环境类专业自制实验教学装置的开发与使用

方华 徐德福 张海鸥 韩红霞

摘 要 针对现有实验教学装置存在的问题，研制一套多功能污水生物处理实验装置，并应用于专业实验教学改革。相关教学实践表明，自制实验装置在提高实验教学质量、培养学生创新能力、提高实验教师业务水平、促进实验室建设等方面有着积极作用，是高校实验室建设和改革的重要手段。

关键词 自制实验装置；污水生物处理；实验；教学改革；环境类专业；实验室

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）22-0029-03

Abstract Based on the problems of the existing experimental tea-ching devices， a set of multifunctional experimental devices for se-wage biological treatment was made and used in experimental tea-ching. Experimental teaching practices showed the self-made experi-mental devices played an active role in improving the quality of ex-perimental teaching， cultivating students innovative ability， impro-ving the professional level of the experimental teachers and promo-ting the construction of the laboratory. It is an important method of laboratory construction and reform in universities.

Key words self-made experimental device； sewage biological treat-ment； experimental； teaching reform； environmental specialties； lab

1 前言

高等院校是人才培养的主要阵地，实验教学则是高等教育人才培养体系中不可或缺的重要环节。随着国家对高等教育重视和投入的加大，高校实验室建设近年来得到快速发展。各类教学实验室均购置了大批实验教学仪器、设备，改善本科实验教学条件。但市售的实验教学设备在功能、使用和维保等方面也存在一定的缺陷，不能完全满足实验教学的需要，特别是专业实验教学的需要。

自制实验教学装置是任课教师根据实际教学内容及实验需要，自行设计、加工（或委托）制作的仪器设备。这类实验装置可操控性强，贴近教学实际，并可满足课程的特别需求。因此，自制实验教学装置作为解决和完善实验教学仪器设备的重要途径，更新实验项目与内容、提高学校实验教学质量的重要手段，对促进高校实验室建设和可持续发展具有重要意义[1-3]。

本文在分析南京信息工程大学环境科学与工程实验教学中心现有实验装置存在问题，及自制实验装置作用与意义的基础上，以污水生物处理实验为对象，开发一套多功能自制实验装置，并应用于教学实践，获得很好的教学成效。通过总结相关成效和经验，期望为相关专业开展自制实验教学装置工作提供一些借鉴和参考。

2 市售实验教学装置存在的问题

南京信息工程大学一贯高度重视实践教学在人才培养中的重要地位，通过修订和完善教学大纲，环境类各专业的实践学时比例已达到总学时的35%以上；同时，投入大量资金，购置更新大批实验教学仪器设备，改善实验教学条件。学校环境科学与工程实验中心（以下简称中心）现已建成为江苏省高等学校实验教学示范中心。但在专业实验教学中也发现，已有市售教学实验装置尚存在以下问题，亟待改善。

适用性和实用性差，学用脱节 中心已有教学实验装置均为直接购置的市售成套实验装置，部分装置形式内容陈旧，已不能满足学科发展和专业教学的新要求；部分装置提供的实验内容和实验步骤与课程所用教材和讲义不符，造成教师组织教学和学生自主学习困难；部分装置对外部环境要求高，与中心现有场地、器材、公用设施等无法匹配，长期闲置；部分装置的内部结构与工艺过程设计与实际工程应用严重不符，使得学生所学与工程实践严重脱节。

“模型化”“教具化”现象严重，功能单一 现有市售实验装置规格型号单一，大部分装置仅可用于简单的教学演示和观察，不可实际操作与模拟运行，功能上无法满足专业实验教学深度的要求；几乎所有的实验装置只能进行一项实验项目，不能用于新型实验项目的开发拓展，无法满足实验教学广度的要求和学生科技创新活动的需要。

价格高，寿命短，维护困难 由于环境类专业教学实验装置市场需求量小，生产厂家少，导致该类实验装置存在价格昂贵、售后服务不及时等问题。

3 自制实验装置的作用与意义

中心现有实验教学装置存在的上述问题已制约了相关实验教学的实施和人才培养质量的提高，优化配置实验装置应成为当前中心实验教学改革的重要工作内容。开展实验装置的自行设计和研制，是解决上述问题的重要途径，并具有以下重要的作用和意义。

提高教学质量 自制实验装置可弥补原有装置设备的缺陷，性能相对稳定，教师在授课时能保障其顺利进行。同时，自制实验装置设备也可拓宽教学内容，使学生能获得更多专业相关知识。自制装置设备还能做到与时俱进，实用性强，对激发学生的学习兴趣和提高实验教学质量都具有显著的作用[4]。

促进教师和实验技术人员技术水平和协作能力的提高 自制实验装置研制过程中，教师与实验技术人员从前期的资料收集、方案设计到后期采购、制作和调试，一直通力合作，既增强了合作能力和凝聚力，使实验教师队伍成为和谐、创新的团队；又拓宽了知识面，提高了理论水平和技术水平，在实践中提升了教學和科研能力。

提高學生综合设计及应用能力 自制实验仪器设备丰富了学生课内课外实验，带动了学生创新实验的开展；同时，教师在研制实验教学装置设备过程中，还可带领学生参与其中，让学生结合实验室开放或毕业设计等实践环节参与研制实验设备，在拓展知识面的同时，锻炼了工程实践能力[5]。学生参与仪器的研制，可以在感性上充分理解仪器的构造与功能，在制作过程中通过查找相关材料、寻找问题解决途径，培养发现问题、分析问题、解决问题的能力，也充分发挥积极性与创造性。

全面推动实验室建设 通过实验装置设备的自行研制和使用，可为实验室补充大批实用且急需的实验教学装备，满足不同性质实验课程开设的需要，促进实验教学水平的提高，增强了实验室的综合实力和影响力。

4 自制实验装置的开发与使用

自制实验装置的开发 针对现有实验装置存在的问题，中心以专业核心实验课程——水污染控制工程实验为切入点，选择该课程的重点和难点——污水生物处理实验为对象，基于“集成度高、功能丰富、便于观察、可模拟运行”的设计思路，研制一套可进行功能扩展的污水生物处理装置。自制实验装置由生物反应器、二沉池及附属配件和连接管路构成。其中，长柱形的生物反应器是装置的核心，总有效容积72升，采用透明有机玻璃制作；其内部通过预设的插槽分为18格体积相同的单元，通过在插槽中插入插板，可将生物反应器自由设置为不同数量和容积的反应区域。每个反应区域可通过密封盖板设置、搅拌装置和曝气装置的启停，实现厌氧、缺氧或好氧等不同生物氧化功能。反应器外部设有进出水口、进气口、回流口等，通过与外部的进水泵、回流泵、充氧泵的连接，形成反应器进出水系统、混合液循环系统、污泥回流系统和曝气系统。基于此，生物反应器与二沉池连接后，可根据实验需求，自主设置成多种典型的污水生物处理工艺，主要包括传统活性污泥法工艺、缺氧—好氧生物脱氮（A/O）工艺和厌氧—缺氧—好氧同步脱氮除磷（A2/O）工艺等，并开展针对实际或模拟污水的连续运行处理实验。图1为自制实验装置模拟厌氧—缺氧—好氧同步脱氮除磷（A2/O）工艺流程图。

自制实验装置的使用 通过对装置主体功能结构和连接方式的创新设计，使本自制污水生物处理实验装置具有高度的扩展性和丰富的生物处理功能。中心利用该自制实验装置，分别面向各年级本科生的实验需求，开设不同类型的实验项目。

1）面向大二、大三学生的水污染控制工程实验和环境工程学实验课程，开设基础验证型实验——传统活性污泥法处理生活污水实验，主要实验目的为加深学生对污水生物处理的原理和方法的理解，初步培养进行污水生物处理模拟实验的基本技能。

2）面向大四学生的专业实践创新训练课程，开设综合设计型实验——缺氧—好氧生物脱氮实验，主要实验目的为让学生熟悉生物脱氮的基本流程，掌握缺氧—好氧生物脱氮工艺的原理和控制方法，提高污水生物处理实践技能。

3）面向大学生课外科技创新活动，开设拓展创新型实验——厌氧—缺氧—好氧工艺同步脱氮除磷实验，主要实验目的为让学生掌握同步生物脱氮除磷工艺的原理、组成和控制方法，培养解决污水处理实际问题和实践创新的能力，熟悉复杂污水生物处理工艺的设计和运行。

近三年的实验教学应用表明，中心研制的污水生物处理实验装置结构简单、操作方便、功能丰富、经济实用，弥补了原有市售实验装置的缺陷，大大提高了装置的实用性和利用率。同时，实验过程中学生可以自己动手，对装置进行操作与运行，改变了以往在烧杯、试管中的间歇、零碎的实验方法，使学生可以形象、生动、完整地了解污水处理的工艺过程，从而大大激发学生的学习兴趣，加深、拓宽对专业知识的理解，并增强了今后投身环境保护事业的决心。总体来看，自制实验装置的开发应用拓宽了教学内容，实用性好，激发了学生的学习和专业兴趣，大大促进了实验教学质量的提高。

5 结语

通过本次污水生物处理自制实验装置的研制，既为中心增加了一批性能可靠、针对性与适用性强的实验教学仪器，又满足了综合性、设计性、创新性等多种实验教学的需要，丰富了实验内容，提高了教学质量，促进了实验室建设，收到很好的教学成效，为实验室教学改革提供了有益的借鉴和创新。

随着我国高等教育的改革与发展，实验教学改革和实验室建设面临艰巨的任务，课程内容的不断创新决定了自制实验仪器设备必然是一项长期的任务[6]。各高校要充分认识自制实验仪器设备在实验教学、实验室建设、实验教师和技术人员综合能力提高等方面的积极作用，把握一切机会，调动教师的积极性，鼓励教师研制实验仪器设备，探索自主创新、有特色的自制实验仪器设备之路。

参考文献

[1]楼建明，傅越千，安鹏，等.基于能力培养自制实验仪器设备[J].实验技术与管理，2014，31（9）：81-86.

[2]房少军，李洪彬，段晓燕，等.天线实验教学仿真系统的研究[J].实验室研究与探索，2010，29（1）：50-52.

[3]李斌，谭鹏，陈国杰，等.自制物理实验仪器的探索与实践[J].实验技术与管理，2013，30（6）：46-49.

[4]许森东.自制仪器在高校实验教学中的应用研究与实践[J].中国教育技术装备，2013（6）：128-129.

[5]张静，白守礼，姜广峰.自制实验教学仪器设备运行机制的研究与实践[J].高等理科教育，2011，15（4）：50-52.

[6]潘正官，谢佑国.自行研制实验设备创建高水平示范性实验室[J].实验室研究与探索，2006，25（9）：1152-1153.