環(huán)境工程概論設(shè)計(jì)型案例教學(xué)在生態(tài)學(xué)專業(yè)中的應(yīng)用探討

陳國(guó)華　劉立明　熊梓茜

【摘 要】生態(tài)學(xué)專業(yè)是適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題而出現(xiàn)的專業(yè)類型，生態(tài)環(huán)境問題的核心是環(huán)境污染?！董h(huán)境工程概論》課程為生態(tài)學(xué)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)提供一種工程類知識(shí)，因此在授課過(guò)程中需要講授一些設(shè)計(jì)型內(nèi)容，而案例式教學(xué)是學(xué)生掌握工程設(shè)計(jì)的有效途徑。本文以磷化工廠尾氣氟回收凈化作為課程內(nèi)容中廢氣污染與治理對(duì)應(yīng)部分，引導(dǎo)學(xué)生分組進(jìn)入工程設(shè)計(jì)，以解決實(shí)際生產(chǎn)難題，拓展和深化了學(xué)生環(huán)境工程知識(shí)，完成了課程教學(xué)目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】生態(tài)學(xué)專業(yè);環(huán)境工程概論課程;設(shè)計(jì)型案例教學(xué);知識(shí)拓展與深化

中圖分類號(hào)： G642;F205-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）17-0131-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.062

生態(tài)學(xué)是以生物體、生物與其周圍環(huán)境（包括非生物環(huán)境和生物環(huán)境）相互關(guān)系為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，研究領(lǐng)域涉及生物與環(huán)境之間的互作關(guān)系、過(guò)程與機(jī)理，以及生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、功能表現(xiàn)及其優(yōu)化調(diào)控策略等內(nèi)容。全球性生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重 （如全球變暖、生物多樣性減少、生態(tài)退化、環(huán)境污染等），2013年5月24日，習(xí)近平在中共中央政治局第六次集體學(xué)習(xí)時(shí)指出“生態(tài)環(huán)境保護(hù)是功在當(dāng)代、利在千秋的事業(yè)”，生態(tài)學(xué)逐步肩負(fù)起保障資源環(huán)境安全與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的歷史使命。

生態(tài)學(xué)專業(yè)是一門新興的、多學(xué)科交叉滲透形成的專業(yè)，主干課程通常包含：普通生物學(xué)、生物化學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境微生物學(xué)、環(huán)境工程概論等，以理學(xué)內(nèi)容為主導(dǎo)，包括教學(xué)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)踐、畢業(yè)論文等。生態(tài)學(xué)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)：掌握生態(tài)學(xué)基本概念、基本理論和基本技能，能夠運(yùn)用生態(tài)學(xué)理論、方法與技術(shù)，分析和解決生態(tài)破壞、環(huán)境污染等實(shí)際問題，具體要求掌握生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握生態(tài)規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、生態(tài)功能、環(huán)境管理、監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)等方面基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究的基本技能，具有較好的科研創(chuàng)新能力和應(yīng)用開發(fā)能力[1]。

生態(tài)環(huán)境是指人類生存和發(fā)展所必需的水資源、生物資源、氣候資源和土地資源等復(fù)合體，是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的重要基石。然而，隨著工業(yè)化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，我國(guó)的生態(tài)環(huán)境日趨惡化，自然環(huán)境的破壞和污染，危及人類自身的生存。水土流失嚴(yán)重，建國(guó)以來(lái)近幾千萬(wàn)畝的耕地因沙土流失而散失生產(chǎn)能力;水資源污染且短缺，我國(guó)人均占有水資源量為世界平均水平的1/4，并且大量的可利用水資源污染嚴(yán)重;廢水、廢氣、廢渣污染逐漸蔓延;森林覆蓋率低、生物多樣性減少;自然災(zāi)害頻發(fā)[2]。

改革開放以來(lái)，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了巨大的成就，環(huán)保事業(yè)得到了空前的重視，然而我國(guó)的環(huán)境污染依然非常嚴(yán)重，重點(diǎn)河流湖泊富營(yíng)養(yǎng)化、城市空氣污染、工業(yè)危險(xiǎn)廢物數(shù)量增加，從而引發(fā)了許多環(huán)境污染事故。因此，生態(tài)學(xué)專業(yè)開設(shè)環(huán)境類課程勢(shì)在必行，只有覆蓋環(huán)境學(xué)知識(shí)，才能全面地了解和掌握生態(tài)環(huán)境問題根源、應(yīng)對(duì)措施和防治手段。一些學(xué)校開設(shè)的生態(tài)學(xué)課程門類很多，但沒有切中國(guó)家急需的環(huán)境污染與治理領(lǐng)域;有的學(xué)校又過(guò)于偏重生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)，課堂理論教學(xué)太多;有的學(xué)校由于實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)的不足等原因，實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)被壓縮。

“環(huán)境工程概論”是環(huán)境工程專業(yè)的基礎(chǔ)課，也是生態(tài)學(xué)專業(yè)的通識(shí)課程，理論性強(qiáng)的應(yīng)用型課程，幫助學(xué)生了解環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容，豐富學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，但因其內(nèi)容抽象、復(fù)雜，造成學(xué)生理解和掌握基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)比較困難，以課堂理論教學(xué)為主的授課方式，不能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，引入理論和實(shí)踐相結(jié)合的案例式教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[3]。然而這些案例式教學(xué)往往只是列舉一些污染事件及其解決方案，并沒有觸及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域關(guān)鍵的污染物處理設(shè)計(jì)，使得學(xué)生沒有真正領(lǐng)會(huì)污染處理程序。本文探索環(huán)境工程概論設(shè)計(jì)型案例教學(xué)在生態(tài)學(xué)專業(yè)中的實(shí)施方法，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程的理解和掌握，將理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，培養(yǎng)出更加優(yōu)秀的生態(tài)學(xué)專業(yè)學(xué)生。

下面以“磷酸萃取過(guò)程尾氣氟凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為案例講解培養(yǎng)學(xué)生環(huán)境工程知識(shí)的途徑。

1 設(shè)計(jì)型案例教學(xué)實(shí)施

1.1 學(xué)生查閱文獻(xiàn)了解本設(shè)計(jì)的背景與意義

磷礦石中一般含有1.5%-3.5%的氟，在磷酸萃取過(guò)程中，這些氟化物幾乎全部被釋放出來(lái)并轉(zhuǎn)化為其他存在形式。研究發(fā)現(xiàn)，磷礦石中的氟70%-80%進(jìn)入稀磷酸中，15%-20%進(jìn)入磷石膏中，3%-17%以氣相形式進(jìn)入氟吸收系統(tǒng)中[4]。通常采用氟吸收系統(tǒng)對(duì)含氟尾氣進(jìn)行洗滌吸收。目前磷酸萃取尾氣氟吸收系統(tǒng)采用“文丘里洗滌器—板框壓濾機(jī)—一級(jí)洗滌塔—二級(jí)洗滌塔—旋風(fēng)塔—三級(jí)洗滌塔—煙囪”三級(jí)逆流洗滌方式，此洗滌設(shè)計(jì)中主要回收氟資源的方法是向文丘里洗滌器中噴淋清水，使尾氣中的氟轉(zhuǎn)變?yōu)闅浞幔浔锥酥饕袃商帲阂皇欠D(zhuǎn)化為氫氟酸的轉(zhuǎn)化率低。二是會(huì)有大量雜質(zhì)離子混入氫氟酸中，使得獲取的氫氟酸純度降低，低純度的氟化物不利于下游企業(yè)加工。這樣不僅會(huì)造成氟資源的浪費(fèi)，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。因此，從環(huán)保及氟資源回收利用的角度考慮，研究磷酸萃取尾氣中氟資源回收利用技術(shù)具有非常重要的意義。

1.2 指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)方案布局

本設(shè)計(jì)對(duì)磷酸萃取過(guò)程中的氟水進(jìn)行了高純度的回收，變廢為寶。

本設(shè)計(jì)主要由氣液分離器、文丘里洗滌器和板框壓濾機(jī)組成。氣液分離器是一個(gè)加裝了電機(jī)的旋風(fēng)塔，有強(qiáng)大的功率，可以將含氟尾氣中的液體雜質(zhì)與氣體高效分離。液體物質(zhì)進(jìn)入塔底的收集池，氣體進(jìn)入文丘里洗滌器進(jìn)行洗滌。文丘里洗滌器采用NaOH溶液噴淋，可以快速地將尾氣中大部分氟轉(zhuǎn)化為氟化鈉固體和氟硅酸納固體，而其它雜質(zhì)形成的鈉鹽成為水溶性物質(zhì)。文丘里洗滌器下方設(shè)有循環(huán)槽，充分利用洗滌液中的NaOH。板框壓濾機(jī)可以將不溶于水的氟化鈉與氟硅酸鈉固體與其他液體雜質(zhì)進(jìn)行分離，固體收集在固體收集槽中，液體雜質(zhì)則收集在液體收集槽中（圖 1）。剩下的氣體進(jìn)入原有的濕法磷酸尾氣中氟收集系統(tǒng)，直到處理達(dá)標(biāo)，進(jìn)行排放。

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于提高氟的純度，主要從以下兩個(gè)方面：（1）在文丘里洗滌器之前加裝氣液分離器用于分離含氟氣體和氣體中的液體雜質(zhì)。液體在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力作用下，拋向容器內(nèi)壁，因重力作用而向下沉降，而氣體從容器上方排出，達(dá)到氣液分離效果。（2）將文丘里洗滌器里的清水改為用NaOH溶液噴淋，氟轉(zhuǎn)化為非水溶性的氟化鈉和氟硅酸鈉，通過(guò)板框壓濾機(jī)，分離含氟固體和硫酸鹽、磷酸鹽等水溶性雜質(zhì)。

該系統(tǒng)確保尾氣排放達(dá)標(biāo)的同時(shí)，回收高品質(zhì)的氟化物，充分利用氟資源，變廢為寶。改變了氟化工企業(yè)原有的螢石（含氟礦石）供應(yīng)鏈，既避免了氟資源過(guò)度開挖又避免氟排放造成的環(huán)境污染。

2 設(shè)計(jì)型案例教學(xué)對(duì)學(xué)生的影響

2.1 認(rèn)識(shí)工業(yè)污染的嚴(yán)重性與污染治理途徑

通過(guò)學(xué)生自己組隊(duì)進(jìn)行工業(yè)污染物產(chǎn)生原因與治理方案的規(guī)劃，清醒認(rèn)識(shí)到磷化工產(chǎn)業(yè)氟污染的危害，掌握了污染資源的回收利用方法，真正領(lǐng)會(huì)了環(huán)境工程領(lǐng)域的重要性與核心技能。明確了氟造成環(huán)境污染的根本原因：回收氟的濃度低，不利于綜合利用。

2.2 理解污染治理的系統(tǒng)過(guò)程

污染治理需要分類別、按流程逐級(jí)處理的原則?？諝馕廴局卫?、水污染治理、固體污染物處理都必須按照不同種類的污染源、不同的處理方式進(jìn)行綜合考慮。物理方法、化學(xué)方法和生物方法相結(jié)合才能有效去除污染物，同時(shí)廢棄物回收利用是污染處理的有效途徑之一。通過(guò)這些教學(xué)，學(xué)生踴躍報(bào)名、積極參與，同時(shí)拿出了各自的優(yōu)秀作品，既豐富了學(xué)生的課程知識(shí)，也完善了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

3 案例式教學(xué)特色

德國(guó)教育家瓦·根舍因和克拉夫基提出了案例教學(xué)法，基于情景學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考為目的，不強(qiáng)求學(xué)生被動(dòng)接收知識(shí)，旨在讓學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)遷移到其他方面，深化知識(shí)點(diǎn)，以改變學(xué)生的思維方法和行動(dòng)的能力，激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)和反思基本理論與技能。

通過(guò)案例講解，有利于學(xué)生舉一反三、觸類旁通。運(yùn)用得當(dāng)則可以減輕學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，解決知識(shí)暴增與有限學(xué)習(xí)時(shí)間之間的矛盾。案例內(nèi)容包含三個(gè)因素：基本性、基礎(chǔ)性和示范性，遵循三個(gè)基本原則：教學(xué)與教育一致、解決問題能力與系統(tǒng)知識(shí)學(xué)習(xí)一致、掌握知識(shí)與運(yùn)用能力相一致。因此，案例式教學(xué)需要通典型的、具體的、單個(gè)的案例闡述事物的特征與規(guī)律，以便于學(xué)生進(jìn)行歸納、推斷，提升學(xué)習(xí)能力，理解和掌握事物發(fā)展的規(guī)律性，達(dá)到獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力[5]。

案例教學(xué)法的具備幾個(gè)特色：（1）激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考。傳統(tǒng)的教學(xué)指德國(guó)教育家赫爾巴特及其學(xué)派的教育理論和教學(xué)模式，20世紀(jì)初傳入中國(guó)。該學(xué)派以課堂教學(xué)、教師主導(dǎo)、知識(shí)系統(tǒng)性與科學(xué)性為原則。隨著時(shí)代變遷、社會(huì)進(jìn)步，傳統(tǒng)教育學(xué)派的保守性顯得過(guò)時(shí)、落后，符合客觀實(shí)際和社會(huì)發(fā)展的教學(xué)思維被加以肯定、繼承和發(fā)展。案例式教學(xué)一改傳統(tǒng)的傳授模式，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，分析問題解決問題，獲得了很好的效果。（2）注重知識(shí)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅啬芰ε囵B(yǎng)。學(xué)習(xí)知識(shí)的目的是以解決實(shí)際問題為宗旨，傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)分注重現(xiàn)有知識(shí)的傳輸，輕視接收知識(shí)個(gè)體的靈活運(yùn)用能力。案例式教學(xué)督促學(xué)生以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向，反向?qū)W習(xí)，加速能力提升。（3）師生雙向交流獲取系統(tǒng)性知識(shí)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是老師講-學(xué)生聽，學(xué)生動(dòng)力不足，學(xué)習(xí)效率低下。案例教學(xué)需要學(xué)生參與到案例前期調(diào)查、問題分析、知識(shí)拓展、問題解決等，學(xué)生以小組為單位查閱各種必要的理論知識(shí)，解決問題的各種方法，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和運(yùn)用。在獲取的理論知識(shí)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)縝密思考，解決實(shí)際問題，能力培養(yǎng)極大提升。然而，這種案例式教學(xué)需要花費(fèi)學(xué)生大量的時(shí)間，因此選擇案例需要有代表性，課題布置不宜太多，同時(shí)教師需要補(bǔ)充知識(shí)的完整性與科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)師生雙向互動(dòng)。

案例教學(xué)法在工程類課程教學(xué)中的實(shí)施需要遵循幾個(gè)原則：（1）案例選擇原則。案例需要緊扣課程內(nèi)容，（2）案例具有代表性和典型性，（3）實(shí)際工程案例優(yōu)于學(xué)術(shù)刊物發(fā)表的內(nèi)容，（4）合理規(guī)劃案例教學(xué)實(shí)施步驟。生態(tài)學(xué)專業(yè)開設(shè)的《環(huán)境工程概論》，有利于學(xué)生更加全面的認(rèn)識(shí)生態(tài)環(huán)境問題的形成機(jī)制，提高學(xué)生解決環(huán)境污染防治的能力。工程類課程教學(xué)，理論學(xué)習(xí)目的在于以理論為基礎(chǔ)有效解決實(shí)際問題，即理論學(xué)習(xí)必須緊密結(jié)合實(shí)際。因此，設(shè)計(jì)型案例教學(xué)貫穿整個(gè)理論教學(xué)過(guò)程，用解決實(shí)際問題的方式，深化實(shí)踐能力培養(yǎng)，能夠切實(shí)打造一批優(yōu)秀的生態(tài)學(xué)專業(yè)的畢業(yè)生。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)型案例教學(xué)能夠推動(dòng)生態(tài)學(xué)專業(yè)知識(shí)拓展與深化，授課教師根據(jù)工程類課程性質(zhì)進(jìn)行理論階段教學(xué)，需要按照教學(xué)大綱系統(tǒng)地講授理論知識(shí)，期間穿插設(shè)計(jì)型案例資源，引入與理論內(nèi)容相關(guān)的工程實(shí)際案例，詳細(xì)介紹案例背景，督促學(xué)生以分組形式、團(tuán)隊(duì)組合對(duì)案例進(jìn)行全面地討論分析，發(fā)現(xiàn)案例在設(shè)計(jì)或運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)或?qū)嶋H應(yīng)用階段存在的問題，提出解決方案。然后通過(guò)授課教師進(jìn)行合理性評(píng)價(jià)，由案例反推到相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。既能夠培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)踐能力，又能夠牢固掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，實(shí)現(xiàn)工程類課程教學(xué)目標(biāo)[6]。

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