環(huán)境監(jiān)測實驗課程教學環(huán)節(jié)與教學方法

段鳳魁， 余 剛， 黃 俊， 楊 陽

(清華大學 環(huán)境學院，北京 100084)

0 引 言

環(huán)境監(jiān)測是高校環(huán)境專業(yè)的必修課之一，在培養(yǎng)專業(yè)人才方面起到了重要作用[1-4]。該課程實用性強，以分析化學、儀器分析等學科知識為基礎。一般針對低年級本科生開設，旨在理論課程學習使學生對水、氣、固等不同環(huán)境介質的特點有所了解，從而掌握相應的監(jiān)測方法；通過實驗課程使學生獲得基本實驗技能訓練，養(yǎng)成良好科研習慣，培養(yǎng)科研思維及創(chuàng)新意識，增強分析問題、解決問題的綜合能力，為今后本科期間專業(yè)課學習以及后續(xù)的科研訓練打下堅實基礎。

然而，由于課時壓縮，致使高校環(huán)境實驗教學課容量受到很大限制。探討有效的教學方法，科學合理地設置實驗項目、安排授課內容，突出重點，及時總結教學經驗與不足，探討建立有效的教學方法，高水平地完成教學任務，是提高實驗教學質量的重要途徑[5-9]。我校環(huán)境監(jiān)測課程由3個部分組成：理論、實驗與實踐。該課程于2009年被評為國家級精品課程。作為其中的關鍵環(huán)節(jié)，環(huán)境監(jiān)測實驗是連接環(huán)境監(jiān)測理論與實踐的橋梁：既是驗證環(huán)境監(jiān)測理論的主要載體，又是為環(huán)境監(jiān)測實踐培養(yǎng)人才的必經之路。本文基于近10年環(huán)境監(jiān)測實驗教學的經驗，詳細介紹了教學過程的重要環(huán)節(jié)，并就教學方法進行了探討。

1 實驗項目設置與授課要點

環(huán)境監(jiān)測實驗課是根據理論課的內容設置實驗項目，采取循序漸進、先易后難的原則。該課程每學年春季學期開課，授課對象主要以本院學生為主，另外還有少量的外系學生，如水利系、生物系、土木系、熱能系等。目前共設置8個實驗項目，分為基礎性實驗、綜合性和設計性實驗三大類，涵蓋水、氣、固等重點領域。由于重在綜合能力的培養(yǎng)，實驗課中以綜合性實驗為主，約占全部實驗項目的60%；設計性實驗則主要集中在后續(xù)的“校園環(huán)境監(jiān)測實踐”課程中。各實驗的目的與要點如表1所示。

2 教學環(huán)節(jié)

環(huán)境監(jiān)測實驗教學重要包括以下幾個環(huán)節(jié)：教材與教案準備、實驗準備、課堂講授、實驗演示、課堂巡視、實驗報告批改。下面將對這幾個環(huán)節(jié)進行簡單介紹。

2.1 教材與教案準備

由于沒有正規(guī)出版實驗教材，環(huán)境監(jiān)測實驗課程所用教材是根據環(huán)境監(jiān)測理論課及相關環(huán)境標準方法編寫而成的講義[10-12]。每學年秋季學期可進行必要的修訂，春季學期開課時打印出來發(fā)給學生，同時上傳至網絡學堂，供學生下載。實驗講義修訂的依據主要有三方面：① 環(huán)境監(jiān)測理論課的需要，② 最新環(huán)境標準的制定或修改，③ 前一學年實驗課上學生的反饋。自編實驗講義的優(yōu)點是靈活性強，可根據當前環(huán)境學科發(fā)展及相關環(huán)境標準及時進行修訂，不斷完善；缺點是不夠正規(guī)，從學生的角度看可能缺乏權威性。

實驗教案主要是指授課ppt課件。根據教學大綱與實驗教材中相關實驗項目的實驗目的，把每個實驗的關鍵實驗內容、重要儀器、注意事項等制作成ppt，用于課堂講授。ppt的內容應該不僅僅局限于某一獨立的實驗項目，應當把與該實驗相關的重要內容一并呈現(xiàn)，使學生對于該實驗的相關知識有著整體的理解與把握，起到觸類旁通的作用。同實驗講義一起，ppt課件也會打印發(fā)給學生并上傳至網絡學堂供學生下載。

表1 環(huán)境監(jiān)測實驗項目與要點

2.2 實驗準備

實驗準備是實驗教學最重要的環(huán)節(jié)，也是工作量最大的環(huán)節(jié)之一。主要包括玻璃器皿、試劑藥品及相關設備和耗材的購置，玻璃器皿的整理與分派，各種溶液試劑的配制與預試驗，以及儀器設備的調試，等等。購置與分派環(huán)節(jié)應當在開課的前一學期完成；溶液試劑的配制與預試驗在上課之前1～2周完成；儀器設備的調試則在上課之前1～2周完成之后，于上課之前1天再次進行調試，以確保能夠正常工作。同一實驗項目不同班級分批次上課的情況，需要在實驗課結束后，及時檢查玻璃器皿的損壞、試劑溶液的消耗情況并進行補充，以供下一班級使用。同時，應當注意，每次實驗課之前，都要對儀器設備進行調試，以免前批次的學生在實驗過程中操作不當造成儀器損壞或程序錯誤，影響下一班級學生的使用。

2.3 課堂講授

環(huán)境監(jiān)測實驗是以化學實驗為基礎的一門課程。然而，由于學生生源地經濟發(fā)展的不平衡，導致不同地區(qū)學生中學期間化學實驗基礎差異很大。因此講課時應當兼顧不發(fā)達地區(qū)學生的實驗基礎。通常第一節(jié)實驗課，除了先介紹實驗課程與實驗內容，強調實驗的預習與課程考核辦法、上課紀律與實驗室規(guī)章制度外，還要就本課程所將要用到、而中學已經學過的部分重要玻璃器皿的正確使用方法加以講解復習與示范，這樣可使學生迅速地把中學所學過的化學知識、大一期間所學過的分析化學、儀器分析的相關知識聯(lián)系起來，并順理成章地應用到環(huán)境監(jiān)測實驗課程中。

實驗課的講授應當首先要重點突出，讓學生清楚實驗目的與意義。關鍵的實驗步驟與注意事項要反復強調，如實驗室安全、濃酸濃堿強氧化劑的正確使用、含重金屬廢水不能直接倒入水池等。同時，要教會學生遇到緊急情況的處理方法等。其次，實驗課的講授應當不拘泥于某一孤立的實驗本身?？筛鶕n時安排與實驗內容，結合環(huán)境學科發(fā)展、靈活地選擇一些典型的環(huán)境污染熱點問題、環(huán)境學院教師們的科研成果講授給學生。實踐證明，這樣不但有助于吸引學生的聽課注意力，開闊了學生的視野，增強了實驗動手能力，更重要的是極大培養(yǎng)了學生的科研興趣與積極性。

2.4 實驗演示

實驗演示是實驗課不可缺少的環(huán)節(jié)。對于環(huán)境監(jiān)測實驗課而言，實驗演示的內容主要有以下幾方面：

(1) 傳統(tǒng)的玻璃器皿使用與一些基本的實驗操作演示。如前所述，由于不少學生中學期間并未得到很好的化學實驗訓練，環(huán)境監(jiān)測實驗所必用的一些操作需要通過演示加以強化。如，玻璃器皿的清洗方法，移液管的使用，滴定管的使用與讀數方法；膠頭滴管的使用；過濾的基本步驟；濃硫酸的正確稀釋方法等。歷年的環(huán)境監(jiān)測實驗課第一堂課上發(fā)現(xiàn)，每屆中有近四分之一的學生對于上述基本操作不規(guī)范或知之甚少。例如，發(fā)現(xiàn)不少學生存在著用完移液管或清洗移液管后把殘留在內的液體甩掉的陋習。因此曾發(fā)生過個別學生把移液管內殘留的濃硫酸液滴甩到他人實驗服上的情況。通過環(huán)境監(jiān)測實驗課，嚴格規(guī)范學生的基本操作，絕大多數學生改掉了以往的不規(guī)范操作，實驗技能得到了很大提高。

(2) 相關儀器設備的使用演示。本課程中所用到的儀器主要有：電導儀、濁度儀、pH計、離子色譜儀、COD消解儀、大氣采樣器、分光光度計、大氣顆粒物采樣器、微波消解儀、ICP-AES等，較全面地涵蓋了環(huán)境監(jiān)測相關的幾種重要的大、中、小型儀器設備。首先通過課堂講授把當堂課上所需儀器的原理、結構與主要操作步驟講授給學生，使學生對儀器有了基本的了解；進而給學生演示如何使用，涵蓋從開機—正確使用—關機的整個流程，對于可能發(fā)生的錯誤操作或導致測定結果異常的細節(jié)之處要重點強調。

(3) 針對每個實驗項目中的關鍵實驗步驟的演示。如溶解氧的測定實驗中，演示溶解氧瓶的使用以及如何采集水樣，強調不讓水樣曝氣或有氣泡殘存在溶解氧瓶中，加MnSO4溶液時，應將移液管插入液面下。如生化需氧量BOD5的測定實驗中，演示并強調稀釋水使用前要按順序加入磷酸鹽緩沖溶液、MgSO4溶液、CaCl2溶液、FeCl3溶液，順序錯誤則可能導致沉淀產生，稀釋水不能再用；演示如何確定稀釋比。大氣二氧化氮的測定試驗中，演示如何將吸收液裝入多孔玻璃采樣管中，強調如何防止溶液倒吸、如果玻璃器皿清洗不干凈則導致吸收液變色，等等。通過這些演示，使學生掌握了正確的實驗操作，感受到科學的嚴謹性，并減少了不必要的操作失誤。

2.5 課堂巡視

課堂巡視的目的是檢查學生是否進行了實驗預習，發(fā)現(xiàn)學生不規(guī)范操作并予以糾正，解答學生的提問，及時發(fā)現(xiàn)危險狀況并予以處理，并通過觀察學生的實驗操作與完成情況，對學生的課堂表現(xiàn)進行評價，課程結束時給出平時成績。課堂巡視過程中，要允許學生實驗的失敗，并與學生一起探討失敗原因，從而幫助學生找到正確的實驗方法；但要杜絕“濫竽充數”的現(xiàn)象，只要學生認真實驗，不管成功與否，都值得肯定。

2.6 實驗報告批改

由于強調基礎，環(huán)境監(jiān)測實驗課第一堂課即對實驗報告提出要求：① 要求學生全部手寫實驗報告，禁止通過電腦進行拷貝、粘貼、打印，這樣杜絕了個別學生偷懶、抄襲實驗報告的行為。② 對實驗報告的內容進行規(guī)定，要求包括實驗目的、簡單實驗步驟、實驗數據與結果分析、思考與討論等環(huán)節(jié)，禁止照抄實驗講義，這樣加深了學生對于實驗整體的領會與掌握，避免了時間的浪費。對于實驗報告的批改，主要根據課堂上是否全部完成實驗內容、實驗報告各部分內容是否完整、結果與討論是否合理、書寫是否認真等進行批改評分。

3 教學方式與方法

在各個教學環(huán)節(jié)充分準備、認真對待的同時，要想提高教學質量，還需要建立科學的教學方式與方法。不同的實驗課程應當采取靈活的教學方法。由于環(huán)境監(jiān)測實驗是針對低年級本科生開設的一門專業(yè)基礎實驗課程，以綜合性實驗為主，因此教學模式仍然是由任課教師確定實驗項目與內容，學生根據教師的講解與實驗教材，在相對集中的時間內完成實驗內容。在實際教學過程中，主要采用啟發(fā)式教學，同時針對不同實驗項目、不同學生類型確定相應的教學手段。

(1) 根據實驗類型不同，采用不同的教學方法。不同類型實驗，實驗目的與實驗要點存在很大不同。對于基礎性實驗，主要以驗證理論課所學知識為主。對于綜合性實驗，則以培養(yǎng)學生的動手能力、解決問題的綜合素質為主。對于設計性實驗，則由學生自己提出問題，制定合適的實驗方案，以自由組合成小組的形成，完成實驗方案。例如，大氣中二氧化氮的測定項目中，由學生結合校園真實環(huán)境，自己確定監(jiān)測地點與采樣時間，采用國標方法進行測定后，與“環(huán)境空氣質量標準”中的二氧化氮的濃度限值以及北京市環(huán)保局所公布的空氣質量結果進行比較，從而對校園環(huán)境中大氣二氧化氮質量做出評價。

(2) 建立立體式教學結構體系，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維能力。實驗課的課堂講授應當不僅僅局限于實驗內容本身，實驗教師本身應當具備立體式的知識結構體系，把與實驗內容密切相關的知識點串起來傳授給學生，詳略得當，突出重點。例如，在講授水中陰陽離子的測定時，要求學生對離子色譜儀的基本原理加以了解即可，但要學會簡單的進樣操作，學會識別不同離子出峰順序，以及利用峰面積或峰高對目標離子進行定量。同時，把該方法的使用范圍教給學生，使學生了解到其他介質如大氣顆粒物、土壤等的陰陽離子測定，方法是類似的，區(qū)別僅在于樣品前處理的不同。這樣使學生所學到的知識不是孤立的、平面的，而是互相聯(lián)系的、立體的，從而培養(yǎng)學生建立一種立體的、多維的知識結構，從而培養(yǎng)了學生的發(fā)散思維能力。

(3) 針對不同學生類型，進行“因材施教”。不同學生的實驗基礎與能力存在一定差異，因此，實驗教學也要注意“因材施教”。對于能力強、學習興趣高的學生，要嚴格要求，不斷啟發(fā)引導，幫助提高其綜合素質。對于基礎相對差的學生，如特長生、留學生等，則以鼓勵為主，使其順利完成規(guī)定的實驗項目，掌握基本的實驗技能。尤其在實驗巡視時，應當特別關注這類實驗基礎與能力相對差的學生，幫助其克服對實驗的畏難心理，增強信心，提高動手能力與參與意識，從而打下良好的實驗基礎。

(4) 充分利用多媒體和網絡信息技術，建立現(xiàn)代化教學手段。多媒體與網絡信息技術的發(fā)展，無疑為現(xiàn)代實驗教學提供了有力的工具與手段。改變傳統(tǒng)以黑板板書為載體的授課模式，根據教學大綱與實驗教材的目的與內容，制作優(yōu)質教學課件，利用多媒體進行授課，突破了黑板板書對內容的限制，可以將多元化知識體系傳授給學生。同時，依托學校信息平臺、網絡學堂、學校教務選課平臺、教學中心信息平臺以及課程平臺，構建多層次的實驗教學網絡平臺，將有關課件及實驗教材、儀器的操作方法等資料上傳至平臺，供學生自由下載。網絡平臺還提供了師生互動的良好途徑，鼓勵學生針對實驗課程提出疑問與建議，任課教師則收集這些建議后進行整理與核實，及時反饋給學生，或加以采納對實驗課程相關環(huán)節(jié)加以改進。

4 結 語

環(huán)境監(jiān)測實驗是一門學科交叉性強、知識點涵蓋領域廣的專業(yè)基礎實驗課程。是學生提高基本實驗技能、培養(yǎng)科研興趣、養(yǎng)成良好科研素質的重要土壤[13-15]。該課程對于學生參與后續(xù)的SRT、導師制、綜合論文訓練等項目起著不可忽視的作用。實驗項目與理論課程是否配套、教學方法是否的當，影響著培養(yǎng)環(huán)境專業(yè)人才的質量。今后應結合學科發(fā)展需求，及時將科研果轉化為實驗項目，提高實驗項目的質量；通過網絡信息平臺發(fā)布教學課件與信息，增強與學生的互動，探討更加科學、先進的教學方法與手段。

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