盛 力， 刘 涛， 沈 洪， 徐竟成

(同济大学 环境科学与工程实验教学中心, 上海 200092)

挖掘内涵 提升形式 建设“混凝实验”精品项目

盛 力， 刘 涛， 沈 洪， 徐竟成

(同济大学 环境科学与工程实验教学中心, 上海 200092)

以传统的水处理经典实验项目“混凝实验”为基础进行精品实验建设。深入挖掘实验内涵，为学生发挥自主性、激发兴趣、锻炼能力创造广阔的空间。尝试数字技术在实验教学中的应用，实验形式得到有效提升。内涵和形式改进将传统实验项目改造成能够有效进行实践创新能力培养的精品实验项目。

混凝实验； 实验教学； 创新能力培养； 精品实验项目； 人才培养

同济大学开展的精品实验项目建设强调以人才培养为核心[1-5]，通过优化影响实验教学的各类要素，优化实验项目内涵，把实验项目建设成能够帮助实现实践能力、创新能力和综合素质的人才培养大目标的有力手段，在实验教学改革中引领实验项目建设的方向。

水处理实验技术是环境类学科本科生的主要专业实验课之一，环境学科作为一门实践性很强的学科，十分注重学生实践创新能力的培养，学生的培养目标之一是具有面对日趋复杂的环境问题提出建设性解决方案的能力。本文阐述以传统的水处理经典实验项目“混凝实验”为基础进行精品实验建设，深入挖掘实验内涵，在实验形式上升级实验技术方法，将传统实验项目改造成能够有效进行实践创新能力培养的精品实验项目。

1 传统混凝实验的现状

混凝实验是经典实验项目，由于其不可替代的重要性，几乎所有相关高校都在实验教学中选择开设。该实验项目在实验教学中的重要性体现在：

(1) 混凝是常规水处理工艺最重要的内容之一，同时六联烧杯搅拌混凝实验也是生产实践中常用的实验方法，有必要学习和掌握；

(2) 混凝实验过程涉及的水中悬浮颗粒、胶体、大分子有机物、高价金属离子及其水解产物的性质和特点的变化过程是学生了解和认识水中各项杂质组成及水质特点的有效手段，有助于学生对其他水处理工艺原理的理解和掌握；

(3) 对混凝过程涉及的水力学状态变化过程以及对水中悬浮颗粒、胶体、有机无机络合产物物理化学性质影响的认识,能够帮助学生深入理解水力条件、水处理构筑物结构对水处理过程的影响。

对混凝过程的深入理解从水质化学和固液两相流体力学2个方面为学生掌握其他水处理工艺的原理和运行特点奠定基础。但传统混凝实验教学还存在一些缺欠。首先，实验材料和操作步骤过于简单和整齐划一，实验现象和实验结果完全在指导教师的控制之下，学生只是严格按照讲义规定的实验步骤执行，没有发挥主观能动性的机会，很难激起学习和探究的兴趣。其次，传统混凝实验通过展现出的混凝实验参数(混凝剂的投加量、pH、水流流速梯度)变化与处理后水浊度之间的趋势性关系，来间接说明混凝工艺的机理，不利于学生对混凝机理产生直观的认识和从较深层次理解混凝理论。随着对创新型人才和应用型人才培养要求的提高，这种实验方式在学生创新素质、探究能力的培养方面发挥的作用非常有限。另外，六联烧杯搅拌混凝实验属于专业实验层次，能够有效发挥综合素质和实践应用能力培养的作用，但对创新能力和思维的训练与培养效率不高。混凝作为重要的专业教学内容和实验素材，要在创新实验层次发挥作用，在形式和内容上还需升级和改进[6-8]。

因此我们通过实验内容的挖掘，丰富实验内涵，深化基本原理的体现；通过实验形式的技术升级，强化实践创新能力培养。实验内容和形式的改进，强化了学生的实验主体角色，在混凝实验中获得更多的知识积累和能力锻炼。

2 增加实验元素，搭接实验与理论的桥梁，丰富实验内涵

2.1 实验材料多样化、实验参数自主化

在实验课上，虽然教师是实验的引导者，但学生才是实验的主体[9-10]。让学生自己选择实验材料、设定实验参数，才能激励学生深入思考实验理论、激发学生开展探究和创新活动的兴趣。要让学生在实验中拥有广阔的自主空间，实验元素应该更加丰富多彩，使实验具有丰富的内涵[11-12]。

首先，我们将实验用原水由高岭土配制的悬浊液改为使用天然水体水源，混凝剂在原来只有分析纯试剂硫酸铝基础上增加了聚合氯化铝、聚丙烯酰胺等多种类型供学生选择。传统实验所用的原水为高岭土配制的悬浊液，混凝剂也只采用分析纯试剂硫酸铝一种。这样做的一个重要理由是实验现象和实验结果稳定、容易控制，不会由于学生操作手法的差异而产生较大差别，从而由于相互之间的比较对实验原理理论产生较多疑问。但实验包含的机理过于简单、实验现象呆板，使实验成为动手多、动脑少,甚至不动脑的过程。天然原水杂质中不但有悬浮颗粒，还有腐殖质等胶体或溶解性的多种形态物质。其混凝实验原理不但包括颗粒的压缩双电层、电性中和、吸附架桥、卷扫等机理，还包括有机物与无机离子的络合等多种机理。实验涵盖的理论内容更加丰富，实验现象也与真实生产中完全相同，很容易激发起学生的学习兴趣。试剂硫酸铝在实验中作为混凝剂只能体现压缩双电层和电性中和机理，聚合氯化铝和聚丙烯酰胺在混凝过程中主要发挥吸附架桥和卷扫作用，几种混凝剂在实验中对比使用，使混凝的几个主要原理都在实验中有所体现。实验涵盖的理论内容大大增加，实验现象更加生动，学生对专业知识应用能力的锻炼效率显著提高。

实验材料的丰富为学生自主设定实验参数完成实验提供了前提条件。在教师的指导下，在混凝剂种类选择、混凝剂投加量、搅拌强度等重要实验条件的确定上，学生自主设定实验参数。比如，学生在无机混凝剂的最佳投量实验结果出来后，按照教师讲解的原则判断最佳投药量，然后根据自己的实验结果确定最佳投药量后，再自主选择与之配合的其他药剂进一步优化混凝效果。由于参数设定不佳而实验结果不理想，只要在实验报告中充分讨论原因，并不影响实验成绩，有兴趣的学生还可以当场补做一组实验。这种实验模式有效激发了学生的实验兴趣，加强了预习，对实验投入了更多的关注。学生不但增加了许多混凝过程的感性认识，对教材中没有涉及到的一些与混凝相关的理论知识也有很大收获。

实验内容的扩充给教师增加了很大的工作量和工作强度，内容的增加对教师也提出了更高的要求。教师要对混凝理论有较深入全面的理解，同时也要有一定的与混凝相关的实践经验，教师也要在教学改革过程中不断充实自己。

2.2 悬浮颗粒zeta电位测定融入混凝实验

六联烧杯搅拌混凝实验效果只能通过系列实验归纳总结出混凝剂种类和投量、混凝pH值、搅拌强度等因素对混凝静沉后水浊度的影响规律，以此间接体现混凝过程的主要机理。学生无法从实验中直接建立起混凝机理与实验结果的联系，对混凝的基本理论难以通过实验产生深刻的认识。为此，我们将zeta电位测定引入到混凝实验中，搭接一个理论与实验连通的桥梁。

zeta电位测定环节的操作首先加深了学生对压缩双电层和电性中和混凝机理的深入理解。实验要求学生用微电泳仪测定原水中加入不同数量混凝剂后或不同pH值的水中悬浮颗粒表面电动电位(zeta电位)的变化情况，归纳颗粒zeta电位随混凝剂投量或水pH值的变化趋势以及zeta电位对混凝沉淀效果的影响规律，从而认识到颗粒电性对混凝过程的作用机理。分析了颗粒zeta电位对混凝过程的作用之后，还可以进行知识延伸。通过引导学生就pH值对混凝剂水解产物和流速梯度对混凝过程的影响进行讨论，深入认识混凝剂化学性质及混凝水力条件对混凝过程的作用。在加深理论理解的同时，学生还学习到一种科研实验中zeta电位的测定方法，这一环节显著提高了学生对实验的兴趣，增加了学生获取的知识量。

水中微粒zeta电位测定内容的融入不仅使学生对压缩双电层和电性中和机理有了直观认识，对一些实验现象的分析也能够促进对混凝其他机理进行更深入细致的消化理解。比如，在以硫酸铝单体作为混凝剂的实验中，混凝剂投量为50 mg/L上下时，沉后水浊度达到较好的水平，混凝剂投量继续增加，沉后水浊度并没有明显变化，甚至逐渐有增加的趋势。而悬浮颗粒zeta电位测定值在投量50 mg/L时为-25 mv，随着混凝剂投量的增加继续有所上升(见图1)。混凝沉淀效果并未随着悬浮颗粒zeta电位的逐渐提高向零趋近而进一步改善，这一现象单纯用压缩双电层和电性中和机理理论无法解释，引发了积极踊跃的讨论。学生从多个角度进行了分析，寻找原因。最终大家形成一个共识就是，颗粒zeta电位在较大的负值(-20 mV)时即接近最优混凝效果，说明其他因素在混凝过程中发挥了作用，这种因素极有可能是混凝剂溶液中铝离子在存放过程中发生了水解聚合，生成的铝聚集体在混凝过程中发挥吸附架桥和卷扫作用。混凝剂投量继续增加铝聚集体主导混凝过程，不会由于zeta电位继续升高而混凝效果进一步改善。通过这一实验现象的分析，学生对铝盐混凝剂的不同形态在混凝过程中的作用有了深入的理解，对混凝主要机理有了更全面的认识。

图1 沉后水浊度及颗粒zeta电位随混凝剂投量的变化

学生教学效果反馈表明，改进后的混凝实验对学生相关物理化学、水分析化学、水处理工程知识进行综合应用和掌握能力以及全面分析问题、解决问题能力的锻炼起到了明显的促进作用，激发了学生探索水处理科学技术的兴趣。

3 升级实验形式，利用新的实验技术方法进行实践和创新能力锻炼

六联烧杯搅拌实验属于静态实验，在生产上用于辅助运行参数的确定，而在科研中主要用于混凝过程化学问题的研究，对于混凝其他方面问题的探索难以有效发挥作用，单纯六联烧杯实验在实践创新能力培养上效能有限。因此，我们增加了动态的连续流混凝实验方式，结合专业前沿相关问题为有学有余力的同学开展“在线连续流混凝实验”(见图2)。

图2 在线连续流混凝实验系统

连续流混凝实验拥有静态实验不具备的一些优势，不但能够对混凝工艺展开全面的探索，而且在实验过程中学生还可以对实际生产中的混凝工艺系统的构成、运行、操作控制有更贴近的认识。但连续流实验还有一些不利于开展的因素，实验周期长、水样检测工作量大，实验的进行会占用学生大块的时间和精力，对于本科生来说实施难度较大。基于以上思考，我们设计建设了在线连续流水处理工艺实验系统。系统用在线浊度仪、悬浮物分析仪等仪表代替人工检测，实验数据自动发布到网络上供下载分享，同时通过登录网络远程控制工艺实验操作。系统实现了以下功能：

(1) 帮助学生进一步了解水处理构筑物结构、了解构筑物中水流走向、形态，增加感官认识；

(2) 帮助学生熟悉水处理工艺系统操作流程，了解配套阀门、水泵等机械设备运行操作流程；

(3) 了解 “翻池”等实际水处理过程中经常出现的现象的成因及预防措施，了解实际生产运行各环节需把握的要点；(4) 观察思考不同水质参数、运行条件下各工艺段处理效果的变化，深入理解其中的物理、化学作用机理(见图3)。

图3 相同化学条件下静态混凝与连续流混凝形态差异

实验系统将学生从繁冗的实验操作中解脱出来，使学生能够做内容更复杂、难度更大的实验，经历了一次全面的分析研究问题的过程，实验技能得到全面的锻炼、综合能力得到全面的提高，实践创新能力得到更有效的培养。

4 结束语

通过内容挖掘和形式提升，水处理经典实验项目“混凝实验”焕发了新的活力，精品实验项目建设完成后在几届学生的教学中都获得了很好的反响，获得同济大学第4期精品实验优秀项目称号。传统实验项目要在实践和创新能力培养中发挥更大的作用就必须在

内容挖掘和形式改进上下功夫，实验项目建设可以根据能力培养目标(专业应用能力层次还是创新能力层次)的不同而选择不同的改进途径。

References)

[1] 王士芬，施鼎方，唐贤春.建立精品实验项目,丰富实验教学形式[J].实验技术与管理，2008，25(6)：146-148.

[2] 朱玉华，杨正宏.建设精品实验项目 促进创新能力培养[J].实验室研究与探索，2010，29(8)：233-235.

[3] 徐宁，牟建明.“精品实验项目”经典属性的探索[J].实验技术与管理，2012，29(3)：24-26.

[4] 张娴，王士芬，徐竟成.建设精品实验项目 深化创新人才教育[J].实验室研究与探索，2011，30(11)：87-89.

[5] 徐宁，王玫，吴倩.“精品实验项目”建设重在诠释经典和方法创新[J].实验室研究与探索，2013，32(2)：112-115.

[6] 李秀珍，李勤，王征，等.学生综合实践创新能力培养机制探索[J].实验技术与管理，2014，31(8)：35-37.

[7] 张清祥.探索实验教学载体，培养学生实践创新能力[J].实验技术与管理， 2012，29(2)：130-133.

[8] 鲁逸人，季民，刘宪华，等.环境学科工程教育改革实践与研究[J].高校实验室工作研究，2011(1)：12-13.

[9] 张雅君，曾萍，周宇，等.建设创新型实验教学团队，培养学生的创新精神和实践能力[J].实验技术与管理，2010，27(3)：256-259.

[10] 周童，陈德春，曲占庆.改革实验教学模式培养学生实践创新能力[J].实验科学与技术，2010，8(6))：66-68.

[11] 蔡琳，林丽，叶发青,等.生物制药专业实践教学创新模式的探索[J].化工高等教育，2014(4)：56-58.

[12] 王丽萍，张洁，何士龙.大学生实践创新能力培养模式[J].实验室研究与探索，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“国家级实验教学示范中心建设”项目(教高函[2009]28号)；上海市教委“环境科技创新人才培养基地长效运行机制”项目(10DZ120010A)；同济大学精品实验建设项目(0400104092)

盛力(1971—)，男，吉林白城，副教授，研究方向为水质深度处理技术及实验教学.

E-mail：shengli@tongji.edu.cn

TU991； G642.423

A

1002-4956(2015)5- 0028- 03