù)學(xué)生性格和能力分組,也適當(dāng)允許學(xué)生選擇小組。先在小組內(nèi)進(jìn)行充分的討論,確保探究式實(shí)驗(yàn)課題在環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室所提供的分析平臺(tái)和資源下能順利地進(jìn)行,學(xué)院工會(huì)也為此課程提供支持。每一組采用頭腦風(fēng)暴方式討論當(dāng)前熱點(diǎn)環(huán)境問題,并咨詢實(shí)驗(yàn)教師和專業(yè)教師關(guān)于進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)課題的可行性。鼓勵(lì)學(xué)生查閱期刊、文獻(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)信息。提醒學(xué)生們必須定義一個(gè)特定問題,同時(shí)牢記須對(duì)該問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并檢驗(yàn)預(yù)期結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)課題一旦最終確定,學(xué)生們需提交選題說明,詳細(xì)列出針對(duì)的問題、建議的程序、所需的材料、預(yù)期的結(jié)果和結(jié)論。三學(xué)年,共開展30個(gè)探究式實(shí)驗(yàn),涵蓋污水處理、污水資源化利用和水環(huán)境修復(fù)。由于學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)量多,在此僅討論少數(shù)突出的案例。

2014年下半學(xué)期,某一小組研究了地下水重金屬污染的治理。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是根據(jù)2013年河北滄縣某村的地下水呈鐵紅色,而當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保局長(zhǎng)竟稱“紅的水未必不達(dá)標(biāo),紅小豆煮出的飯也是紅色”的新聞設(shè)計(jì)的。學(xué)生從當(dāng)?shù)氐奈廴驹春皖愃频钠渌亟饘傥廴镜奈墨I(xiàn)了解到,地下水的污染與地面的化工廠和垃圾填埋有關(guān),并指出了環(huán)保局長(zhǎng)言論的錯(cuò)誤。他們運(yùn)用模擬的紅色地下水溶液,通過pH調(diào)節(jié)、混凝沉淀、活性炭吸附方法,評(píng)估重金屬的去除效果。

針對(duì)2015年8月12日天津港爆炸事故中由氰化物泄漏所引起的地表水及可能的地下水污染問題,某一小組在2016年下半學(xué)期實(shí)驗(yàn)研究了水中氰化物的快速高效降解技術(shù)。學(xué)生們采用不同的氧化技術(shù),并與生物處理技術(shù)相結(jié)合,測(cè)定進(jìn)、出水中氰化物的濃度,比較各工藝技術(shù)的處理效果,推薦最佳技術(shù)。

二、探究式實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)

(一)調(diào)查問卷

設(shè)計(jì)了調(diào)查問卷,探究式實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比,探究式實(shí)驗(yàn)取得了好的學(xué)習(xí)效果。該評(píng)價(jià)是學(xué)校學(xué)期末例行的課程和教師評(píng)價(jià)的一個(gè)補(bǔ)充。表1所示為整個(gè)三學(xué)年所使用的調(diào)查問卷。問題Q1至Q4分別賦與某一數(shù)值,便于對(duì)回答作統(tǒng)計(jì)分析;問題Q5至Q9是開放式的,以鼓勵(lì)學(xué)生說明探究式實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)。

(二)基于學(xué)生反饋的評(píng)價(jià)

表2列出了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)效果、工作量和組內(nèi)表現(xiàn)等各項(xiàng)的綜合回答情況。t檢驗(yàn)表明,探究式實(shí)驗(yàn)相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)習(xí)效果。此外,探究式實(shí)驗(yàn)的占分比例可合理地反映工作量,小組能很好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)表1中問題Q3的回答表明,學(xué)生建議今后開展探究式實(shí)驗(yàn)的平均次數(shù)為1.2(95%置信區(qū)間1.1～1.3),這意味著在其后的每個(gè)年級(jí)應(yīng)開設(shè)至少一次探究式實(shí)驗(yàn)。

表1 探究式實(shí)驗(yàn)的學(xué)生調(diào)查問卷Tab.1 Questionnaire distributed to students to evaluate inquiry experiments

單因素方差分析(ANOVA)用于評(píng)價(jià)某些因素是否影響表1中問題Q2和Q3的回答。P值小于或等于0.05,可認(rèn)為是顯著的影響。表3列出了P值,P值小于0.05,表示該因素對(duì)某一問題回答的影響的顯著性。認(rèn)為探究式實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比有助于理解環(huán)境工程基本概念(問題Q2(a))的學(xué)生數(shù)量,在學(xué)年間有明顯的不同。進(jìn)一步的分析表明,探究式實(shí)驗(yàn)開設(shè)的第一學(xué)年,學(xué)生的反應(yīng)明顯高于以后的學(xué)年。這是由于學(xué)生知道這種實(shí)驗(yàn)是第一次開設(shè),因而更重視這次鍛煉。

表2 Q2(a)至Q2(e)的學(xué)生綜合回答情況分析Tab.2 Analysis of composite student responses toQuestions 2(a) to 2(e)

*分值:完成贊成=+2,贊成=+1,無所謂=0,不贊成=-1,完全不贊成=-2

表3 ANOVA分析不同因素對(duì)學(xué)生在Q2和Q3上回答的影響(P值)

無論是學(xué)年因素,還是教師因素,都不影響學(xué)生對(duì)Q2(b)的回應(yīng),表明通過學(xué)生選題進(jìn)行探究式實(shí)驗(yàn),與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比,可將課程學(xué)到的理論更好地進(jìn)行實(shí)體化應(yīng)用。教師可影響學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)和開展實(shí)驗(yàn)的理解(Q2(c)),這可能是由于教師在布置任務(wù)及布置方式上存在差異。表3也顯示了學(xué)年間及教師間探究式實(shí)驗(yàn)占分分值(Q2(d))的差異。這可能是由于每學(xué)期學(xué)生選擇的探究式實(shí)驗(yàn)難度不同及每個(gè)教師指導(dǎo)的差異。

開展探究式實(shí)驗(yàn)的性別、年級(jí)和GPA并不影響學(xué)生對(duì)Q2和Q3的回答,但是女生比男生更相信探究式實(shí)驗(yàn)有助于強(qiáng)化她們對(duì)環(huán)境基本概念和應(yīng)用的理解。對(duì)于Q4,三學(xué)年132位所調(diào)查的學(xué)生中,壓倒性的92.4%學(xué)生是第一次接觸探究式實(shí)驗(yàn)。僅有20個(gè)學(xué)生(占7.6%)以前接觸過類似的探究式實(shí)驗(yàn),這些不足8%的學(xué)生可能是由于外部課程(基礎(chǔ)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室或高中[12])而接觸探究式實(shí)驗(yàn)。

調(diào)查問卷還包含5個(gè)開放式回答的問題,給學(xué)生自由發(fā)言的機(jī)會(huì),以討論探究式實(shí)驗(yàn)的有利和不利方面。表4對(duì)學(xué)生的典型回答進(jìn)行了總結(jié)。

表4 開放式問題及學(xué)生的主要回答總結(jié)Tab.4 Summary of open-ended questions andstudents’ main answers

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)自由/制定流程自由是為數(shù)最多的學(xué)生(占38%)認(rèn)可探究式實(shí)驗(yàn)的一個(gè)主要特征。另有24%學(xué)生受訪者提及選題自由是他們喜歡的探究式實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵特征,而有13%的人則對(duì)此特別反感。大約15%的學(xué)生希望實(shí)驗(yàn)分組的規(guī)模更小些。這些受訪者主要來自2014年下半學(xué)期和2015年下半學(xué)期的學(xué)生,當(dāng)時(shí)10～15名學(xué)生組成一個(gè)小組。接下來的調(diào)查顯示,幾乎沒有學(xué)生希望再調(diào)整小組規(guī)模。盡管這種差異主要在分組的學(xué)生數(shù),但并沒有明顯影響各學(xué)年間學(xué)生在組內(nèi)的表現(xiàn)(表2中學(xué)年對(duì)Q2(e)的影響)。能夠自己選擇小組的學(xué)生,與被分配到指定小組的學(xué)生相比,看法也基本一致,即他們的小組干得很好。當(dāng)被問到他們想做什么時(shí),53%受訪者建議了40個(gè)有創(chuàng)意的主題。由此看來,學(xué)生們?cè)谔骄渴綄?shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出一定程度的創(chuàng)造性思維。雖然探究式實(shí)驗(yàn)得到學(xué)生們的普遍認(rèn)可,但部分學(xué)生仍期望能在實(shí)驗(yàn)中獲得教師更多的指導(dǎo)。在以后的教學(xué)中,可通過逐步強(qiáng)化學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的獨(dú)立意識(shí),加大獨(dú)立工作量,實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)向探究式實(shí)驗(yàn)過渡。

三、結(jié)論

將探究式實(shí)驗(yàn)引入環(huán)境工程專業(yè)水處理綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué),經(jīng)對(duì)完成探究式實(shí)驗(yàn)的學(xué)生的調(diào)查研究表明,該實(shí)驗(yàn)增加了其對(duì)基本概念和理論應(yīng)用的理解。學(xué)生普遍認(rèn)為,在未來的水處理綜合實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該至少納入一個(gè)探究式實(shí)驗(yàn)。學(xué)習(xí)效果的提高與學(xué)生在實(shí)驗(yàn)小組中表現(xiàn)密切相關(guān),與學(xué)年、教師、組的規(guī)模、選擇標(biāo)準(zhǔn)等因素?zé)o關(guān)?？傮w上,學(xué)生認(rèn)可探究式實(shí)驗(yàn)。只要有足夠的資源,探究式實(shí)驗(yàn)是一個(gè)有用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,可讓學(xué)生將更多的精力用于學(xué)習(xí),提高學(xué)生對(duì)基本概念和理論的掌握以及對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力。