環(huán)境工程環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究*

周化嵐 路榮春 施文健

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海200093)

環(huán)境工程環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究*

周化嵐 路榮春 施文健

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海200093)

以上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)基地為基礎(chǔ)，建立新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的改革。按照監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)劃分為容量法、重量法、電化學(xué)分析法、光譜法及色譜法5大類，以提高學(xué)生實(shí)際運(yùn)用知識的能力，增強(qiáng)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)技能。

1 環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

環(huán)境監(jiān)測是高等院校環(huán)境工程專業(yè)、環(huán)境科學(xué)專業(yè)、給水排水專業(yè)的主干必修專業(yè)課，在環(huán)境類大學(xué)課程學(xué)習(xí)中占據(jù)重要的地位［1］。環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)作為環(huán)境監(jiān)測課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，對學(xué)生掌握環(huán)境監(jiān)測的基本概念、基本理論和主要污染物指標(biāo)的監(jiān)測方法等有重要的意義，可讓學(xué)生明確各種環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，以便勝任日后的工作。以往的環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是作為環(huán)境監(jiān)測課程的輔助性實(shí)驗(yàn)，象征性地做幾個，教學(xué)效果并不明顯。由于環(huán)境污染有日趨嚴(yán)重的傾向，環(huán)境污染物種類也越來越多，因此在教學(xué)中應(yīng)努力讓學(xué)生扎實(shí)而靈活地掌握環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，以滿足社會發(fā)展的需要。針對目前的教學(xué)現(xiàn)狀，上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院對環(huán)境工程專業(yè)的環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了教學(xué)改革，建立了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

2 實(shí)驗(yàn)基地的建立及特色教學(xué)環(huán)節(jié)

2008年，在上海市教育委員會的支持下，上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院建立了環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)基地，通過對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的改革，采用新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，以便讓學(xué)生更好地掌握各種環(huán)境監(jiān)測技術(shù)。在教學(xué)過程中，突出啟迪學(xué)生思維，重視突出能力培養(yǎng)的特點(diǎn)，將理論知識有機(jī)地融入分析實(shí)踐中，以達(dá)到學(xué)以致用、培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力的目的［2］。

2.1 按監(jiān)測原理設(shè)立實(shí)驗(yàn)課程

環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)基地將環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)理論與實(shí)踐教學(xué)有效地結(jié)合在一起，將污染物的監(jiān)測方法按基本原理進(jìn)行歸類，分成容量法、重量法、電化學(xué)方法、光譜法、色譜法。首先介紹其基本原理，然后結(jié)合本實(shí)驗(yàn)基地的實(shí)驗(yàn)事例展示該方法在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用情況，在理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的過程中，使學(xué)生從基本理論上掌握各類環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的使用方法。

2.2 具體實(shí)驗(yàn)安排

環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，每個教學(xué)環(huán)節(jié)在講授時都是以解決實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。通過這種配套實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生理解基本理論并提高應(yīng)用能力。

2.2.1 容量法在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

容量法是以滴定分析為基礎(chǔ)，根據(jù)所加試劑的濃度和體積求算出被測組分含量的測試方法。滴定分析法的特點(diǎn)是操作簡便、快速、適用面廣。通常根據(jù)滴定時所應(yīng)用的化學(xué)反應(yīng)類型而將滴定分析法分為酸堿滴定法、絡(luò)合滴定法、氧化還原滴定法和沉淀滴定法。在這一環(huán)節(jié)，安排以容量法為監(jiān)測理論依據(jù)的實(shí)驗(yàn)，其中包括化學(xué)需氧量的測定、5日生化需氧量的測定、酸度和總堿度的測定、硬度的測定等。每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的提出都要告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，啟發(fā)學(xué)生尋找解決問題的思路。例如生化需氧量是重要的水質(zhì)污染參數(shù)，廣泛應(yīng)用于衡量廢水的污染強(qiáng)度。當(dāng)學(xué)生熟悉了容量法的基本理論后，再進(jìn)行動手操作，就容易掌握生化需氧量的測定方法。

2.2.2 重量法在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

重量法是通過稱量物質(zhì)的質(zhì)量來確定被測組分含量的一種分析方法。在重量法的學(xué)習(xí)中，首先講解重量法的基本原理，然后進(jìn)行廢水懸浮固體和濁度的測定、污水中油的測定、大氣中總懸浮顆粒物的測定等實(shí)際操作。例如天氣預(yù)報中的空氣質(zhì)量一項(xiàng)，就是計算TSP(大氣總懸浮顆粒)、SO2(二氧化硫)、NO2(二氧化氮)這3種污染物質(zhì)的污染程度，從而得出某日的空氣質(zhì)量是優(yōu)、良還是中、差。大氣中總懸浮顆粒物測定的實(shí)驗(yàn)原理就是基于重量法:抽取一定體積的空氣，將其通過已恒重的濾膜，使懸浮微粒阻留在濾膜上;根據(jù)采樣前后濾膜重量之差及采氣體積，計算出總懸浮顆粒物的質(zhì)量濃度。

2.2.3 電化學(xué)分析方法在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

硝基苯類化合物是污染環(huán)境的有毒物質(zhì)，對人體的造血器官與神經(jīng)系統(tǒng)均會起損害作用。根據(jù)規(guī)定，生產(chǎn)車間空氣中硝基苯的最高容許量為1mg/m3。石油化工廠、煉焦廠及一些化工廠附近的水體均可能發(fā)生硝基苯的污染。進(jìn)入人體內(nèi)的硝基化合物可將血紅蛋白氧化成大量高鐵血紅蛋白，形成高鐵血紅蛋白癥，導(dǎo)致組織缺氧，表現(xiàn)為不同程度紫紺。此類化合物在體內(nèi)的中間產(chǎn)物可使還原型谷胱甘肽減少而致紅細(xì)胞脆性增加，有的還能直接與紅細(xì)胞中珠蛋白巰基結(jié)合，使珠蛋白變形形成珠蛋白包涵體(即變形珠蛋白小體)，最終導(dǎo)致紅細(xì)胞破裂發(fā)生溶血。苯的硝基化合物還可導(dǎo)致對肝臟的直接(或繼發(fā)性)損害，也可直接(或間接)引起腎臟損害。由于硝基苯分子結(jié)構(gòu)中的硝基官能團(tuán)可以在電極上被還原，因而可以用極譜法來測定。學(xué)生自己動手進(jìn)行硝基苯的示差脈沖極譜法測定之后，就更容易掌握此種監(jiān)測技能。

2.2.4 光譜法在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

光譜法包括紫外吸收光譜、紅外光譜、原子發(fā)射光譜、原子吸收光譜等。由于每種方法都有各自的理論基礎(chǔ)、儀器構(gòu)造、應(yīng)用范圍和研究內(nèi)容［3］，所以這部分內(nèi)容是環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)原理最多的部分。

講解了分光光度法的基本原理之后，可配以室內(nèi)甲醛的測定、廢水中酚類的4-氨基安替比林分光光度法測定、大氣中二氧化硫的鹽酸副玫瑰苯胺分光光度法測定等環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。在室內(nèi)甲醛的測定中，可首先告知學(xué)生室內(nèi)空氣的重要性，人生大部分時間都是在室內(nèi)度過的，而甲醛由于被稱為室內(nèi)空氣污染的“劊子手”而聞名于世。建筑裝修材料中的刨花板、中密度纖維板、膠合板、復(fù)合木板等化工產(chǎn)品是室內(nèi)甲醛的主要來源。目前，監(jiān)測污染源中的甲醛主要采用分光光度法。又如長期接觸低濃度的酚，會引起頭昏、出疹、瘙癢、貧血及多種神經(jīng)系統(tǒng)癥狀;水中酚含量高于5mg/L會使魚類死亡。當(dāng)對水進(jìn)行氯化消毒時，酚類物質(zhì)會與氯氣反應(yīng)生成氯代酚類，使水產(chǎn)生明顯的臭味。測定酚類化合物的基本原理是:酚類化合物于pH 10.0±0.2介質(zhì)中，在鐵氰化鉀存在下，與4-氨基安替比林反應(yīng)，生成橙紅色的吲哚酚安替比林染料，其水溶液在510nm波長處有最大吸收，用光程長為20mm比色皿測量時，酚的最低檢出量為0.1mg/L。

2.2.5 色譜法在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

首先講解氣相色譜和液相色譜法的基本原理，然后配以大氣中苯系化合物的氣相色譜測定、高效液相色譜法測定環(huán)境樣品中的多環(huán)芳烴等以色譜理論為依據(jù)的環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。

在進(jìn)行室內(nèi)苯系物的測定前，首先講解熱解析儀和氣相色譜儀的基本原理、儀器構(gòu)成、操作方法和注意事項(xiàng)等，這樣既可以使學(xué)生的儀器分析課程得到復(fù)習(xí)，同時也可以提高學(xué)生對各種分析儀器的興趣。通過講解，學(xué)生普遍反映比課堂上生動，印象深刻，且易于掌握。盡管在課堂上教師通過很多圖片對儀器進(jìn)行講解，但教學(xué)效果往往不是很理想，這主要是因?yàn)閳D片不如實(shí)物生動，而且實(shí)物還可以進(jìn)行拆解。在進(jìn)行苯系物測定時，可以選取苯、甲苯和乙苯3種最常見的污染物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先將3種成分的標(biāo)樣配制成3種以上不同濃度的溶液，通常每種濃度之間相差一個數(shù)量級。然后從低濃度開始，分別利用活性炭和Tenax TA兩種吸附劑對單位體積的標(biāo)樣進(jìn)行氣態(tài)模擬采集，按采集的順序依次進(jìn)行分析，將分析結(jié)果制成標(biāo)準(zhǔn)曲線。接著利用兩種吸附劑分別對空氣中的苯系物進(jìn)行采集。通過對兩種吸附劑的吸附效果進(jìn)行比較，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)相同條件下活性炭對苯系物的吸附效果優(yōu)于Tenax TA。最后利用標(biāo)樣的保留時間對樣品中的苯、甲苯和乙苯進(jìn)行定性，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線對其進(jìn)行定量分析［4］。通過實(shí)驗(yàn)，訓(xùn)練了學(xué)生的操作技能，也培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力和對科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣。

3 教學(xué)效果

通過在環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)基地的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以定期對某一大類環(huán)境監(jiān)測方法進(jìn)行總結(jié);配合多方位的實(shí)驗(yàn)練習(xí)，能使學(xué)生更好掌握所學(xué)理論知識，提升歸納總結(jié)能力，在腦海里形成較完整的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)知識鏈。同時在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生通過查閱相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料，既能鍛煉自學(xué)能力，也能培養(yǎng)對科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣。

通過在環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)基地的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能更好地掌握環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)技術(shù)，而且可以對于書中沒有涉及的環(huán)境污染物提出測試方法，并自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生通過所學(xué)的知識和實(shí)驗(yàn)技術(shù)解決實(shí)際問題，可提高做實(shí)驗(yàn)的積極性和主動性，并能提高分析問題和解決問題的能力，對于以后從事科研活動或?qū)磉m應(yīng)社會都有很大的幫助。

［1］ 陳玲，趙建夫，仇雁翎，等.環(huán)境監(jiān)測.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003

［2］ 王安亭，孫雪萍.大學(xué)化學(xué)，2008，23(5):20

［3］ 林洪，李海濤，黃齊林，等.大學(xué)化學(xué)，2008，23(4):24

［4］ 施文健，周化嵐，聞海峰，等.環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)技術(shù).北京:北京大學(xué)出版社，2009

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