周海東,詹 詠

(上海理工大學 環(huán)境與建筑學院,上海 200093)

2016年6月,我國成為《華盛頓協(xié)議》正式成員,工程教育認證體系得到國際認可,工程教育邁上新的發(fā)展臺階,從而激發(fā)了工科專業(yè)開展工程教育認證的熱情,以提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。工程教育認證中重點強調(diào)科學實踐,促使學生在科學探究和解決復雜工程問題中應用和增長科學知識[1]。學生獲得學位,學習了科學和工程知識,但通常很少能充分掌握如何有效應用科學與工程知識。當學生在大學里不能有效應用科學與工程知識時,教育模式和未來工作間就會出現(xiàn)關(guān)鍵性的脫節(jié)。因此,應推動教學改革,開展工程教育認證,重視科學實踐,以提高學生的學習效果。

工科類實驗課程往往是通過演示或動手實驗,以強化學生對教學中所涉及的概念理解。實驗對學習的作用很大程度上取決于實驗的本身。實驗教學方式可以有演示性(或傳統(tǒng))、發(fā)現(xiàn)式、問題導向性和探究性。演示性、發(fā)現(xiàn)式、問題導向性的實驗,其結(jié)果通常是預先確定的。而探究性實驗,其結(jié)果是不確定的,操作程序由學生制定,這非常有利于對科學與工程知識的理解與應用,有利于工程型人才的培養(yǎng)[2]。

一些文獻報道了探究式實驗的實施和評估[3-10]。除了以問題引導下的實驗練習,學生問卷是評價課程的主要工具。Berg等[11]開展了一個較全面的研究,評價兩組學生;一組進行演示性實驗,而另一組開展探究式的同一實驗。根據(jù)對學生問卷的分析,表明探究式實驗更有助于學生的學習。由于必備的資源(例如時間、設備、人員)所限,探究性實驗難以頻繁實施,對其報道相當有限。探究性實驗的局限性也促使了演示性實驗的普遍使用。

本文介紹了環(huán)境工程本科生在水處理綜合實驗中探究式實驗的開展和評價。通過評價問卷的統(tǒng)計分析,對傳統(tǒng)實驗與探究式實驗在提高學習效果方面進行了比較,對探究式實驗的有效性做出評價。

一、探究式實驗的實施

水處理綜合實驗是上海理工大學環(huán)境工程專業(yè)本科課程,是獲得學士學位的必修課。其先修課程是環(huán)境工程原理和水污染控制工程。課程每學年開設一次,安排在第5個短學期。在2014年下半學期之前,水處理綜合實驗基本采用演示性(“傳統(tǒng)”)實驗,即提供實驗理論和程序的講義給學生;實驗小組進行實驗,每人根據(jù)每次實驗的結(jié)果,單獨寫一份實驗報告并提交。整個學期至少進行5次實驗。傳統(tǒng)實驗主要集中在水污染控制工程為基礎(chǔ)的各處理單元(例如,混凝/絮凝、沉淀、吸附、氧化、生物處理)。通常第一次課安排的是實驗室安全討論課,而且在學期內(nèi)有專業(yè)認識實習,安排兩次污水處理廠的現(xiàn)場考察。

自2014年下半學期開始,對水處理綜合實驗教學大綱進行修訂,納入探究式實驗,努力適應解決復雜工程問題的工程教育認證標準。傳統(tǒng)實驗的數(shù)量從5次減少到3次,并要求必須有一個探究式試驗。對于探究式實驗,要求每一組確定一個問題,并對此問題設計解決方案和開展實驗,記錄結(jié)果、提交個人的實驗報告。探究式實驗成績占水處理綜合實驗課程最終成績的40%,是終極的實驗室訓練。

探究式實驗一般根據(jù)學生性格和能力分組,也適當允許學生選擇小組。先在小組內(nèi)進行充分的討論,確保探究式實驗課題在環(huán)境工程專業(yè)實驗室所提供的分析平臺和資源下能順利地進行,學院工會也為此課程提供支持。每一組采用頭腦風暴方式討論當前熱點環(huán)境問題,并咨詢實驗教師和專業(yè)教師關(guān)于進行該實驗課題的可行性。鼓勵學生查閱期刊、文獻和互聯(lián)網(wǎng)信息。提醒學生們必須定義一個特定問題,同時牢記須對該問題進行實驗,并檢驗預期結(jié)果。

實驗課題一旦最終確定,學生們需提交選題說明,詳細列出針對的問題、建議的程序、所需的材料、預期的結(jié)果和結(jié)論。三學年,共開展30個探究式實驗,涵蓋污水處理、污水資源化利用和水環(huán)境修復。由于學生設計的實驗數(shù)量多,在此僅討論少數(shù)突出的案例。

2014年下半學期,某一小組研究了地下水重金屬污染的治理。這個實驗是根據(jù)2013年河北滄縣某村的地下水呈鐵紅色,而當?shù)氐沫h(huán)保局長竟稱“紅的水未必不達標,紅小豆煮出的飯也是紅色”的新聞設計的。學生從當?shù)氐奈廴驹春皖愃频钠渌亟饘傥廴镜奈墨I了解到,地下水的污染與地面的化工廠和垃圾填埋有關(guān),并指出了環(huán)保局長言論的錯誤。他們運用模擬的紅色地下水溶液,通過pH調(diào)節(jié)、混凝沉淀、活性炭吸附方法,評估重金屬的去除效果。

針對2015年8月12日天津港爆炸事故中由氰化物泄漏所引起的地表水及可能的地下水污染問題,某一小組在2016年下半學期實驗研究了水中氰化物的快速高效降解技術(shù)。學生們采用不同的氧化技術(shù),并與生物處理技術(shù)相結(jié)合,測定進、出水中氰化物的濃度,比較各工藝技術(shù)的處理效果,推薦最佳技術(shù)。

二、探究式實驗的評價

(一)調(diào)查問卷

設計了調(diào)查問卷,探究式實驗與傳統(tǒng)實驗相比,探究式實驗取得了好的學習效果。該評價是學校學期末例行的課程和教師評價的一個補充。表1所示為整個三學年所使用的調(diào)查問卷。問題Q1至Q4分別賦與某一數(shù)值,便于對回答作統(tǒng)計分析;問題Q5至Q9是開放式的,以鼓勵學生說明探究式實驗的優(yōu)缺點。

(二)基于學生反饋的評價

表2列出了學生對學習效果、工作量和組內(nèi)表現(xiàn)等各項的綜合回答情況。t檢驗表明,探究式實驗相對于傳統(tǒng)實驗提高了學習效果。此外,探究式實驗的占分比例可合理地反映工作量,小組能很好地進行實驗。對表1中問題Q3的回答表明,學生建議今后開展探究式實驗的平均次數(shù)為1.2(95%置信區(qū)間1.1～1.3),這意味著在其后的每個年級應開設至少一次探究式實驗。

表1 探究式實驗的學生調(diào)查問卷Tab.1 Questionnaire distributed to students to evaluate inquiry experiments

單因素方差分析(ANOVA)用于評價某些因素是否影響表1中問題Q2和Q3的回答。P值小于或等于0.05,可認為是顯著的影響。表3列出了P值,P值小于0.05,表示該因素對某一問題回答的影響的顯著性。認為探究式實驗與傳統(tǒng)實驗相比有助于理解環(huán)境工程基本概念(問題Q2(a))的學生數(shù)量,在學年間有明顯的不同。進一步的分析表明,探究式實驗開設的第一學年,學生的反應明顯高于以后的學年。這是由于學生知道這種實驗是第一次開設,因而更重視這次鍛煉。

表2 Q2(a)至Q2(e)的學生綜合回答情況分析Tab.2 Analysis of composite student responses toQuestions 2(a) to 2(e)

*分值:完成贊成=+2,贊成=+1,無所謂=0,不贊成=-1,完全不贊成=-2

表3 ANOVA分析不同因素對學生在Q2和Q3上回答的影響(P值)

無論是學年因素,還是教師因素,都不影響學生對Q2(b)的回應,表明通過學生選題進行探究式實驗,與傳統(tǒng)實驗相比,可將課程學到的理論更好地進行實體化應用。教師可影響學生對設計和開展實驗的理解(Q2(c)),這可能是由于教師在布置任務及布置方式上存在差異。表3也顯示了學年間及教師間探究式實驗占分分值(Q2(d))的差異。這可能是由于每學期學生選擇的探究式實驗難度不同及每個教師指導的差異。

開展探究式實驗的性別、年級和GPA并不影響學生對Q2和Q3的回答,但是女生比男生更相信探究式實驗有助于強化她們對環(huán)境基本概念和應用的理解。對于Q4,三學年132位所調(diào)查的學生中,壓倒性的92.4%學生是第一次接觸探究式實驗。僅有20個學生(占7.6%)以前接觸過類似的探究式實驗,這些不足8%的學生可能是由于外部課程(基礎(chǔ)學科實驗室或高中[12])而接觸探究式實驗。

調(diào)查問卷還包含5個開放式回答的問題,給學生自由發(fā)言的機會,以討論探究式實驗的有利和不利方面。表4對學生的典型回答進行了總結(jié)。

表4 開放式問題及學生的主要回答總結(jié)Tab.4 Summary of open-ended questions andstudents’ main answers

設計實驗自由/制定流程自由是為數(shù)最多的學生(占38%)認可探究式實驗的一個主要特征。另有24%學生受訪者提及選題自由是他們喜歡的探究式實驗的一個關(guān)鍵特征,而有13%的人則對此特別反感。大約15%的學生希望實驗分組的規(guī)模更小些。這些受訪者主要來自2014年下半學期和2015年下半學期的學生,當時10～15名學生組成一個小組。接下來的調(diào)查顯示,幾乎沒有學生希望再調(diào)整小組規(guī)模。盡管這種差異主要在分組的學生數(shù),但并沒有明顯影響各學年間學生在組內(nèi)的表現(xiàn)(表2中學年對Q2(e)的影響)。能夠自己選擇小組的學生,與被分配到指定小組的學生相比,看法也基本一致,即他們的小組干得很好。當被問到他們想做什么時,53%受訪者建議了40個有創(chuàng)意的主題。由此看來,學生們在探究式實驗中表現(xiàn)出一定程度的創(chuàng)造性思維。雖然探究式實驗得到學生們的普遍認可,但部分學生仍期望能在實驗中獲得教師更多的指導。在以后的教學中,可通過逐步強化學生在實驗中的獨立意識,加大獨立工作量,實現(xiàn)從傳統(tǒng)實驗向探究式實驗過渡。

三、結(jié)論

將探究式實驗引入環(huán)境工程專業(yè)水處理綜合實驗教學,經(jīng)對完成探究式實驗的學生的調(diào)查研究表明,該實驗增加了其對基本概念和理論應用的理解。學生普遍認為,在未來的水處理綜合實驗中應該至少納入一個探究式實驗。學習效果的提高與學生在實驗小組中表現(xiàn)密切相關(guān),與學年、教師、組的規(guī)模、選擇標準等因素無關(guān)?？傮w上,學生認可探究式實驗。只要有足夠的資源,探究式實驗是一個有用的實驗教學方法,可讓學生將更多的精力用于學習,提高學生對基本概念和理論的掌握以及對知識的應用能力。