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【关键词】物联网；下水道及化粪池；可燃气体；监控预警系统
1.引言
城市下水道和化粪池担负着生活污水、工业废水的接纳、输送功能，但由于其相对封闭，环境特殊，污水中的有机和无机物质在密闭的管道中，在厌氧条件下受微生物作用，会分解产生多种有毒有害、易燃易爆气体。如若管理不善，容易造成气体蓄积，当达到一定浓度后，若泄漏会造成人员中毒，如遇明火则极易产生爆炸，造成伤亡事故，对人民群众的人身和财产安全造成危害。近年来，由于下水道、化粪池内可燃气体浓度过高，市政排污管道可燃气体爆炸事故成了国内多发的事件。由于历史的原因，我国城市下水道管网设置不够合理，处理设施维护管理不规范；其次，城市化进程过快，城市人口密度大，管网设施使用负荷较高；同时，还与公民的环境教育、环境意识、环境道德，以及政府的环境立法、执法有关。显然，除了积极开展正面的环境意识教育，完善设施维护以外，更重要的是建立一套可燃有害气体监测预警机制，做到防患于未然。
为了达到安全性预报的目的，传统的环境污染源应急监测主要基于单台仪器的间断方法，甚至是人工取样、实验室分析的非在线式监测。此方法存在三个方面的明显不足：一是具有间断性；二是无法实现数据共享、在线测量和远程监控；三是需要花费大量的人力、物力、财力。
下水道、化粪池气体的自动监测技术是一种最小人工干预的安全预警的实时在线连续监测并预警的自动化系统，它能够通过网络远程中心，自动地监控下水管道设施内可燃气体状态，实现在线、动态、实时的监测与控制。所以，开展城市市政下水道、化粪池的长期、远程在线监控研究意义重大。
2.系统设计方案
本系统的研究目标是设计一种可燃气体的智能监控预警系统，即用于市政下水道和化粪池中可燃沼气浓度和相关信息的实时采集和远程监测，对市政污水管网设施的安全运行实现监控和预警，确保污水管网设施的稳定和安全运行。
本系统基于物联网平台，利用高灵敏度、性能稳定的红外气体传感器和无线传感网络，传输数据实时、稳定、可靠；系统监控中心能及时发现可燃气体的异常信息，并发出警报。系统由三个子系统组成：气体浓度检测系统、数据传输系统和监控中心系统。气体传感器实现监测目标气体浓度的检测，数据传输系统完成监控中心与浓度检测系统之间的无线数据通信传输；监控中心系统通过合理的软件结构设计，实现可燃气体浓度的实时监测和安全监控预警功能。
为了实现对城市市政下水道和化粪池可燃气浓度的预警监控，满足监测的自动化、网络化和实时性要求，在进行广泛调研现有技术现状后，本设计提出了以下的预警监控系统设计思路和设计方案。采用模块化的思想，将系统设计为三个子系统：气体监测与数据采集子系统、数据传输子系统、数据处理与监控中心子系统。其结构如图1所示。
预警监控系统主要包括：现场仪器：用于现场数据采集，包括气体浓度传感器和数据采集仪器；传输网络：用于进行数据传输；监控中心：对系统进行控制、对数据进行分析处理。监控中心通过传输网络与污染监测点的监测设备、数据采集系统联网，进行监测数据交换、实况监测、指令应答和决策调度，从而实现对监控目标的远程、实时监控。监控系统总体结构示意图如图2所示。
3.系统的主要技术路线
3.1 可燃气体检测
非分散红外（NDIR：Non Dispersive Infrared）气体分析仪作为一种快速、准确的气体分析技术，特别连续污染物监测系统（CEMS）以及机动车尾气检测应用中十分普遍。随着红外光源、传感器及电子技术的发展，NDIR气体传感器在国内外得到了迅速的发展。主要表现在采用新型红外传感器及电调制光源，在仪器电路上采用了低功耗嵌入式系统，使得仪器在体积、功耗、性能、价格上具有以往仪器无法比拟的优势。
3.2 物联网
物联网即EPC（ElectronicProductCode产品电子代码）系统是在计算机互联网和射频技术RFID的基础上，利用全球统一标识系统编码技术给每一个实体对象一个唯一的代码，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of things”。EPC系统是一个非常先进的、综合性的和复杂的系统，其最终目标是为每一实体对象建立全球的、开放的标识标准，主要由6个方面组成：EPC编码标准、RFID标签（Tag）、阅读器（Reader）、神经网络（Savant）系统、对象名解析服务（ONS）、实体标记语言（PML）。
3.3 射频识别技术
射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种高级的自动识别技术，利用它通过无线射频方式进行非接触式的全双工数据通信，以对实物目标加以识别；阅读器（Reader）可控制射频模块向电子标签发射读取信号，并接收标签的应答信号，同时可对电子标签的对象标识信息进行解码，从而将对象标识信息连带电子标签上的其它相关信息传输到Savant系统以供处理；Savant是一种软件技术，在EPC网络中扮演中枢神经的角色并负责信息的管理和流动，减少从阅读器传往企业应用的数据量，确保现有的网络不超负荷运作；对象名解析服务（ONS）是联系前台Savant软件和后台PML服务器的网络枢纽，把Savant引入储存该产品信息的企业数据库；实体标记语言（PML）是EPC网络中的通用语言，用来定义物理对象的数据。
3.4 系统软件总体设计
监控中心数据服务器软件以Windows为工作平台，采用先进的软件开发环境和软件开发工具，充分利用可视化及事件驱动特点，采用对象化结构，具有用户界面友好、函数资源丰富、开发工作量较小的优点，易于实现模块化，观测结果存放采用后台Access数据库，并具有观测点数据统计、历史数据查询等功能，使大量人工劳作由计算机快速而准确地完成。从软件功能上，系统由组态软件、数据服务器软件、监控软件构成。组态软件负责完成数据库组态，主要组态内容包括监控节点组态、报警上、下限组态、报警动作组态等。数据服务器软件负责完成数据的发送和接收，监控节点状态检测，报警检测，报警信息的发送以及短息查询处理等。而监控软件负责现场监控节点实时数据的显示，监控中心报警处理，历史趋势处理，报表处理等。
4.主要技术关键及技术指标
4.1 主要技术关键
1）采用感应器对下水道及化粪池中可燃气体进行监控并预警；2）建立可燃气体模型，采用智能控制技术对监测设备进行实时控制；3）使用物联网技术实现数据传输；4）系统接口还保留许多扩充部分，如增加其他传感器，只需再经过进一步软件扩充与完善，就能实现其他更多气体的监测；5）无线传输可执行一对多的方式（即一个监控中心，接收多个监测点发出的不同数据）。
4.2 主要技术指标
工作温度：-40°C～+70°C（可燃气）；工作湿度：＜95%RH（非冷凝）；检测误差：＜5%F.S；防护等级：IP66；输出信号：4～20mA模拟信号；工作电源：10～30V DC。
5.结语
该自动监控系统将无线传感器网络技术运用于市政排水管道可燃气体监测，并从基于物联网传输技术的远程数据传输系统的设计，基于先进的气体传感器检测技术和数据获取，基于寻找一种具备统一性、开放性的环境监测体系结构和成本相对较低的网络传输结构来组成这种环境监测的体系，基于设定一套统一的预警监控技术标准，实现大范围环境自动监控系统的数据共享、业务协同等几个方面开展工作，通过实际建设将研究成果直接应用于城市下水管道和化粪池设施的实践过程中，有较高创新性研究成果和实用价值。
参考文献
[1]卜秋平.城市污水管网的建设与管理[M].北京:化学工业出版社,2006.
关键词：水污染控制工程；教学改革；教学方法；教学实践
水污染控制工程是一门重要的环境工程专业课程，也是一门综合性较高，同时融合了数理化基础知识并且具有极高的应用性的课程，只有通过明确课程定位，优化课程体系，革新教学内容，丰富教学方法，加强实践环节等一系列措施，才能更好地完成教学目标，提高学生在实际应用中解决问题的能力。本文就现阶段水污染控制工程教学中的人才培养方案存在的问题予以提出和讨论，以达到教学目的，为社会培养更加优秀的环保人才。
一、革新教学内容
环境工程专业的人才培养定位体现了工程型、应用型人才的培养目标，提高学生的综合素质，培养合格的环境工程技术型人才。我校环境工程专业中水污染控制工程教学安排在第六学期，讲授的内容包括理论讲授、课程实验、课程设计和工程实践四部分。这种培养模式显然不适合环境科学专业学时少的教学，因为在较少的学时内无论如何是完不成如此多的教学内容的。
因此，在课程教学上应适当增加教育课时，将课堂课程与实验课程分开教学，同时为了增加课堂与实践的结合，在课堂教学内容方向上做调整，一是应重视本专业相关课程的知识整合与衔接，加大理论学时，加强基础理论学习；二是多综合，把现代技术与先进的理论适时地传授给学生。结合水污染控制理论和工艺技术的进步，以及我国规范、标准的改进，及时更新过时工艺技术，同时结合近年毕业设计中工艺方案选择、构筑物计算与图件绘制等方面存在的共性问题，有针对性地进行了城市生活污水和工业废水工艺方案选择的教学以及讨论。
二、优化教学方法
1.强化多媒体教学
在水污染控制工程课程教学中强化采用多媒体教学，不仅给课堂教学带来了勃勃生气，活跃了课堂气氛，调动学生学习的积极性，提高教学效果，还通过文本、图像、动画、声音等方式，创设情景，激趣，突出重点，化静为动，在一定程度上发展了学生的思维，培养了学生的能力，大大提高了课堂教学效率。
2.增加课堂实例，引导学生思维兴趣
一个人一旦对某事物有了浓厚的兴趣，就会主动去求知、去探索、去实践，并在求知、探索、实践中产生愉快的情绪和体验。所以激发起学生的兴趣，学生就会积极主动地学习并学得轻松而有成效。
3.组织课堂讨论
教学中的课堂讨论是学生在教师的指导下，就教材中的基础理论或主要疑难问题，在独立钻研的基础上，共同进行讨论、辩论的教学组织形式，可以全班集体讨论，也可以分组进行讨论。课堂讨论可以加深学生对理论知识的理解，有助于启发学生独立思考、相互交流意见，培养他们独立分析问题、解决问题的能力和训练口头表达能力。
三、实践课堂相结合
据我们观察，现阶段的实践环节仍局限于传统的教学，教学实验多为“按部就班”的验证性实验，学生主动参与的积极性难以发挥；生产实习受经费限制仅仅停留在“走马观花”，难以深入到生产第一线；课程设计没有完全结合工程实际，是学生被动接受的教学。主要表现在：①功能单一，实验室基本上按课程设置安排实验，实验内容单一，演示型、验证性实验多，设计型、综合性实验少。②地位从属，实验室从属于系部、教研室，实验课过多依附于理论教学，没有实现从课程实验到实验教学的根本转变，实验室独立教学能力很弱，缺乏应有的活力。
四、结合地方产业结构需求教学
水污染控制工程教学体系应该紧密结合地区产业特色与污染特点，本着解决地方环境污染问题和经济建设培养为目的，从认识实习、理论教学、实验教学和设计教学等环节进行全方位的改革；例如，上海地区河流较多且分布较密集，工业生产污染物排入河流情况严重，在水污染工程教学中，宜适当增加河流污染控制的讲解。总之，在人才培养大众化的新形势下，水污染控制工程课程体系教学只有根据课程特点，结合区域特色，不断地对认识实习、理论教学、实验教学和设计教学进行改革，才能培养出符合地方产业需求的新时代技能型、应用型环保人才。
对水污染控制工程的实践教学体系的探讨和建设是时展的需要，是身为教师的职责。我校在水污染控制工程课程方面的教学改革仅仅是一个开始，还需要不断地探索和完善，并且要综合考虑它的前续和后续课程以及该课程在培养专业创新人才方面的地位，从而形成改革的总体思想，达到学生能够学以致用的目的。
参考文献：
[1]徐晓毅.水污染控制技术.课程课堂教学改革与实施[J].中国校外教育：下月刊，2011（5）：104.
[2]李潜，吴春笃.浅谈“水污染控制工程”课程的多媒体教学[J].科技教育，2008（27）：167-168.
[3]冯俊生，陈小红.水污染控制工程实验教学改革与实践[J].成功：教育，2007（1）：153-154.
水污染控制工程课程改革理实一体《水污染控制工程》是高职环境类专业的核心课程，本课程的教学目标是使学生能运行、调试和初步管理各类污水处理设施及构筑物，能根据污水中污染物的类型选用不同的污水处理工艺，能初步解决污水处理运行中出现的疑难问题等。在课程改革过程中，以工作过程为导向，建构学习领域；以工作任务为驱动，设计学习单元，并在教学过程中突破传统教学方法，探索理实一体教学新模式。
一、课程设计
1.课程设计思路
通过对大庆市区附近石化企业调研，确定污水处理工工作岗位职责；根据岗位“应知应会”水平选取典型工作任务；将典型工作任务与理论知识相融合，设计若干学习任务单元；以学习任务为驱动实施课程教学。新构建的课程内容，是按照工作任务来序化知识，将理论知识与实践技能融合，形成“以工作任务为驱动”的课程体系。
2.教学内容的重组
教学内容设计成3个模块，每个模块有若干学习任务单元，每个学习单元作为一个项目，由若干的工作任务来完成。通过完成相应的工作任务实现实践技能和理论知识的融合。
理论教学内容的选取，加强各处理技术单元的基本原理、处理设备操作和运行管理知识的讲授；实践教学内容的选取，注重对学生综合应用能力的训练和创新意识的培养。重点是污水处理工艺调整和操作，解决工艺设备的基本维护和故障判断及排除问题，同时要求学生能够看懂图纸，掌握在线仪表相关操作知识等。
本课程设计倡导“过程导向、任务驱动、内容序化、技能延伸”理念，将典型的污水治理项目引入课堂，将水污染控制的常用技术贯穿到相应项目中，同时将技能学习延伸到校外实习基地、工作现场、实现教学做一体化。
二、课程教学实施
教学程序依据典型工作任务完成过程中，所经历的“资讯、计划、决策、实施、检查、评价”6个步骤进行，符合学生循序渐进的认知心理顺序。如“活性污泥运行参数控制”的教学设计：
三、课程改革体会
1.理实一体化校本教材的开发
教材编写应围绕课程设计的工作任务开展，注重实用性和可操作性，理论知识应服从实践教学的需要，理论应浅显易懂，简洁明了。
2.教学过程的有效设计
“理实一体化”教学的关键在于理论与实践的穿行，在教学实施中，其教学尺度很难把握，过多操作，又类似于实验课。在教学过程中如何适时的穿插录像、动画、挂图、板书，教师的备课工作量很大且必须较为周密的计划与时间安排，否则教学尺度一旦把握不准，就难以达到一体教学的要求。
3.学生主观能动性的开发
“理实一体化”教学模式，使学生获得分析、思考、和解决问题以及团队协作能力，这些能力是学生未来的工作和生活中真正需要的。
4.教师技能水平的提高
“理实一体化”这种教学模式的开展，需要教师获得更多的现场实践经验，教师要逐渐形成“一专多能”的知识结构才能胜任新形势下的教学要求。
5.评价体系的建立
本课程在“理实一体化”教学效果考核中，强调基本技能的培养。通过实操，学生是否获得初步的、准确的操作技能；理论知识考核，通过汇报和测试掌握学生基础知识水平。
“理实一体化”作为一种教学模式，对教学质量、教学效果的提高起到了很大的作用，但在课程改革过程中也存在着教材编写水平有限，设备配置不完善、评价体系不全面等诸多困难，这些都有待于我们在深化教学改革过程中，不断探索、不断克服、不断完善。
参考文献：
[1]姜大源.世界职业教育课程改革的基本走势及其启示――职业教育课程开发漫谈[J].中国职业技术教育，2008，（27）：7-13.
[2]赵志群.论职业教育工作过程导向的综合性课程开发[J].职教论坛，2004，（2）：4-7.
专业介绍：
主要课程：给水工程、排水工程、建筑给水排水工程、工程力学、水力学、测量学、水泵与泵站、水处理微生物学、无机化学、水分析化学、工程制图、电工与电子学、计算机技术与应用、管理科学等。
主要实践性教学环节：金工实习、测量实习、工程制图、管道工程安装实训、计算机应用及上机实习、建筑给水排水课程设计、工程施工实习、CAD制图训练、物理实验、力学实验、化学实验、水质分析实验、课程设计、认识实习、毕业实习、毕业设计(论文)等，一般安排40周左右。
就业方向：设计部门、规划部门、环境保护部门、科研院所、高等院校、工矿企业、经济管理部门和政府部门等从事给水排水工程规划、设计、管理、科研和教学等工作。
修业年限：四年
授予学位：工学学士
建立3+3+3实践课程新体系，优化环境工程专业培养方案
生产实习安排学生参观焦化联合企业大气污染综合治理工程、2～3种工业废水治理工程及城市垃圾填埋场、垃圾发电厂，和上机操作环境工程技术模拟实训系统［6］，模拟污水处理厂管理，解决进企业蹲点实习难问题。毕业实习结合毕业设计或论文选题进行，由指导教师按选题涉及的具体行业、污染问题、技术方案进行安排。即环境监测基础型实验、水污染控制设计型实验与专业综合型大实验。环境监测实验安排COD、NH4－N、BOD、pH等水质监测，TSP、SO2等大气监测项目，要求学生掌握取样保存、试剂配制、仪器操作、数据处理、分析与评价等基本实验技能。水污染控制设计型实验给出几种污水水质和实验室已具备的实验条件:生物法、混凝法、离子交换法、Fenton试剂法、铁碳微电解法等，让学生自行分组选择处理工艺，设计实验参数，进行验证实验。专业综合大实验目前已开设的有:校园湖泊水质评价与治理、室内空气质量检测、纯净水制备、印染废水处理等综合型实验，进行工艺比选、实验设计、数据处理、分析总结等综合训练提高［7］。
即污水厂设计、大气污染控制工程设计、固废处理处置课程设计，均安排在主干专业课学习结束后。通过课程设计，对已学知识进行消化、扩展、应用，要求进行工程分析与源强计算，工艺选择与数质量衡算，主要设备设计(或选型计算)、辅助设备选型计算、管道与高程计算、工艺布置图纸绘制，以课程设计说明书和图纸提交课程成果。坚持将三门课程设计与工程实践紧密结合，鼓励在这些环节中学生直接参与环境工程项目设计，虽然环节时间短，但能够直接进入工程实践，对学生的帮助是非常显著，经过10届学生和老师的共同努力，课程设计已成为学生痛并快乐着、收获颇丰的实践教学关键环节。
3+3+3实践教学保障体系建设
通过积极争取，获得“化工与环境类专业教学实习中心”、“环境工程特色专业建设”、“院级重点建设课程资助经费”等各项省级、校级质量工程专项基金支持，加快了环境工程专业实验室与实训基地建设。目前环境工程专业实验室拥有TOC、TN、TP在线监测、紫外可见光分光光度计、移动式室内空气质量监测、快速水质监测等环境监测设备、污水处理实验装置、纯水制备系统等实验设备设备200多台套，为三大实验开设提供了硬件条件。投入25万元在学院建立了环境工程技术的模拟实训系统，包括:污水处理厂模拟管理等［8］。在皖维集团建立了学生实习实训中心、在芜湖垃圾填埋场、新鑫铸管、芜湖垃圾发电厂等建立实习基地。为学生实践能力的培养起了较大贡献，有效增强人才实践能力培养的实战型、针对性。教研室老师积极申报教研项目，每年均有立项:如省级教研项目有:“环境工程专业实践教学新体系的研究与实践”、“环境类本科生创新与实践能力培养体系的研究”等。发表教研论文1～2篇/人。将案例教学、启发教学、阅读教学、实践教学相结合［9］，老师给出案例，剖解分析，给出选题，让学生自查文献、自主交流、自行设计实验方案和治理工艺，有效增强学生的学习兴趣与创新能力。
教研室老师为保障具有环境工程专业自身特色的实践教学新体系的实施，逐步积累污染源产排污系数［10］、源强计算公式等三门课程设计基础资料，缓解课程设计基础资料空缺严重现象。初步完成大气污染控制工程课程设计指导书系列:之一烟尘污染治理课程设计指导书、之二工业粉尘污染治理课程设计指导书、之三酸性气体污染治理课程设计指导书、之四有机气体污染治理课程设计指导书;和污水治理课程设计指导书系列:城镇污水处理厂课程设计指导书、工业废水处理站课程设计指导书;及固体废弃物处置与资源化课程设计指导书系列。填补了课程设计任务书、指导书空白。教研室老师积极申报课题，获得国家和安徽省自然科学基金及省教育厅、芜湖市科技计划科研经费支持，以及产学研合作项目。将课题研究内容分解成适合的本科毕业论文选题和硕士研究生学位论文题目，老师指导和带领学生将科学研究和社会实践穿插在实践教学中。即为实践教学耗材、检测提供了经费保障，也有效的保证了本科毕业论文质量。教师与学生创新能力显著提高;学生对教学实践的兴趣、参与度、完成质量大大改善。
关键词：水专项；给水排水；本科生；教育
中图分类号：G632.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）37-0100-02
当前形势下，我国水体污染形势愈加严峻，水资源短缺、供水危机频发、水生态退化等问题已经成为制约我国经济社会可持续发展的能源、资源和环境的瓶颈问题。面对日益严重的水污染，我国于2009年3月启动了水体污染控制与治理科技重大专项，旨在为我国水污染控制与治理提供全面技术支持。在我国当前这样的背景与环境下，本文将粗略介绍水专项，并将就水专项对于给排水科学与工程本科生教育的作用进行分析，并提出笔者自己的几点看法。
一、水专项简介
水体污染控制与治理科技重大专项（水专项），是我国几大国家重大科技专项所包含的其中之一，其目的在于为中国水体污染控制与治理提供强有力的科技支撑。目前，我国城镇在新的“十二五”期间，水体污染控制与治理形势出现了一些挑战，主要表现为水体污染情况仍然较为严重，极端气候参与影响，化学品与突发性污染事故，饮用水卫生标准要求大幅提升，国家提出了新的减排目标这五大内容[1]。同时，国家也为水专项在“十二五”期间制定了新的内容和目标，其主要围绕“三河三湖一江一库”重点流域，重点攻克重污染行业废水全过程治理技术、重污染河流和富营养化湖泊综合治理技术、面源污染控制技术、适用于不同水源水质的净化技术、水环境风险评估与预警遥感监测等关键成套技术300项以上。在太湖、辽河等重点流域开展综合示范，示范流域水环境质量提高一个等级并消除劣V类，基本建立流域水污染治理和水环境管理技术体系。在这样的形势下，为了很好地适应这些挑战并达到国家制定的目标，有专家[2]具体提出了水专项在“十二五”期间的技术突破重点主要有研发安全节能的消毒技术、超高标准污水处理技术、高灵敏度以及低成本的水质在线监测技术等若干个方向。而若谈到水处理技术的应用、研发和改进，则需要知道这项过程必须依赖于研究人员。对于社会上的各个机构来说，政府和企业应加大力度投入更多的资金进入研究行业，同时鼓励并倡导及运用高效、能达到处理效果的水处理技术，例如嘉兴政府将“水源生物―生态修复”和“高氨氮、高有机物污染河网原水深度处理”技术运用到水厂中去，很好地提高了水处理效果[3]。而对于像大学这样的机构而言，笔者认为不仅教师们可以在这样的条件下加大这块的研究，同时也可以将水专项与大学教学相结合，这样才能充分趁着这个国家推行水专项的势头使得该项目能在校园环境普及并让学生去了解，能够参与其中，为他们以后的不管是科研还是进入社会能够起到更好的作用。而这样一来，也可以让那些对科研感兴趣的学生初步了解到科研的面貌，愿意选择进一步深造，今后成为从事于水专项研究的学生，这样也能为水专项今后的发展和研究投入源源不断的生力军。
二、教师教学
对于教师教学这块，有不少本科生[4]在上课的时候感觉教师常常只是起到一个“传声筒”的作用，把学生只是当成“接收器”，这样一来老师与学生之间只是一个单向作用，并不能反映出学生对于课程内容的吸收和消化，而这样也是不能培养有个性、有创造力、有开拓精神的人才。同时，也有不少人[5，6]认为，大学教师应有两大职责，科研和教学，这两块应是有机结合且不可分割的，但目前大多数老师都将科研与教学分离，而造成这个的原因也有若干。这些原因都在一定程度上影响了本科生教学水平和质量的提高。笔者认为，对于现在的本科生来说，一位能够能将所研究的结合进教学中，与实际结合的老师肯定能受到学生的欢迎，同时也能使得学生在上课的时候能够得到新的知识。而水专项对老师提升他们授课质量能有所帮助。教师若要寓教于乐，则必须对于他所授的知识有着充分的了解。隶属于国家项目的水专项能够大大促进教师们参与这块研究方面的热情和动力。同时趁着这个机会，教师们水处理方面的认识也能够进一步深化，使得教学更具生动性和实践性，为学生积累进一步的科研经验以及实际能力打好良好基础。
三、本科生参与创新试验
目前高校培养创新性人才的任务不断加重，不少学校和所属院系都设立了创新实验课程，并将一些设计类课程与创新实验相结合。结合一些人对于本科生教学与创新实验的经验和研究，笔者认为，本科生参与科研不仅必要，而且还非常紧迫。本科生参与科研，这能够帮助他们早日了解到科研具体是一项怎样的工作，为那些想读研究生以及博士生的本科生积累更多的经验，加强他们的创新素质、创新能力以及创新精神。而即便对于那些并不打算进入研究行业的本科生来讲，这类宝贵的经验也可以锻炼他们的工作能力，发现问题和解决问题的能力，为他们以后的从事的其他工作做一定的能力训练。就具体形式而言，可以将其与课程设计或是毕业设计相结合，可以让学生在设计的时候不是一味地与现实脱轨。同时，结合前面所说的课堂教育，教师们不仅在课堂上向学生展示他们对于水专项方面的研究，也可以鼓励学生参与这方面的设计，并给予亲身指导。
四、本科生现场实习
在本科教学中，实习可以说是一块非常重要的组成部分。实习作为一块实践教学环节，它不仅可以加深本科生对书本上的现有知识的认识，同时还可以锻炼他们的一定程度上的实际操作能力。通过参观以及生产实习，学生可以理论联系实际，把自己上课所学的印证于当下的实践当中，同时还可以提高自己的动脑能力以及动手能力。当下水专项正在全国各地的高校和研究所中，还有水厂的运营中发挥着不小的影响，各位研究人员和水厂技术工作人员都在为了能达到国家的“十二五”计划，提高水的质量以及处理效果的目标而各司其职，各尽其力。而另一方面，这也可以说是为给排水专业的本科生的实习带去了不少去了解目前国家新兴水处理技术的机会。本科生不仅可以在课堂上了解水专项的知识，参与创新实验来进一步接近水专项，还可以在有条件的情况下参观运用了较新处理技术的水厂和企业，尤其是那些参与到国家水专项的水厂及企业，来进一步巩固和扩大学生关于本专业的以及水专项的知识储备，开拓眼界，从而激发大家愿意了解以及参与水专项的兴趣。
参考文献：
[1]仇保兴.水专项――应对水危机的利器[J].给水排水，2012，（01）：1-5，16.
[2]仇保兴.水专项面临的新形势与新任务[J].城市发展研究，2013，（04）：1-9.
[3]刘润生，记徐通.嘉兴“水专项”工程成国家示范[N].嘉兴日报：004.
[4]李芸.试论大学老师的教学艺术[J].广东技术师范学院学报，2008，（08）：107-110，141.
现状分析
专业实验下面以西北农林科技大学资源环境学院环境工程专业培养计划为例介绍。环境工程专业开设了环境化学、环境监测、水污染控制工程、大气污染控制工程和固体废物处理与处置5类专业实验，上述专业实验存在以下问题:首先，由于农林类院校环境工程专业教师多半从事与土壤有关的研究，导致了实验内容中还存在为数不少的土壤农化方面的实验安排，例如环境污染物的分析过程中所采环境样品往往以土样为主，对于水质或大气方面的实验较少。其次，传统的验证性实验偏多，以环境监测实验为例，只进行简单的水质验证性实验，如浊度，混凝沉降的性能等的测定，限制了学生操作实验能力的锻炼。再次，实验过程将学生分为15人左右小组进行，容易造成小组实验中，仅仅动手力强的同学主动操作实验，其他同学只是在旁边观看，不能亲自动手参与的局面，并且，由于实验待检测的样品都是实验室配制的，使得学生在采样、预处理等环节得不到锻炼，造成与实际监测工作脱节。最后，在专业实验教学中要求学生按照教师的讲解，在规定的时间内按指导书的方法与步骤一步一步地完成实验，既不利于培养学生独立思考问题、解决问题的能力，同时也抑制了学生的创新思维和创造性人才的培养。设计环节环境工程专业的专业设计包括水污染控制工程课程设计、大气污染控制工程课程设计、环境管理课程设计、环境规划课程设计和毕业设计。课程设计与毕业设计是培养学生工程实践能力的关键环节。目前主要存在以下三个方面的问题。
首先，指导教师的水平有待进一步提高，我校环境工程专业教师几乎都没有企业实际锻炼，缺乏现场经验，所以，教师在工程实际上的经验亟待提高，工科教学资源不足是一个非常普遍的现象。我国自1999年高校扩招以来，尽管广开增加师资队伍的渠道(包括外聘和兼职等)，但是其与教学资源发展不同步，造成毕业设计课程师资、基础教学设备资源短缺，师生比严重超标现象发生(实际中一个老师指导几十名学生的情况常有发生)［3］。其次，课程设计过于理论化，毕业设计选题普遍比较落后，大量存在综述性课题，难以体现创新性内涵。最后，课程设计涉及多门课程，但是这些课程之间没有有效的整合、协调各个设计层次、内容，使得这些课程设计变为了简单的课程重复。实习环节环境工程专业的实习环节包括认识实习、金工实习、生态环境综合实习，环境监测与评价综合实习，环境工程综合实习，环境与市政工程实践训练。实习环节存在的问题如下:首先，环境工程专业相应的实习基地匮乏，实习基地建设落后于实践教学需要。环境保护岗位一般具有专业性强的特点，学生的大部分实习仅限于参观实习。再者，实习经费短缺和实习基地容量限制。由于扩招，2008级环境工程专业目前有155人。对于认识实习问题不大，对于需要到现场实际操作的实习而言问题就比较突出，所有实习单位都不能提供一次性容纳近100人的生产实习场地，由于时间、场地和经费等的限制，这些实习只能是走马观花，基本流于形式。对于农林院校，一方面应结合自己的生物特色，根据需要培养环境工程应用型专业人才，另一方面由于上述原因在实践教学环节还存在着不少薄弱环节，因此对农林院校环境工程专业实践教学环节的改革势在必行。
对策
以创新、综合、设计性实验开发为切入点推动专业实验教学改革整合实验项目，杜绝土壤农化实验等农业环境保护类课程充斥环境工程实验课程的现象。进一步增加创新性、设计性、综合性实验项目。从必要性方面而言，实施满足学生创新能力培养的综合性、设计性实验教学模式是当前高等学校工科实验教学改革的方向。根据教高厅［2004］21号文件———《教育部办公厅关于印发＜普通高等学校本科教学工作水平评估方案(试行)＞的通知》的要求，对于工科院校各专业的实验有如下要求:A级:有综合性、设计性实验的课程占有实验课程总数的比例≥80%，效果好;C级:有综合性、设计性实验的课程占有实验的课程总数的比例达50%～60%，效果较好［4］。其中综合性实验是指实验内容涉及相关的综合知识或运用多方面知识、多种实验方法和手段，按照要求进行试验，主要培养学生综合运用所学知识、实验方法和实验技能，以及综合分析、解决问题的能力，达到对学生能力和素质的综合培养。设计性实验是培养学生实践能力的有效途径。在整个实验过程中，依据教师给定的实验目的和要求，从实验方案设计到实验器材选择、拟定实验过程以及后期的实验数据的获取和整理等均要求学生独立完成。这类实验的开设主要是培养学生对专业理论知识综合应用以及解决实际工程应用问题的能力。设计性实验的开设，改变传统的教师“填鸭式”教学模式，学生由被动学习转变为主动学习，学习的积极性得到有效调动。设计性实验方法具有多样性，可以开发学生的创新能力和实践能力，促使其全面发展。在实验过程中，学生的独立思维、才智、个性得到充分尊重，改变了千人一面的传统教学模式，有利于创新人才的培养，体现了以人为本的教育思想。培养满足社会需要和具有创新能力与实践技能的人才是大学的根本任务。
从人才全面培养的角度考虑，在专业实验中开设创新性、综合性、设计性实验，营造出具有独立发现问题、分析问题和解决问题的能力，以及具有创造性思维能力，全面发展的当代年轻型人才是非常必要的。随着社会对人才实践动手能力要求日益提高，加强实验教学是大势所趋。尤其对于一些特色院校，只有培养适合特色经济建设需要、具有实际工作能力的科研和应用人才才是人才培养的方向。而目前农林院校环境工程专业现有的实验难以达到这些要求。以西北农林科技大学资源环境学院的《水污染控制》，《大气污染控制》，《土壤污染控制》，《固体废物处理与处置》实验为例，针对其存在的不足，根据实验教学内容形成分析、检测、评价等多个实验模块，分为基础验证、综合设计以及研究创新三个层次的实验，设计了《区域生态环境质量监测与评价》这个综合实验题目，该实验主要包括以下两个方面内容:一是由学生选定某一特定区域后，对其大气、水、土壤和固废，生物等环境要素的基本情况进行实际监测。二是在对各环境要素进行环境监测的基础上，结合各环境要素的环境质量标准对所选区域进行现状评价。新增综合性设计性实验见表1。在综合性、设计性实验的教学实施过程中，注意了以下原则:①通过将教师的科研课题引入实验教学，引导学生对现行的实验内容重新设计，给予学生选题的充分主动权，为他们进实验室提供宽松的条件，对他们完成每个实验题目的时间仅给予宏观控制;②通过自己设计监测方案、开展指标监测、完成分析报告、编制环境质量现状评价报告等环节，培养学生文献检索、研究能力、综合总结、组织协调能力等;③增加复合污染控制实验方面的内容，例如土壤生物中重金属污染控制实验课，结合铅、锡、锌的复合污染现状，由学生依据所学基本知识再结合查阅资料，拟定步骤，老师给予适当指导，由学生来进行实践操作。通过实践收到了良好效果。使学生建立了对农业生态环境综合监测的全面认识;提高了学生实践动手能力和合作精神;使学生初步掌握了数据处理分析和环境评价的方法。依据培养目标，紧密结合农村生态环境建设实际提高设计环节教学质量配合专业培养突出“厚基础、宽专业，具有创新意识和较强实践能力的高级应用型人才”的需要，为了解决农林院校环境工程专业设计环节指导教师水平有待进一步提高的问题，我校环境工程专业先后引进了多名具有较强的工科背景的硕、博士来校工作。#p#分页标题#e#
同时送出了部分优秀教师赴国外著名环境工程研究室研究和攻读博士学位，把握国际领域相关研究前沿。2008级以后要求毕业设计必须以工程实验为背景进行撰写。要求指导老师必须要有一定的科研经费才能具备指导资格。使学生在满足基本教学目标的前提下，结合农林生产实际以及科研前沿，使学生在生产实际中得到锻炼。杜绝毕业设计中出现综述性课题。在环境工程专业课程设计计划的制定过程中系统、全面考虑，通过农村生态环境水质、大气、生物综合规划设计，既保证设计内容不重复，又注意各门课程之间的衔接，有效整合课程设计的层次和内容。通过建立校内外实习基地结合影像资料和可视化教学满足实践教学的需要本科教学中最重要的一个实践环节就是生产实习，如何保证和提高实习环节的教学质量一直是困扰农林院校的一个难题。建立稳定的校外实习基地是确保生产实习质量的保证。本着资源互享，优势互补的原则，从2008级开始，我校环境工程专业先后与多个企事业建立了联系，例如:在水处理方面与西安市自来水总公司曲江水厂，西安创业水务公司建立了实习合作关系;在大气污染控制方面与兴平化肥厂，铜川市水泥厂，陕西社会水泥有限责任公司，宝鸡市热力有限责任公司和陕西渭北电力公司建立了实习合作关系;在固体废物处理与利用方面与宝鸡啤酒厂(有机废料处理)、西安市城市生活垃圾无害化综合处理厂、西安市江村沟垃圾填埋场、三民垃圾中转站和兴平市星光良种猪繁养殖有限公司确立了实习合作关系，另外，学校在农一站新建的资源环境实验站也以崭新的面貌投入到迎接实习教学任务中。
在与众多企业建立长期、稳定并且不断完善的各类实习基地的同时，邀请具有丰富工程实际经验的专家来校讲课，强化学生在环境废弃物处理与利用方面的专业知识。对农林高校而言，由于受到扩招及实习经费短缺和实习基地容量限制，这个问题表现尤为突出，并且短期内就传统方法而言很难有所突破。通过把计算机仿真作为现场实习的重要补充，在教学中引进多媒体和网络化教学方式，充分利用影像资料和可视化教程讲解工程案例，既激发了学生学习的兴趣又收到良好效果。例如人为设置一些生产中常见的非正常情况和生产故障，使学生在模拟的工业控制键盘上对生产的全过程或者个别岗位进行控制，以此来加强学生对污染物处理系统性的认识。学生不仅可以通过各处理单元熟悉各处理过程的常用原理及效果，也可以在仿真操作中反复练习工艺操作过程，强化系统性训练。特别是可以在人为设置工艺条件下进行系统开停车、工艺条件的调整、工艺和设备故障的处理等操作，而且，系统中还设有评分系统，教师可以通过教师工作站对每位学生的操作情况实施实时监测，每次操作结束后，系统可以自动对每位学生的操作进行评定。
环境科学的广博性与复杂性使教师在进行高校环境类专业课程设置时感到棘手。专业课门类多，所需基础课内容广，而学生在校时间有限。摆在教师面前的问题是如何理清主线，精选主干课程，制订出较为合理的教学计划，以便培养出适应市场需求、竞争力更强的人才。我国目前办环境类专业的院校很多，其中多数是从原先与环境联系较密切的专业演变而来。这些院校有综合性大学、工业院校、农业院校、水电类院校、地质院校等，基础和特长各异。各类院校在修订教学计划时，首先应在保证基础课和环境专业主干课程的基础上，发挥各自特长开设相应专业课与选修课。例如，农业院校的环境专业可在农业环境方面有所侧重；地质院校的环境专业可多涉及地质或自然环境方面的教学与研究内容，从而办出有自身特色的环境科学或环境工程专业，不应强求统一模式。此外，在制定教学计划时，也应该与时俱进、顺应时代潮流。如进入21世纪以来，随着环境新问题的不断出现，环境科学技术的不断发展，环境保护工作在管理思想和管理制度上都发生了重大转变，对环境科学专业课程结构体系的改革也提出了新的要求。从专业知识结构来看，可持续发展战略、总量控制、清洁生产、环境审计、国际标准认证等新观念、新技术、新知识应该了解；从专业课程体系来看，环境法规、环境经济、环境系统分析等课程应予补充和加强，不断拓宽专业知识面。
2课堂理论教学的改革
2.1教学方法的改革
教学方法是教学系统实现教学目的的手段和途径，直接关系到教学目的的达到和完成。传统的教学方法是讲授法，即以单向的思想交流方式为主。这致使学生是知识的被动接受者，不是主动获取者，从而影响学习的主观能动性和创造力。为了充分发挥学生的主体作用，教师采用的教学方法需多元化，如在运用讲授法的同时，可以兼而采用下述几种方法。（1）讨论法。学生以全班或小组为单位，围绕教材的中心问题，各抒己见，通过讨论或辩论活动，获得知识或巩固知识、加深理解。由于全体学生都参加活动，可以培养合作精神，激发学生的学习兴趣，提高学生学习的独立性。（2）演示法。教师在课堂上通过展示各种实物、直观教具或进行示范性实验，让学生通过观察获得感性认识的教学方法。如在水污染控制工程课堂上，老师讲授“混凝法”时，讲得口干舌燥，学生也很难理解。如果老师上课时准备好一个装有少量废水小烧杯以及一些混凝剂，上课时在讲台上把混凝剂和废水一混合，马上就会出现絮状沉淀，上部的废水会变得澄清，这样老师不用多言，学生自然就明白了什么是污水处理的“混凝法”。（3）自主学习法。为了充分拓展学生的视野，培养学生的学习习惯和自主学习能力，锻炼学生的综合素质，通常给学生留思考题，对遇到的一些社会实际问题，让学生利用网络资源自主学习的方式寻找答案，提出解决问题的措施。该方法可培养学生的独立、探索精神。
2.2教学手段的改革
多媒体教学作为现代教学的重要手段，信息量大、形式生动、画面直观，有利于提高教学质量。因此，任课教师在备课时，搜集相关资料，以图片、表格或动画形式展示，作为教材内容的补充和深化。如在地下水污染物质迁移扩散模型中，学生通过观看相关动画演示，直观形象了解了污染物质在地下水中的迁移扩散情况，可有效吸引注意力，增加上课积极性。但对于《大气污染及防治》、《水污染控制工程》等课程，公式繁多，推导过程复杂，理论分析抽象。若仅用多媒体教学手段，容易产生“填鸭式”教学现象。学生记录困难，影响听讲效率，间接影响学生学习的能动性，也不利于师生间互动。而板书弥补了此处遗憾。作为维系师生关系的纽带，板书的作用不容忽视，提倡将板书与多媒体教学相结合。在讲解污水的活性污泥处理法时，教师先通过多媒体工具展示该方法的一般流程，再通过板书形式介绍其具体的设计公式。将多媒体工具和板书形式同时使用，既可以加快课堂节奏，又可以照顾学生的学习效率，形成课堂教学的良性循环。
3实验环节和实践环节的教学改革
3.1保证实践教学时间，形成系统化的实践教学体系在教学计划制定中，应实践教学环节进行统筹规划，加强实验、实习、上机、课程设计、毕业设计及各种社会实践活动，使四年制环工专业本科学生的实践教学环节的总学时不低于40周。
3.2调整实践环节教学内容，与时俱进，使学生能力适应时代潮流如在“环境监测”课实验内容上，应及时按照国家新的监测要求，增加对PM2.5的监测项目；根据重新颁布的“大气污染防治法”中关于加快二氧化硫治理步伐的要求，在“大气污染控制工程”实验中积极筹备增补二氧化硫治理系统测试的实验内容；在实习内容上，为贯彻污染防治从末端治理转变到全过程防治的指导思想，增补参观清洁生产工艺的内容；在毕业设计环节，注意面向生产实际选择设计题目和内容。此外，实验课程适当渗透教师科研，其目的在于培养与开发学生独立地学习与研究，达到教育和科研并举，从而提高学生的认知和实践能力。
4结束语
[关键词]小学科学；STEAM；演示实验；自主实验；心流体验
起源于美国的STEAM教育强调融合科学、技术、工程、艺术、数学等多学科的综合教育理念，旨在通过跨学科学习，培养创新型、综合型、应用型人才，提升国家竞争力。我国从2015年开始关注STEAM教育，并在2016年的《教育信息化“十三五”规划》中提出要探索STEAM教育[1]。而2017年颁布的小学科学课程标准则进一步明确了科学课程趋向于跨学科的综合素质培养[2]。
尽管国内对STEAM理念的基础教育研究关注度很高，但有关STEAM教育的研究内容较多侧重理论[3]。在STEAM教育实践上，国家的推动措施、投入资源等相对缺乏，STEAM教育的课程体系、活动设计以及教学资源还有待进一步开发。在此，将基于小学科学课程标准，以“水资源与水污染”一课为例，讨论基于STEAM理念开发与设计相关课程的原则和方法，并对演示实验和自主实验两种教学方法进行对比。
一、课程开发与设计
体现基于STEAM理念的重点是多学科融合。“水资源与水污染”一课取材于小学科学课程，以小水滴故事为背景，融合STEAM理念[4]以及环境科学与可持续发展理念，设计了水质测试与宣传环保的任务，要求学生使用技术手段测量数据，利用数学思维处理数据，采取艺术化的手段表达环保理念或倡导环境保护。研究者分别采用演示实验与自主实验两种方法实施了课程。
研究者在课程设计别考虑了以下问题。一是水样测试涉及较深层的物理和化学知识，在选择实验参数时，要基于学生现有的知识水平，以及可用于教学的环境测量设备。二是获取所需水样（如河水、海水等）的方便性及可行性，根据实际条件，可选用相似的替代水样。
二、研究过程
课程实施对象是广东省某欠发达地区两所农村小学四、五年级的学生，共92名，平均年龄11.75岁。这些学生此前未接触过科学课程，科学素养不高，但对科学实验有较强的兴趣。
1.实施教学
研究者将学生随机分为演示实验组和自主实验组。每一组均混合了四、五年级的学生，以消除自然班影响（见表1）。
研究者按事先设计好的演示實验与自主实验的方法，分别对两组学生实施具体教学，并组织前后测、心流体验测量（见表2）。整个过程中，两组学生的学习任务相同，主要区别在于：在演示实验组，由教师在讲台上演示水质测试实验，由学生代表读数，其他学生记录测量数据，学生不分组；而自主实验组，则由教师启发学生思考检测水质的方法及注意事项，并将学生分组，由学生组内分工合作，利用水质测量仪器对不同水样进行检测与记录。
2.教学效果评价
采用自编问卷，从知识技能、深层理解和环境认知三个方面分别对两组学生的教学效果进行测量，以检验两种教学方法下学生对科学知识的吸收程度（见表3）。
3.心流体验评价
心流体验（FlowExperience）是个体感知到的最佳体验状态，它是学生参与学习过程的一个重要组成部分。皮尔斯（Pearce）等人认为，心流体验的构念是享受、参与和控制，即学习者喜欢某种学习活动；学习者参与并集中于该学习活动；学习者对该学习活动具有控制感[5]。本研究采用心流体验量表[6]测量学生在课程学习过程中的心流体验。该量表包括享受、参与、监控三个维度，每个维度包含三个正向和一个反向问题，要求学生根据自己的真实体验对问卷描述进行5点评分。对两组学生的心流体验数据进行信度分析，结果显示克伦巴赫？琢系数（Cronbach’sAlpha）分别为0.76和0.88，说明该量表具有较好的信度。
三、实施效果分析
1.教学效果分析
本研究所有的数据管理与分析均采用SPSS软件进行。在剔除无效问卷和缺失数据后，最终获得有效数据包括演示实验组37份，自主实验组45份。采用配对样本T检验分别探究两组教学方法在知识技能模块的前后差异，结果显示，演示实验组和自主实验组的后测成绩均显著高于前测成绩（p<0.01）（见表4）。说明在课程实施中，两种教学方法均能提高学生的知识技能。
2.心流体验结果分析
采用独立样本T检验对两个实验组在享受、参与、监控三个维度上的平均分进行差异比较，结果见表5。具体来说，在享受维度和监控维度上，自主实验组的得分均显著高于演示实验组（p<0.01；p<0.05），这说明在自主实验教学条件下学生可以获得更好的课程体验，以及更高的自我监控能力；而在参与维度上，虽然两种教学方法不存在显著差异，但自主实验组的平均值略高于演示实验组，说明两组学生都能较好地参与课堂活动，而自主实验组的学生可能表现得更为投入。整体来说，自主实验组学生在较好地参与课堂活动的同时，还能够更好地享受课堂活动，也表现出了更高水平的自我监控。这表明，科学课的自主实验教学法更能寓教于乐，使学生更享受课堂，并产生了更强的学习动力和学习自觉性。
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