為了促進實驗教學與科研、實際應用進一步接軌,提出“以硫酸鋁和聚氯化鋁為絮凝劑設計對比脫色實驗”這一新的實驗項目,代替單用硫酸鋁進行絮凝脫色的驗證性實驗。學生自主設計實驗方案,考察處方(用量和pH值)和工藝(攪拌的速度梯度)對兩種絮凝劑脫色效果的影響,并借助統(tǒng)計軟件完成數(shù)據(jù)分析,撰寫實驗論文。從實驗的系統(tǒng)性、價值性、學習的自主性、積很性以及對理論學習的輔助性這五個方面進行比較,學生對改革后的實驗項目認可度更高,且與教師交流的次數(shù)也明顯增多。經(jīng)驗證,改革后的絮凝脫色實驗更有利于培養(yǎng)學生分析問題、解決問題及實踐創(chuàng)新的能力,為學生的繼續(xù)教育和就業(yè)奠定扎實的基礎。

目前，絮凝脫色實驗是各高校“水污染控制工程”教學中必不可少的一個實驗，普遍選擇硫酸鋁/明礬/硫酸鐵/三氯化鐵中的任一個無機絮凝劑進行脫色實驗，但在科研和實際應用中，無機聚合絮凝劑，如聚氯化鋁(PAC)/聚合硫酸鋁(PAS)/聚合氯化鐵(PFC)/聚合硫酸鐵(PFS)普遍更受歡迎，這主要是因為無機聚合絮凝劑適用的p H值范圍寬、脫色效率高。為此，將無機聚合絮凝劑引入實驗教學中，與普通的無機絮凝劑做一個對比研究具有重要意義。

為了促進實驗教學與科研、應用進一步接軌，提出“以硫酸鋁和聚氯化鋁為絮凝劑設計對比脫色實驗”這一新的實驗項目，代替單一絮凝劑的驗證性實驗，讓學生自主設計實驗方案考察處方（用量和pH值）和工藝（攪拌的速度梯度）對兩種絮凝劑脫色效果的影響，對于設計好的實驗方案，指導教師會提前進行點評和交流，幫助學生順利完成實驗設計，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計到現(xiàn)象的分析都積很采用啟發(fā)-引導-互動式的教學方法。經(jīng)改革的絮凝脫色實驗，在絮凝劑的選取方面更注重實際應用情況，從授課方式而言，給予學生更多自主學習和獨立思考的空間，將發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)體現(xiàn)在實驗教學中，為繼續(xù)教育和就業(yè)市場輸送更優(yōu)質(zhì)的環(huán)保人才。

圖1 硫酸鋁與聚氯化鋁的絮凝機理圖

1 實驗設計的理論基礎

本實驗教學中所用的染料為BL藍，其在水溶液中，為帶負電荷的膠粒，由于彼此之間存在靜電排斥，呈藍色的均一溶液。對于硫酸鋁而言，其在水溶液中會先發(fā)生電離，生成帶正電荷的鋁離子，鋁離子會與染料膠粒結合，中和其表面負電荷，隨著硫酸鋁用量增多，染料膠粒的表面電荷由負值向正值轉(zhuǎn)變，當表面電荷恰好為零時，此時絮凝效果較佳，膠粒間的排斥力也為零，較有利于絮凝發(fā)生，但是用量過多，會使膠粒表面帶上正電荷，靜電排斥力增大，原本形成的絮體又會分開，這種現(xiàn)象稱之為“返混”。而p H值對硫酸鋁來講也會有較大影響，這主要是因為硫酸鋁必須先和溶液中的OH-反應，才能電離出有效的鋁離子，所以pH值過低或過高都會導致絮凝效果變差。

聚氯化鋁是氯化鋁與大量OH-反應所得的高聚物，其溶于水，即可得Al(OH)n+，不需與OH-發(fā)生電離反應，所以pH對其影響較小。而且Al(OH)n+有很多支鏈，其吸附于染料膠粒表面后，不僅能中和電荷，還會通過支鏈連接其他的染料膠粒，快速形成體積較大且穩(wěn)定的絮體，即使聚氯化鋁用量增多，也不會出現(xiàn)“返混”現(xiàn)象。

綜上所述，兩種絮凝劑的絮凝機理并不相同（具體如圖1所示）。對于硫酸鋁而言，絮凝機理主要是電中和，而聚氯化鋁的絮凝機理包括電中和、吸附、橋架及交聯(lián)作用。所以，學生通過對用量和p H值這兩個處方因素的考察，可觀察到有差異的實驗結果和絮凝現(xiàn)象，從而加深對絮凝機理的理解，建立正確的絮凝劑優(yōu)選觀念。

從工藝的角度來看，攪拌的速度梯度（G值）是一個影響絮凝效果的關鍵參數(shù)。絮體的形成需要經(jīng)歷兩個階段，是混合過程，必須使絮凝劑的有效成分在盡可能短的時間內(nèi)迅速均勻地分散到染料溶液中，所以混合過程要求強烈、快速、短時；第二是絮凝階段，創(chuàng)造合適環(huán)境促使細小顆粒有效碰撞逐漸長成大顆粒，較終通過重力沉降，實現(xiàn)固液分離，所以攪拌速度必須由快逐漸轉(zhuǎn)慢。理論建議混合階段的G值應在700-1000(s-1），絮凝階段的G值應在20-70(s-1）[15]，鑒于此，以往的驗證性實驗都是直接提供給學生合適的轉(zhuǎn)速，但在改革的絮凝脫色實驗中，學生將結合直觀的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)去體會G值對絮凝效果的影響，從而確定較佳的速度梯度。

2 實施方法和效果

2.1 實施方法

鑒于2017級環(huán)境科學和環(huán)境工程專業(yè)在絮凝脫色實驗的學習中，設置的項目是硫酸鋁的驗證性實驗，故以此為參比組。其實驗方案由教師直接提供，所需試劑也由實驗員根據(jù)方案預配好，學生只需照方案進行操作，獲得實驗結果，并完成報告。在2018級環(huán)境科學和環(huán)境工程專業(yè)中開展改革后的絮凝脫色實驗，作為實驗組，每2至3人一組進行實驗，完成教學大致需要以下五個步驟：

(1）提前一周將課題“以硫酸鋁和聚氯化鋁為絮凝劑設計對比脫色實驗”給學生，指導他們使用中國知網(wǎng)、pubmed等國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫進行文獻檢索，教會他們選擇合適的關鍵詞去檢索現(xiàn)有的研究成果，獲取有價值的信息；

（2）學生自主設計好實驗方案，與教師進行探討，在這個過程中要培養(yǎng)學生有“學科交叉”的科研思維，要擴寬思路，檢索領域不只局限于硫酸鋁和聚氯化鋁，其他無機絮凝劑和無機聚合絮凝劑也可借鑒，在評估了實驗的可行性后，師生共同敲定實驗方案；

（3）實驗課不再局限于規(guī)定的時間內(nèi)進行，可選擇實驗室開放的任一時間段進行實驗，實驗試劑的配制和儀器的使用都可自主選擇，儀器使用中遇到任何困難可請教實驗員；

（4）整理匯總實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，出現(xiàn)異常結果時可在查閱文獻后與教師探討，理清思路；

（5）指導學生使用excel、origin等軟件統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)，以圖表等形式呈現(xiàn)結果，尋找規(guī)律，教會他們橫縱向分析實驗數(shù)據(jù)，回歸理論，以論文的形式撰寫實驗報告。

圖2 問卷調(diào)研結果統(tǒng)計圖

注：（1）實驗的系統(tǒng)性；（2）實驗過程的自主性；（3）對實驗內(nèi)容的感興趣程度；（4）實驗的價值性；（5）是否有助于絮凝理論的學習；（6）師生交流探討的次數(shù)。

2.2 實施效果

采用問卷調(diào)研的方式，收集參比組和實驗組的所有學生對該實驗的反饋意見，主要包括六個方面：

（1）實驗的系統(tǒng)性；

（2）實驗過程的自主性；

（3）對實驗內(nèi)容的感興趣程度；

（4）實驗的價值性；

（5）是否有助于絮凝理論的學習；

（6）師生交流探討的次數(shù)。其中，前五個方面是以星級高低的方式來體現(xiàn)效果的好壞，較高級別是5顆星，較低級別是1顆星，而“師生交流探討的有效次數(shù)”是由學生根據(jù)真實情況填寫，具體結果見圖2。

3 分析與探究

通過上述調(diào)研結果可以看出，學生對“以硫酸鋁和聚氯化鋁為絮凝劑設計對比脫色實驗”的認可度更高。從選用的絮凝劑、授課方式、學習動機、收獲成效等角度進行分析，改革前后的兩個實驗存在較大差異，具體見表1。

4 結語

站在拉近實驗教學與科研、實際應用之間距離的角度，對絮凝脫色實驗進行改革。就教學內(nèi)容而言，引入了聚氯化鋁與普通無機絮凝劑做對比，考察處方和工藝對絮凝效果的影響；就教學模式而言，不再是“老師填鴨式講授，學生照單抓藥”，而是“發(fā)問-引導-深入-淺出”的創(chuàng)新思路，這與《高等教育心理學》中所提到的“以創(chuàng)設問題情景、實施啟發(fā)式教學來激發(fā)學生的學習動力”是不謀而合的[15]。雖然改革絮凝脫色實驗的初衷不止是加深對理論的認識，卻因為充分地激發(fā)了學生對實驗的興趣，通過系統(tǒng)地查閱文獻和動手實踐，使學生掌握了更全面的絮凝機理，而且在這一過程中，遇到的困難會很多，與教師交流探討的次數(shù)也更多，是引導學生建立良好的科研習慣、培養(yǎng)分析問題、解決問題、實踐創(chuàng)新能力的較佳時機。所以這一實驗方案的改革，不僅有利于絮凝機理的學習，而且該教學模式與科研、實際工作軌跡相似，可為繼續(xù)教育和就業(yè)奠定扎實的基礎。