水利院校環(huán)境專業(yè)類化學(xué)實驗改革與實踐

陸光華， 王永花， 夏 俊

(河海大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

河海大學(xué)是有著鮮明水利特色工科院校，環(huán)境相關(guān)專業(yè)教學(xué)、科研工作以解決環(huán)境領(lǐng)域中的實際工程問題為重點，具有鮮明的水環(huán)境特色。其中，環(huán)境工程專業(yè)為國家級特色專業(yè)。目前，環(huán)境工程和環(huán)境科學(xué)專業(yè)作為江蘇省“十二五”高等學(xué)校重點專業(yè)(環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)類)進(jìn)行建設(shè)。專業(yè)類實行大類招生，即環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程統(tǒng)一招生和錄取，一、二年級共同培養(yǎng)，夯實專業(yè)基礎(chǔ)，三、四年級實行專業(yè)分流，彰顯專業(yè)特色。

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，作為環(huán)境類專業(yè)主要的學(xué)科基礎(chǔ)課程群，化學(xué)實驗教學(xué)是培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)、訓(xùn)練實驗技能、提高創(chuàng)新能力的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)[1-3]。我院以專業(yè)類建設(shè)為契機(jī)，進(jìn)行了化學(xué)實驗課程體系、實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)方法和手段等一體化的設(shè)計與改革。

1 構(gòu)建適應(yīng)化學(xué)實驗教學(xué)體系

環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程專業(yè)傳統(tǒng)的化學(xué)實驗課程都是和理論課程合在一起的課內(nèi)實驗，分別屬于無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)的課內(nèi)實驗，學(xué)分少，內(nèi)容條塊分割，以驗證性實驗為主。這種模式在一定程度上對于鞏固理論教學(xué)效果、培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的科學(xué)態(tài)度、訓(xùn)練學(xué)生基本實驗操作能力起到了積極作用，但是很難調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也無法滿足學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求[4-6]。

根據(jù)水利特色的環(huán)境專業(yè)類創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對傳統(tǒng)基礎(chǔ)化學(xué)實驗在創(chuàng)新人才培養(yǎng)上的局限性，通過整合、優(yōu)化、提升等一系列方法，構(gòu)建了涵蓋專業(yè)基礎(chǔ)、學(xué)科基礎(chǔ)、學(xué)科交叉3個層次的階梯式實驗課程體系，見圖1。所有實驗課程單列學(xué)分，隸屬于集中實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在第一學(xué)年開設(shè)基礎(chǔ)化學(xué)實驗課程，以演示、驗證性實驗為主，旨在幫助學(xué)生深入理解基本理論、掌握基本操作、熟悉基本儀器、掌握基本實驗技能等，夯實學(xué)科基礎(chǔ)[7-8]。在第二學(xué)年開設(shè)環(huán)境分析化學(xué)實驗課程，以綜合性、實用性實驗為主，旨在幫助學(xué)生針對環(huán)境問題掌握必要的化學(xué)方法和手段，具備常規(guī)性環(huán)境分析的技能，初步探索運用化學(xué)的方法解決環(huán)境問題，促進(jìn)化學(xué)與環(huán)境的學(xué)科交融[9]。在第三學(xué)年開課環(huán)境監(jiān)測實驗課程，以設(shè)計性、研究性實驗為主，使學(xué)生在掌握專業(yè)實驗技能和必要的監(jiān)測方法基礎(chǔ)上, 重點針對水環(huán)境領(lǐng)域的科學(xué)或工程問題，自主設(shè)計或參與設(shè)計實驗內(nèi)容，開展研究型實驗課題，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力[10]。通過這種層層遞進(jìn)、逐步提高的培養(yǎng)模式，既充分發(fā)揮了化學(xué)學(xué)科對環(huán)境學(xué)科的支撐作用，也為環(huán)境專業(yè)類的創(chuàng)新人才培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)，提供了平臺和保障。

圖1 改進(jìn)的化學(xué)實驗教學(xué)體系框圖

2 豐富化學(xué)實驗內(nèi)涵

(1) 在化學(xué)實驗內(nèi)容的選擇和設(shè)計上要有針對性。與化學(xué)化工類專業(yè)相比較，環(huán)境專業(yè)類的化學(xué)實驗課程學(xué)分比較少，因此，需要針對環(huán)境專業(yè)類創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需求，精心篩選和設(shè)計實驗內(nèi)容[11]。比如，針對后續(xù)環(huán)境專業(yè)培養(yǎng)需要，在基礎(chǔ)化學(xué)實驗部分，刪掉了傳統(tǒng)的熔點測定、乙酸乙酯的合成等內(nèi)容，增加了微波加速溶劑提取、索氏提取、超聲萃取等內(nèi)容，這些基本技能正是環(huán)境分析中常用的分離、富集環(huán)境樣品中的化學(xué)污染物的前處理方法。

(2) 實驗內(nèi)容要與時俱進(jìn)。比如，針對公眾普遍關(guān)注的環(huán)境熱點問題，及時微調(diào)實驗內(nèi)容，體現(xiàn)趣味性和實用性。近期人們對稻谷中重金屬鎘超標(biāo)問題格外關(guān)注，我們將環(huán)境分析化學(xué)中“人類頭發(fā)中汞的測定實驗”調(diào)整為“稻米中鎘的含量測定”，以不同產(chǎn)地的稻米為樣本進(jìn)行分析測定，并引導(dǎo)學(xué)生將測定結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比分析，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時增強(qiáng)了實驗的實用性。

(3) 實驗內(nèi)容要具備新穎性和挑戰(zhàn)性[12]，同時要體現(xiàn)水環(huán)境特色。在環(huán)境監(jiān)測實驗中，結(jié)合老師的科研課題，以及大學(xué)生創(chuàng)新項目訓(xùn)練計劃課題，將原來分散、孤立的實驗項目，如水中溶解氧的測定、氨氮的測定、總磷的測定、葉綠素的測定等整合起來，變成研究性的題目——南京市湖泊水體的富營養(yǎng)化研究，學(xué)生需要自主查閱相關(guān)資料，赴現(xiàn)場采集實際水樣，選擇水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)，處理實驗數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)果，最后還要進(jìn)行水體富營養(yǎng)化狀況的評價。通過這樣的訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生的主動性，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

3 更新適應(yīng)社會需求的實驗方法與手段

3.1 全方位開放式實驗教學(xué)

為了充分利用實驗室的空間和資源，進(jìn)一步調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，全面提升學(xué)生的綜合能力，每個層次的實驗課程都進(jìn)行開放教學(xué)，讓學(xué)生根據(jù)自身的興趣和時間安排，自主選擇實驗內(nèi)容、實驗時間、實驗設(shè)備和指導(dǎo)教師。同時，不斷加大開放實驗的力度，將開放式運行的內(nèi)涵從“時間”和“空間”開放拓展到了“內(nèi)容”、“考核”、“設(shè)備”和“管理”等多方面，建立由“網(wǎng)上預(yù)約”、“入室教育”、“實驗指導(dǎo)”、“實驗驗收”、“實驗考核”等環(huán)節(jié)構(gòu)成的一整套開放教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控保證體系[13]，既保證了實驗教學(xué)效果，又充分調(diào)動了學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。

3.2 實驗教學(xué)與科研互動

不斷加大將科研成果轉(zhuǎn)化成教學(xué)實驗的力度，以科學(xué)進(jìn)步促進(jìn)實驗教學(xué)發(fā)展。將水環(huán)境領(lǐng)域取得的新成果、新技術(shù)和新方法充實到化學(xué)實驗內(nèi)容中來，充分體現(xiàn)實驗項目的新穎性和先進(jìn)性[3]。以環(huán)境分析化學(xué)實驗為例，環(huán)境雌激素污染是目前人們關(guān)注的焦點問題。傳統(tǒng)的水環(huán)境中雌激素測定方法是采用固相萃取-液相色譜相結(jié)合的方法，前處理過程復(fù)雜，耗時耗力，不適合在本科生實驗中開展。本院教師在國家自然科學(xué)基金資助下，成功研發(fā)了新型微固相萃取材料，建立了實際水環(huán)境痕量雌激素快速檢測方法。這一前沿性成果被轉(zhuǎn)化成了環(huán)境監(jiān)測實驗中的研究性實驗項目，通過實驗研究，培養(yǎng)了學(xué)生的科研素養(yǎng)，訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)思維能力，深受學(xué)生們的歡迎和好評。

3.3 打通實驗平臺，實現(xiàn)資源共享

環(huán)境學(xué)院原來的實驗平臺分為教學(xué)實驗室和科研實驗室，教學(xué)實驗室又分成化學(xué)實驗室、專業(yè)實驗室等等，資源分散，多頭管理，條塊分割?？蒲袑嶒炇覟榻逃恐攸c實驗室，擁有大量先進(jìn)的成套設(shè)備，運行費用高，利用率偏低[14]。教學(xué)實驗室以小型、常規(guī)儀器為主，大型儀器設(shè)備種類少而型號相對陳舊。為了推進(jìn)優(yōu)質(zhì)實驗資源共享，提高大型貴重儀器設(shè)備的使用效益，推進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)，目前，我院成立了環(huán)境學(xué)院實驗中心，將不同層次的實驗資源橫向打通、縱向貫通、互通共享，實現(xiàn)了實驗室人力和物力資源的統(tǒng)一管理。通過這一舉措，使本科生有機(jī)會接觸和使用到本學(xué)科領(lǐng)域最先進(jìn)的大型儀器設(shè)備, 在學(xué)生通過訓(xùn)練獲得上崗證后, 可獨立操作液相色譜儀、氣相色譜儀、傅立葉變換紅外光譜儀、綜合熱分析儀、激光粒徑分析儀、氣相色譜-質(zhì)譜儀、液相色譜-質(zhì)譜儀等，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的大型儀器的操作能力, 也為研究型、創(chuàng)新性實驗項目的完成提供了保障[15]。實驗平臺的統(tǒng)一管理，真正實現(xiàn)了資源共享和教學(xué)科研的互動，同時提高了學(xué)生的競爭力，有力地促進(jìn)了學(xué)生的就業(yè)和進(jìn)一步深造。

4 結(jié) 語

我校環(huán)境專業(yè)類化學(xué)實驗教學(xué)改革得到了校院兩級人力、物力的大力支持，已經(jīng)取得初步成效，學(xué)生的滿意度明顯提高。經(jīng)過化學(xué)實驗教學(xué)新體系循序漸進(jìn)、層層深入的訓(xùn)練，學(xué)生的動手能力和主動學(xué)習(xí)能力明顯提高，創(chuàng)造能力和解決實際問題的能力也明顯增強(qiáng)。近幾年，我院環(huán)境專業(yè)類學(xué)生在全國大學(xué)生創(chuàng)新計劃項目、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽、全國大學(xué)生節(jié)能減排大賽等各類競賽中獲獎100多項，本科生申請/獲得專利30多項，發(fā)表科研論文10余篇?；瘜W(xué)實驗教學(xué)改革成果對同類高校相關(guān)專業(yè)具有良好的示范和輻射作用。

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