王淑勤，武金錦，陳司晗，付 懿，劉路游

(華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，河北 保定 071003)

PBL( problem-based learning )教學(xué)模式是把問題當作焦點誘導(dǎo)學(xué)生進行調(diào)查和研究，使得學(xué)生學(xué)習(xí)到解決問題的思路與過程，并熟練運用有關(guān)知識和概念，有利于提高學(xué)生理解問題和分析問題的能力，還可以總結(jié)解決問題的經(jīng)驗與教訓(xùn)，最終培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)的意識和能力[1]。該教學(xué)模式是根據(jù)問題來進行的學(xué)習(xí)，因此需要教師精心設(shè)計實際問題和解決問題的途徑，并且組織學(xué)生調(diào)查、尋找相關(guān)項目，然后提供解決現(xiàn)實問題所需要的環(huán)境和設(shè)備，最后組織討論，充分調(diào)動學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主動性，培養(yǎng)學(xué)生分析并解決問題的能力，這也是研究性教學(xué)的一種途徑[2-3]。學(xué)習(xí)和研究相結(jié)合的研究型教學(xué)是指教師通過引導(dǎo)、促進、支持和指導(dǎo)學(xué)生的研究型學(xué)習(xí)活動來完成教學(xué)任務(wù)的一種教學(xué)方法。將這種方法應(yīng)用于理論課學(xué)習(xí)已獲得很多成功案例。

PBL最顯著的特征是其具有實踐性，它鼓勵項目成員相互協(xié)作、共同創(chuàng)造，并完成所需求的最終項目產(chǎn)品，使其收獲一次系統(tǒng)的、經(jīng)驗的學(xué)習(xí)。通過這種教學(xué)方式來培養(yǎng)具有高水平綜合能力和創(chuàng)新實踐能力的學(xué)生，從而實現(xiàn)企業(yè)需求和人才輸出的無縫對接。

將該模式應(yīng)用于理論課程的教學(xué)實踐，已經(jīng)成為各高校關(guān)注的焦點。華北電力大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)作為雙一流建設(shè)專業(yè)，從2013年就開始積極嘗試研究性教學(xué)試點課程《水污染控制工程》的教學(xué)改革。為了體現(xiàn)華北電力大學(xué)“研究型、國際化”的辦學(xué)特色，我們不僅更新課程教學(xué)內(nèi)容，改進教學(xué)手段和措施，還提高學(xué)生創(chuàng)新能力，并取得了較好的教學(xué)效果[4]。我們還通過案例進行教學(xué)，強化工程應(yīng)用和實踐能力訓(xùn)練；但如何構(gòu)建符合能力培養(yǎng)要求的實驗教學(xué)模式，是環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)改革普遍關(guān)注的問題[5]。因此通過研究性實驗，結(jié)合PBL教學(xué)模式讓學(xué)生能夠主動的獲取知識、探索問題、應(yīng)用知識解決問題，以培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和提高學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力，這方面的研究還有待加強。

研究性實驗需要自主研究、總結(jié)、梳理出與實驗有關(guān)的理論，遇到問題及時回到書本學(xué)習(xí)，甚至要求在已有知識的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)和探索新的知識，如此才能全面理解實驗項目、精確操作實驗設(shè)備、制訂完善的實驗方案、順利的完成實驗項目。通過PBL教學(xué)模式來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生自主學(xué)習(xí)、資料查找、解答問題以及團結(jié)合作等方面的能力得到提升[6]。另外，教師在教學(xué)過程中的角色轉(zhuǎn)變，有利于老師學(xué)生之間教學(xué)相長教學(xué)關(guān)系的建立和發(fā)展，更有助于師生的交流。不過，想要實現(xiàn)PBL教學(xué)模式，就要求任課教師完成更高層次的要求。為此我們進行了以下3個方面的嘗試。

1 PBL 教學(xué)模式在綜合實驗中的應(yīng)用

華北電力大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)綜合實驗是單獨開設(shè)的為期兩周的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，這個環(huán)節(jié)的目的是使學(xué)生對現(xiàn)場實際問題進行多指標的檢測分析和治理研究，加強對復(fù)雜環(huán)境問題的認識，學(xué)會利用多門專業(yè)課的知識分析解決這些問題，自己制定可行的實驗方案，并進行方案實施、數(shù)據(jù)處理及分析總結(jié)治理項目對環(huán)境的綜合影響、撰寫符合行業(yè)規(guī)范的實驗報告，受到全方位的科學(xué)思維和實驗訓(xùn)練，在工程實踐能力和創(chuàng)新能力等方面得到進一步的鍛煉與提高。

通過綜合實驗全面加深學(xué)生對有關(guān)廢水、廢氣、固體廢物處理理論的理解，使學(xué)生掌握文獻和儀器設(shè)備使用方法，掌握水、氣、固體廢物處理工藝選擇，掌握處理實驗數(shù)據(jù)的方法及主要處理設(shè)施的性能特點，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力，并且提高其撰寫符合行業(yè)標準的實驗報告的能力，在工藝路線、實驗方案、治理設(shè)備選擇上提高創(chuàng)新意識。

為保證課程教學(xué)目標的達成度，我們?nèi)握n教師充分分析學(xué)生自身的特點，結(jié)合學(xué)校的實驗條件確定了合適的綜合實驗題目，給出任務(wù)要求。我們的做法是考慮到學(xué)生能力差異、性別差異、性格差異，進行合理搭配，均勻分布，因此要求學(xué)生以宿舍為單位分成小組，每組5～6人，選出責任心強的學(xué)生作為組長，組長根據(jù)指導(dǎo)教師的任務(wù)要求對組員進行適當分工，使學(xué)生小組成員之間達到較好的合作，增強團隊意識。

實驗進行的第一周，要求學(xué)生認真查閱“中國知網(wǎng)”、“萬方數(shù)據(jù)庫”、“Ei compendex”、 “Elsevier”、“ Springer”等數(shù)據(jù)庫，仔細查找和閱讀相類似于本組實驗任務(wù)的科研論文，在已有驗證性實驗的基礎(chǔ)上提前設(shè)計綜合實驗方案。自主選擇實驗藥品和儀器的類型、數(shù)量、實驗方法和制定實驗步驟，在研究中培養(yǎng)學(xué)生的思考能力。要求不同組的學(xué)生選擇不同處理對象進行監(jiān)測治理，或者可選擇同一處理對象進行不同處理單元或者不同處理方法的效果對比，要求各組之間充分交流，避免重復(fù)和抄襲，實驗方案確定后交任課教師批改修正。

實驗第二周，要求學(xué)生自己按照實驗方案選取樣品，配制溶液，組裝實驗裝置，進行多指標的分析檢測。

例如在“生活污水化學(xué)處理與生物處理差異分析”的實驗項目中，學(xué)生們通過參觀學(xué)校中水站切實感受生活污水A2O生物處理工藝的效果，自己取出進、出水水樣，制定合理實驗方案，并且應(yīng)用環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程微生物學(xué)和水污染控制工程等課程中學(xué)到的知識，進行COD去除效果分析，發(fā)現(xiàn)冬季中水站A2O工藝過程中COD的去除率僅63%，比混凝、化學(xué)吸附、過濾，氧化等組合工藝的總?cè)コЧ?3%；還分析了好氧池中的碳、氮、磷的比例，發(fā)現(xiàn)其中磷含量明顯偏高；水的pH值偏低，溶解氧含量小于2mg/L，這些都是引起非絲狀菌污泥膨脹的原因。根據(jù)所學(xué)專業(yè)知識提出工藝運行調(diào)整對策，減少含磷廢水的排放或者投加有機物改善營養(yǎng)比和水的pH；在冬季水溫低的條件下減少曝氣量。中水站采用了我們的改進方案，污泥膨脹得到顯著改善。

又例如在“混凝、吸附、氧化處理生活污水的實驗”中，發(fā)現(xiàn)混凝后上清液雖然很清澈，但還是有色度，如圖1所示；繼續(xù)使用臭氧氧化時，在燒杯中不易控制臭氧的流量，時間在5 min之內(nèi)氧化效果不明顯，延長到30 min時臭氧味溢出燒杯，滿屋都是，帶來二次污染，因此調(diào)整實驗方案改為過氧化氫氧化?？墒菍嶒炦^程又發(fā)現(xiàn)過氧化氫用量太多，采用高錳酸鉀法測定COD會產(chǎn)生顏色干擾，無法得到預(yù)期的數(shù)據(jù)，必須控制合適的投加量才能保證對有機物的氧化，又不干擾高錳酸鉀法測定COD，這樣學(xué)生在實驗過程中逐步增強主動實驗和自主實驗的意識，使他們建立起善于運用相關(guān)知識解決工程問題的思維習(xí)慣。

圖1 生活污水混凝前后的效果

2 PBL 教學(xué)模式在畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

針對綜合實驗中出現(xiàn)的臭氧氧化沒有合適實驗裝置的問題，我們結(jié)合畢業(yè)設(shè)計要求學(xué)生設(shè)計一套小型臭氧化實驗裝置，并篩選填料提高其臭氧化效果。該學(xué)生利用3D打印技術(shù)自主設(shè)計了特殊的填料如圖2所示，還和光催化結(jié)合，提高了臭氧氧化不可生物降解污染物-苯酚的降解效率。

圖2 利用3D打印技術(shù)自主設(shè)計開發(fā)的兩種填料

實驗結(jié)果表明在這兩種填料存在時，不僅使臭氧氧化生活污水的能力有所提高，還使臭氧氧化不可生物降解污染物-苯酚的效率提高近20%，再結(jié)合二氧化鈦光催化后的總效率又提高近10%，總效率接近100%。但是發(fā)現(xiàn)二氧化鈦與水難于分離，不利于重復(fù)使用，還需要進一步研究探索。

選該畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)自主學(xué)習(xí)熱情很高，從查閱資料到設(shè)計畫圖，從加工制造到設(shè)備組裝，篩選實驗條件，改進實驗效果，受到全面系統(tǒng)的工程訓(xùn)練，體現(xiàn)了工程設(shè)計中的創(chuàng)新意識，答辯效果很好，畢業(yè)論文總評成績?yōu)閮?yōu)秀。該同學(xué)還被免試推薦到廈門大學(xué)供讀碩士研究生。

3 PBL 教學(xué)模式在創(chuàng)新實驗中的應(yīng)用

圖3 替芯式催化劑套筒

針對二氧化鈦與水難于分離的問題，我們指導(dǎo)團隊又指導(dǎo)了大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目“新型金屬有機骨架材料協(xié)同光催化氧化法處理焦化廢水”，結(jié)合此項目發(fā)現(xiàn)摻鈰二氧化鈦處理低濃度的含酚廢水具有良好的效果。進而利用數(shù)控機床加工了替芯式催化劑套筒，套筒之間通過螺紋連接，起到了防水滲出的作用，如圖3所示，套筒內(nèi)壁刷有特制防水膠，催化劑通過膠的粘性附著在套筒的內(nèi)壁上，使改性二氧化鈦催化劑與污水易于分離，套筒之間固定著不銹鋼絲網(wǎng)，使臭氧在通過不銹鋼絲網(wǎng)后均勻分散為小氣泡，增大氣液接觸面積，同時促使臭氧在水中溶解，高效參與二氧化鈦對污染物的催化，使臭氧利用率更高，催化劑失效后直接更換替芯即可快速投入使用。整個裝置的核心部分是負載有改性二氧化鈦的替芯，將改性二氧化鈦負載于套筒的內(nèi)壁，再將套筒放入裝置的不銹鋼外殼中。裝置的整個替芯是由五個相同的替芯單元組成，使得在某個替芯失去催化效果時可以單獨更換，節(jié)省催化劑失活后替換的成本。該項目在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下申請了實用新型專利，此項目還獲得了國家節(jié)能減排大賽三等獎。

4 結(jié)束語

總之，通過教學(xué)改革，加強實踐環(huán)節(jié)中PBL教學(xué)方法的應(yīng)用，實現(xiàn)了研究性教學(xué)，加強了學(xué)生觀察、發(fā)現(xiàn)、理解細節(jié)問題的能力，增強了表達敘述能力，能夠準確的應(yīng)用環(huán)境工程知識分析復(fù)雜的工程問題，并且獲得有效結(jié)論，學(xué)生綜合素質(zhì)得到極大提高。