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。