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摘要:我國當代環境問題錯綜復雜，現有的環保儀器跟不上時展的需求，國外高端環保設備也不完全適應我國國情，因此，培養研發環保儀器的人才刻不容緩。該文以自制試驗裝置為重要環節探討了如何完善環境工程專業實踐教學體系，分析了自制試驗裝置如何促進大學生的實踐技能和創新意識的培養，結合自制試驗裝置的案例，從不同角度闡述了自制試驗裝置對培養環境工程專業學生創新思維和實踐能力的作用。

關鍵詞:自制試驗裝置;環境工程;實踐能力;實踐教學;創新思維

現代科技的重大突破越來越依賴于先進的科研儀器，掌握了最先進的科學儀器研發技術，就掌握了科技發展的主動權［1］。當前我國環境問題呈現出綜合性、復雜性、地域性、時間性的特征，現有的環保儀器跟不上時展的需求，而具有世界領先水平技術的環保儀器，在引進的過程中又存在技術壟斷［2］，這嚴重地阻礙了我國綠色GDP的實現。因此，高等院校作為國家環境工程人才培養的重要基地，應在本科階段培養學生具備研發儀器的工程素質和實踐能力，為我國自主研發環保設備做貢獻。強化培養學生的實踐能力和創新思維是人才培養的根本要求［3］，環境工程專業是一個實踐性很強的工科專業，實踐環節在工科學生綜合能力培養中的地位尤為重要。為落實我國中長期人才發展規劃，2010年6月國家啟動“卓越工程師教育培養計劃”;2013年6月19日，我國成為《華盛頓協議》預備會員后，環境工程專業可通過工程教育專業認證，使畢業生可以在協約國申請工程師職業資格。這都指明了我國工科類專業高等教育今后發展的方向，即要培養具有卓越的工程素質和實踐能力的大學生。學生在高校實踐教學體系中參與實踐活動是提高學生工程素質和實踐能力的主要方式。自制試驗裝置是一種培養學生創新思維、增強學生專業實踐能力和綜合能力的有效手段。國外高校工科類實驗室基本都有教師或學生自制的實驗儀器，來解決一些實驗過程中采樣、模擬和工程控制的問題。國內大學的一些實驗室也把自制儀器作為實驗教學示范中心的特色來建設［2－4］。這不僅促進了教學，還能夠豐富、活躍學生的科學思維，加深對理論知識的理解，培養學生良好的動手能力和創新思維。因此，本文把加強自制試驗裝置作為環境工程專業實驗教學的重要環節來建設，完善實踐教學體系，形成制度，讓學生了解自制試驗裝置是他們成功走向工程師的重要一步［5－6］，并結合具體的實踐案例，論述學生在自制試驗裝置活動中創新思維和實踐能力的培養。

1以自制試驗裝置為重要環節完善實踐教學體系

1.1現存的實踐教學體系缺少自制試驗裝置的環節

自1998年我國頒布了修訂后的普通高等學校本科專業目錄以來，我國開設環境工程專業的高校約有360所。高等院校在實驗教學中心建設方面都投入了大量的經費，對教學儀器進行了持續的補充和更新、升級和換代，能夠很好地滿足日常的實驗教學需求。據環境工程教育專業認證委員會調查，多數高校采用傳統的實踐教學體系，缺乏工程特色和創新;以分析類、監測類的實驗教學偏多，而工程原理和工程實驗、實踐偏少。造成這種現象的主要原因是市場上很容易買到分析類和監測類儀器。但是有關工程原理和工程實驗、實踐的試驗，不僅需要現成的儀器，還需要與之配套的模擬試驗裝置，通過模擬設備和分析設備相結合才能更好地解決工程試驗問題。而模擬試驗裝置是根據實際問題設計的，很難找到現成的，需要老師自己花費大量的時間和精力來研發或與提供商進行多次溝通進行定制，一旦損壞，維修比較困難。這說明環境工程專業需要通過自制試驗裝置來完善實驗教學，同時也反映出社會需要這方面的人才。中國海洋大學環境工程專業為了培養學生儀器使用、維護和研發的實踐能力，實驗教學中心與設備管理處聯合成立了技能實踐訓練中心。根據現有的理論課程，針對相關儀器設備缺少介紹或僅作簡要介紹和實驗課程內容難以使學生對儀器設備有更深的了解、更不可能實地親手深度操練的狀況，開展了大型儀器技術培訓活動，并充分利用淘汰、報廢電子儀器儀表、環境監測儀器、海洋調查儀器等常規現代科學儀器設備，專門設計一系列涉及儀器設計原理、結構、維護、調試以及應用的實踐訓練項目。面向全校本科生開設了系列專業技能拓展訓練項目，吸引了各個專業(包括文科專業)的學生，鍛煉了他們在儀器使用和維護方面的實踐能力。但就現階段形勢而言，許多高校還缺少讓學生自制試驗裝置的機會。雖然一些高校進行了這方面的積極探索，如受中科院“張衡計劃”的啟發，北京大學于2009年啟動了儀器創新與創制計劃;廣西大學改革了實驗課程體系和實驗教學內容，增加了自制設備做實驗教學內容［4］，但這種理念還有待慢慢地滲透到所有的工科類院校。

1.2讓自制試驗裝置環節融入實踐教學體系

自制試驗裝置是工科大學生應具備的工程素質之一。面對我國的日益復雜的環境問題，不僅要對環境工程專業增開儀器學理論、環境監測在線監測原理等方面的實踐課程;而且還需要在每個實踐教學模塊中增加自制試驗裝置環節，以培養能解決實際問題的社會需要人才。我校環境工程專業的實驗教學一般可分為3大模塊［7］:1)在專業模塊中的綜合設計性實驗和研究創新性實驗中可以讓學生根據實際環境問題的需要，自制模擬試驗裝置，小到自動采樣的裝置，大到解決污染過程控制的裝置。在國家或學校大學生研究訓練計劃項目、教師從事的科研項目、教師支持下的學生自主擬題項目中，可以開設一些自制試驗裝置的項目研發，鍛煉學生的實踐創新能力。2)拓展模塊涉及自主設計、開發創業、技能訓練、工程應用等類型的實驗項目，這些項目屬于開放型實驗，更能體現出社會需要與當代科技的有機鏈接。結合當前急需解決的新環境問題，開展在線監測儀器的自制試驗裝置項目，使知識能夠學有所用，提高學生就業的信心。3)畢業設計模塊主要是為畢業生完成畢業設計、畢業論文提供的開放型實驗。要增加畢業設計的數量，可以針對水、大氣和固體廢物等環境問題，設計自制試驗裝置來解決相應的環境問題。

1.3通過校內外實踐教學平臺培養學生的自制試驗裝置意識

我校校內外實驗教學實踐平臺包括直屬實驗室、協作實驗室、共建實驗室、校外實習基地和東方紅2號調查船。直屬實驗室支撐著實驗教學中心、國家級實驗教學中心、教育部實驗中心，自制試驗裝置的環節在該實驗室已通過實踐教學模塊體現出來了。校外的協作實驗室、共建實驗室，校外實習基地，可讓學生更多地了解科研、監測、質檢等單位目前使用儀器的狀況、現有儀器存在的問題和他們對自制儀器的需求，讓學生從實踐中獲得更多的創新思維源泉。東方紅2號調查實習船，每年為本科生提供了較全面的海洋環境調查實踐訓練，學生在實習的過程中會發現，海水是一個復雜的多組分的多相體系，包括多種有機和無機的、溶解態的和懸浮態的物質，對海水分析帶來很大的影響。例如:大量基體鹽類對測定和儀器的影響，有些儀器不適合分析海水中的主要成分、重金屬、營養鹽等。海水的采樣也因研究問題的不同而不同，可能對于采海水、微表層海水、間隙水等，普通的采樣器就不合適，在實踐教學中需要注重探究實驗教學的指導方式，引導、啟發學生自主設計、研發適應于海洋調查的實驗裝置。

2通過自制試驗裝置培養大學生的實踐創新能力

實踐能力是相對于認知能力而言的，是運用知識、技能解決實際問題的能力;具體來說，是指大學生到實際社會環境中認識問題，并且運用自身知識探索解決問題的一種能力［8］。環境工程專業與工程實際的結合度高，在專業教學中需構建專業實踐教學體系，加強對學生工程實踐能力和創新能力的培養［9］。在實踐教學體系中設置自制試驗裝置環節既能滿足綜合性、設計性、創新性等現代實驗教學、實驗內容的要求，又能把這些自制試驗裝置應用到實踐教學，培養了學生的學習能力、動手能力和創新思維。

2.1增加知識儲備，激發創新意識

知識是實踐能力的基本要素之一，知識儲備是實踐技能培養和科學進行實踐活動的基礎。其不僅包括系統表述、能用文字等來表達的理論知識的儲備，還包括個體在各種實踐過程中積累的經驗和感悟。自制試驗裝置需要學生對相關儀器的各種類型、功能及其優勢和局限性有全面的掌握與了解，能夠對現有的資料進行分析與總結［11］。例如，在自制模擬工業SO2吸收實驗裝置時，學生需要進行工業脫硫方法、脫硫原理、模擬實驗裝置的流程等理論知識的學習，還要了解裝置中真空泵、流量計、減壓閥和其他配件的類型、使用條件和安裝方法等。這些知識的儲備使得學生在操作儀器時不僅僅停留在使用層面，更激發了他們對儀器裝置更深刻的反思，為發現儀器功能不足、激發學生自主研究提供了可能。裝置的制備過程，使學生有了制備儀器的體驗和經驗的積累，在不斷反思和提升中有利于形成獨特的思維方式，在認識新事物、解決新問題時更容易激發學生的創新意識，產生獨特的策略或技巧，并成為學生不斷參與實踐活動的動力。

2.2增強動手環節，培養工程能力

動手操作是掌握實踐技能的中心環節，是理論知識和經驗內化的過程。自制試驗裝置，需要學生通過各種渠道收集國內外設備相關信息的收集，資料經整理后制定初步的設計方案，通過修改、技術論證確定最終的實施方案并執行［12］。這些過程每一個環節，大到立項、方案制定，小到各種零部件的采購、組織安裝都需要學生積極參與、親自動手，學生的實踐動手能力得到很大提高。另外，項目的順利開展需要學生同學校不同部門、社會不同行業進行溝通和協調，儀器現有類型需要進行市場調查，設備制作過程中需要咨詢相關專業老師的意見，這些過程直接或間接培養了學生解決實際問題的能力，提高了學生的綜合素質。實踐教學體系的完善增設了自制實驗裝置項目，使學生更多地了解校外其他單位和整個環保行業目前使用儀器的狀況和他們對新儀器的需求，突出了關于儀器制備的工程教育實踐環節和工程訓練，增強了學生的工程意識和解決工程問題的能力。

2.3形成創新思維，提高綜合素質

自制試驗裝置實踐實現了知識和技能向問題解決策略的轉化，激發了學生思考的積極性，啟迪了學生的思維創造性和各方面素質的綜合提高。以自制試驗裝置為重要環節的人才培養體系為學生提供了一個良好的實踐環境，使教學實踐變成啟發、探究、培養創新思維的實踐過程。通過自制試驗裝置實踐，學生由以往被動獲取知識轉變為主動汲取知識甚至創造知識，思維方式得到極大轉變，創新意識逐漸形成;實踐共同體的配合、教師的指導和實踐環境的刺激充分提高了學生團隊合作能力、心理素質和社會交往能力等，綜合素質得到很大提高。當學生看到自己的成果對實驗教學和科學研究有明顯的作用時，必然會提高學習興趣，激起研發熱情。創新性思維是當代大學生最需要的素質，這是改變中國制造向中國創造的前提。

3學生自制試驗裝置的實踐活動的探索

自制試驗裝置是開展工程問題模擬研究的必要手段，模擬試驗具有環境條件可控性、重復性和經濟性的優點。同時，模擬設備的研制是工科學生從事創新實踐應具備的基本能力。現實的環境問題也需要開展自制試驗裝置的研究。如學生在開展利用污泥啟動微生物燃料電池(MFC)處理廢水的研究創新型項目時，就需要研制以微生物為催化劑將儲存在有機物中的化學能轉變成為電能的廢水處理裝置。探討不同種類污泥啟動MFC時間和差異，廢水處理效率和產電效能的變化，當MFC達到最大電壓時，電極微生物群落的異同及對產電的貢獻。當然還需要配置電流電壓在線監測裝置及MFC性能監測設備，形成一整套的自制試驗裝置，開展相應的研究。在這個裝置研發過程中，學生要儲備知識，了解整個過程的原理，激發自主研究，形成創新思維，完成自制試驗裝置。這套裝置花費不多，卻可以研究不同環境條件下，微生物燃料電池(MFC)處理廢水的效果。如果沒有這套裝置，就不能開展相應的研究。在開展重金屬在土壤中的遷移轉化規律研究時，需要進行土柱淋濾試驗的自制試驗裝置設計。試驗裝置可以由有機玻璃柱、供液瓶、采樣器3部分組成。為了連續采樣方便，可以設計定時控制器;為了研究不同介質對重金屬的遷移轉化規律的影響，還需要在有機玻璃柱不同深度處開設采樣孔;為了了解活性介質對重金屬的還原、吸附、絡合、沉淀等作用，需要考慮介質的添加方式。最后再與分析儀器結合，就能模擬不同情況下，重金屬在土壤中的遷移轉化規律。在開展污水的有機物污染物的去除、污水廠剩余污泥產酸發酵過程中反硝化問題、鹽堿水體的生物修復技術研究等都需要自制試驗裝置來完成各種模擬過程。只要對裝置想要實現的功能進行剖析，綜合運用所學的專業知識，就能在研制試驗裝置的過程中培養學生的實踐能力和創新思維。

4結束語

高校承擔著培養解決我國未來復雜環境問題人才的重任。通過完善培養學生實踐能力的實踐教學體系建設，使學生能夠充分參與到自制試驗裝置的實踐中，加深對理論知識的理解，將實踐和理論緊密結合，激發他們的創新思維，從而全面提升學生的綜合實踐能力，為我國環保行業儀器、設備的研發儲備高素質人才。自制試驗裝置是實驗教學、科研的重要成果之一，對促進實驗教學改革、豐富教學內容、改進實驗手段和加強實驗室建設都具有重要意義，可以在今后環保產業、社會經濟、科技進步等服務項目中發揮作用并打下了良好的基礎。

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作者：陳友媛 許國輝 劉小麗 楊世迎 單位：中國海洋大學環境科學與工程實驗教學中心 環境科學與工程學院