基于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械類學(xué)生的《環(huán)境化學(xué)》課程理論教學(xué)環(huán)節(jié)探討

朱海東 張明元 田光梅 劉東靜 俞兆喆 趙亮亮

摘 要：《環(huán)境化學(xué)》是化學(xué)學(xué)科中的尤為重要的一門課程。如今我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，與此同時(shí)也帶來(lái)了生態(tài)污染、環(huán)境破壞、資源流失等一系列問(wèn)題，如果不加以防治，問(wèn)題會(huì)逐漸惡化，機(jī)械類學(xué)生在完成傳統(tǒng)本科教學(xué)基礎(chǔ)課的同時(shí)，也應(yīng)該注重環(huán)境保護(hù)和治理，認(rèn)識(shí)到環(huán)境問(wèn)題在當(dāng)今機(jī)械生產(chǎn)中也是重要的一環(huán)。在適應(yīng)工程教育認(rèn)證畢業(yè)指標(biāo)點(diǎn)的前提下，在眾多化學(xué)學(xué)科課程中選取最適合機(jī)械類學(xué)生的《環(huán)境化學(xué)》，能夠使得學(xué)生進(jìn)一步理解工程實(shí)踐對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響，更好地完成預(yù)定的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：環(huán)境化學(xué)；機(jī)械類學(xué)生；工程教育認(rèn)證

一、 引言

環(huán)境化學(xué)學(xué)科是化學(xué)學(xué)科的重要分支。在地球生態(tài)逐漸惡化的今天，環(huán)境問(wèn)題的日益突出，促使了人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)。我國(guó)現(xiàn)在高度重視環(huán)境污染問(wèn)題，習(xí)總書記曾強(qiáng)調(diào)，人和社會(huì)持續(xù)發(fā)展的根本基礎(chǔ)是良好的生態(tài)環(huán)境，環(huán)境保護(hù)和治理的重點(diǎn)是解決損害群眾健康的突出環(huán)境問(wèn)題，堅(jiān)持預(yù)防為主、綜合治理，強(qiáng)化土壤、大氣、水的污染防治，著重推進(jìn)重點(diǎn)區(qū)域和流域環(huán)境污染防治。這促使高校的各個(gè)專業(yè)更加重視本專業(yè)對(duì)環(huán)境的影響。同時(shí)依照工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，專業(yè)制定的畢業(yè)要求應(yīng)完全覆蓋認(rèn)證規(guī)定的“十二條”要求。其中第七條提出要求能夠理解和評(píng)價(jià)對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的工程實(shí)踐對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響。對(duì)此要求可以理解為兩點(diǎn)，其中一點(diǎn)為理解機(jī)械工程的實(shí)施和運(yùn)行對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，能充分考慮機(jī)械工程實(shí)踐與環(huán)境保護(hù)的突出問(wèn)題，另一點(diǎn)樹立綠色制造的理念，正確評(píng)估機(jī)械工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的工程實(shí)踐對(duì)環(huán)境社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響。故我校對(duì)于機(jī)械類學(xué)生準(zhǔn)備增開《環(huán)境化學(xué)》課程，使機(jī)械類學(xué)生在將來(lái)投身本學(xué)科研究和社會(huì)建設(shè)時(shí)對(duì)環(huán)境問(wèn)題有進(jìn)一步思考。

二、 理論教學(xué)過(guò)程分析

（一） 教學(xué)內(nèi)容

圖1 環(huán)境污染物的三個(gè)閉環(huán)大循環(huán)

環(huán)境化學(xué)課程涉獵的知識(shí)包羅萬(wàn)象，但是總體來(lái)說(shuō)，按照?qǐng)D1所示，可歸結(jié)為污染物在大氣圈、水圈、土壤圈三個(gè)圈層之間的循環(huán)往復(fù)。可以以這個(gè)循環(huán)為一個(gè)教學(xué)主線進(jìn)行講解。這樣就可以將環(huán)境化學(xué)梳理為一條三個(gè)圈層之間的遵循三個(gè)圈層轉(zhuǎn)換規(guī)律的污染物轉(zhuǎn)化遷移的閉環(huán)，按照三個(gè)圈層來(lái)拆分并組織教學(xué)內(nèi)容。

1. 大氣圈層中污染物轉(zhuǎn)化遷移

從大氣結(jié)構(gòu)分布圖引入該內(nèi)容，針對(duì)大氣圈層垂直分布的講解作為整個(gè)內(nèi)容的重點(diǎn)，由于此部分內(nèi)容在初高中教科書中有系統(tǒng)的體現(xiàn)，因此便于學(xué)生理解，也對(duì)進(jìn)一步理解各個(gè)污染物分子轉(zhuǎn)遷規(guī)律打下良好的基礎(chǔ)。

大氣污染物的遷移涉及很多化學(xué)計(jì)算方法，因此不作為重點(diǎn)內(nèi)容呈現(xiàn)在機(jī)械類學(xué)生面前，這樣可以避免突然間的知識(shí)難度提升。學(xué)生理解了大氣圈層結(jié)構(gòu)就可以達(dá)到對(duì)于機(jī)械類學(xué)生的要求。

大氣污染物的遷移涉及諸多的遷移模型，在講授過(guò)程中重點(diǎn)應(yīng)放在雙原子分子和三原子分子的相對(duì)簡(jiǎn)單的遷移模型，這樣就可以避免多原子分子的復(fù)雜遷移模型對(duì)學(xué)生造成的困惑。

以上設(shè)想是基于工程教育認(rèn)證背景下，并不追求讓機(jī)械類學(xué)生理解到深邃的化學(xué)規(guī)律，這和化學(xué)專業(yè)學(xué)生所要求的有所區(qū)別。不過(guò)，對(duì)于大氣污染物這一章節(jié)來(lái)說(shuō)，理解了諸如硝酸生成源、臭氧生成源、鹽酸生成源甚至硫酸雨生成源的機(jī)理和過(guò)程，由此更加理解機(jī)械工程的實(shí)施和運(yùn)行對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，已經(jīng)達(dá)到了工程教育認(rèn)證畢業(yè)指標(biāo)點(diǎn)第七條的要求。

2. 水圈層中污染物轉(zhuǎn)化遷移

水圈層涉及的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律以及化學(xué)反應(yīng)模型對(duì)于機(jī)械工程類學(xué)生來(lái)說(shuō)，都是難以理解甚至是晦澀難懂的。面對(duì)工程教育認(rèn)證所需要的要求，就必須對(duì)水圈層設(shè)計(jì)一套切實(shí)可行的講授內(nèi)容。

對(duì)于水圈層污染物的轉(zhuǎn)化遷移，所遵循的基本水體自凈規(guī)律以及基本水體平衡規(guī)律，機(jī)械工程類的學(xué)生還是可以理解的，因?yàn)檫@里涉及水體溶解氧規(guī)律是高中化學(xué)所提及的，但是面對(duì)水體最重要的碳酸平衡，所體現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容又是重點(diǎn)，因此在本環(huán)節(jié)涉及了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，來(lái)幫助學(xué)生理解碳酸平衡。因?yàn)閱渭兊牧_列碳酸平衡模型對(duì)于沒(méi)有相關(guān)知識(shí)積累的學(xué)生來(lái)說(shuō)又是難以接受的部分。

當(dāng)學(xué)生理解了水體平衡規(guī)律之后就開始了水體污染物轉(zhuǎn)移的講授，這一部分所涉獵的水體動(dòng)力學(xué)甚至分子動(dòng)力學(xué)規(guī)律，是難點(diǎn)。這一部分諸如亨利定律，能斯特方程，共代謝模型，雙模理論等的講解，如果強(qiáng)調(diào)推導(dǎo)過(guò)程，就偏離了工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)要求，因此這部分可以把導(dǎo)出結(jié)論或者模型本身展示給學(xué)生。著重于一些實(shí)例的講解，通過(guò)具體水體例證來(lái)解釋相關(guān)模型或者定律，使學(xué)生能充分考慮機(jī)械工程實(shí)踐與環(huán)境保護(hù)的突出問(wèn)題，達(dá)到工程認(rèn)證要求。

3. 土壤圈層中污染物轉(zhuǎn)化遷移

在土壤圈層的講解中，重點(diǎn)規(guī)律即為離子交換模型，只有遵循了離子交換規(guī)律才能揭示土壤圈層中污染物的轉(zhuǎn)化特征。離子交換模型在高中化學(xué)中也有所涉及，這部分內(nèi)容可以作為重點(diǎn)講解。對(duì)于土壤中污染物轉(zhuǎn)化是基于上述離子交換模型的，這部分推薦使用實(shí)踐教學(xué)方法在前，通過(guò)實(shí)踐，可以讓學(xué)生更加形象地理解土壤圈層中污染物轉(zhuǎn)化遷移，也就為后期關(guān)于樹立綠色制造的理念，正確評(píng)估機(jī)械工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的工程實(shí)踐對(duì)環(huán)境社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響理論講解奠定了基礎(chǔ)。

綜上所述，本課程的理論教學(xué)遵循大氣圈層、水圈層、土壤圈層三個(gè)閉環(huán)來(lái)講解，講解中要緊扣工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，避免復(fù)雜化學(xué)定律和模型的講述，銜接學(xué)生所學(xué)高中化學(xué)知識(shí)，深化學(xué)生對(duì)環(huán)境概念的解讀。

（二） 教學(xué)疑難點(diǎn)的解析方案

在本課程教學(xué)中，面臨的最大矛盾就是授課教師與聽課學(xué)生之間的知識(shí)差距。授課學(xué)生普遍是機(jī)械工程類的大三學(xué)生，他們并沒(méi)有接受大學(xué)化學(xué)知識(shí)的傳授，而授課教師均具備化學(xué)背景，比如本人所在學(xué)院開設(shè)本門課程的教師多為化學(xué)專業(yè)出身。

上述背景就必須授課教師明白如何搭建環(huán)境化學(xué)講授內(nèi)容的整體難易矩陣圖，講授課程中，必須基于工程教育認(rèn)證所提出的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)完成這些難易程度不同的講授環(huán)節(jié)。表1是課題組基于前期研究所做出的相關(guān)矩陣圖。

對(duì)于復(fù)雜的化學(xué)規(guī)律，可以直接給出結(jié)論而不是每個(gè)公式或模型都要有推導(dǎo)過(guò)程。例如大氣圈層污染物轉(zhuǎn)移中，緊扣大氣酸雨，大氣酸霧，倫敦?zé)熿F等環(huán)境最相關(guān)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)講授內(nèi)容；水圈層污染物轉(zhuǎn)移中，也要緊扣赤潮，淮河污染等問(wèn)題來(lái)設(shè)計(jì)授課方案；而土壤圈層污染物轉(zhuǎn)移中，更是要緊扣沙漠化，鹽堿化等關(guān)注點(diǎn)來(lái)講授。這樣才能最終緊扣工程教育認(rèn)證要求，避免求難求復(fù)雜的講授方法。

（三） 考核方式

作為整個(gè)基于工程教育認(rèn)證的環(huán)境化學(xué)教學(xué)閉環(huán)的最后一環(huán)，考核方式也是最重要的一環(huán)。作為期末考試題的出題方向，要緊扣國(guó)家面臨的重大環(huán)境問(wèn)題和迫切需要解決的有關(guān)環(huán)境的民生問(wèn)題，以及關(guān)于環(huán)境方面國(guó)家的重大舉措。對(duì)于實(shí)踐環(huán)節(jié)的考核，在實(shí)踐報(bào)告中，必須緊扣工程教育認(rèn)證所提出的指標(biāo)點(diǎn)要求，讓學(xué)生切實(shí)理解環(huán)境問(wèn)題是復(fù)雜的工程問(wèn)題。

三、 小結(jié)

開展教學(xué)改革以順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，所以教學(xué)改革一直都在探索的路上，2016年，在我國(guó)正式加入國(guó)際上最具影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》后，不僅僅是畢業(yè)生學(xué)位得到《華盛頓協(xié)議》其他組織的認(rèn)可，提高了我國(guó)工程教育的國(guó)際影響力，同時(shí)也為教學(xué)改革提供了思路。綠水青山就是金山銀山，把環(huán)境課程加入各個(gè)專業(yè)勢(shì)在必行，機(jī)械類專業(yè)作為傳統(tǒng)工程技術(shù)科學(xué)學(xué)科，同時(shí)也是易產(chǎn)生重污染行業(yè)之一，為使學(xué)生更加適應(yīng)學(xué)科研究和社會(huì)建設(shè)，將來(lái)加入《環(huán)境化學(xué)》課程便更顯得尤為重要，可以達(dá)到學(xué)以致用的效果。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

朱海東，張明元，田光梅，劉東靜，俞兆喆，趙亮亮，廣西壯族自治區(qū)桂林市，桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。