理論與實踐結(jié)合的環(huán)境化學(xué)本科教學(xué)模式探索

侯磊 楊桂英

[摘 要]為解決環(huán)境化學(xué)研究對象廣泛性和研究內(nèi)容深入性對本科教學(xué)提出的挑戰(zhàn)，并適應(yīng)環(huán)境化學(xué)多學(xué)科交叉及不斷發(fā)展的學(xué)科特點，本研究基于當前環(huán)境化學(xué)優(yōu)秀本科理論及實驗教材教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合筆者多年的環(huán)境化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗，以不同環(huán)境介質(zhì)中污染物的環(huán)境行為為線索，探討一種理論與實踐相結(jié)合的當代環(huán)境化學(xué)本科教學(xué)模式，以期為提升環(huán)境化學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量提供方法借鑒。

[關(guān)鍵詞]環(huán)境化學(xué);理論與實踐教學(xué);雨課堂;翻轉(zhuǎn)課堂

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）06-0100-03

環(huán)境化學(xué)作為環(huán)境科學(xué)的重要分支，是環(huán)境科學(xué)與工程一級學(xué)科的核心專業(yè)課，在各大高等院校的教學(xué)任務(wù)中具有重要地位。環(huán)境化學(xué)探究污染物在環(huán)境介質(zhì)中的存在、特性、行為和效應(yīng)及控制的方法和原理[1]，其研究對象的廣泛性和研究內(nèi)容的深入性都給本科教學(xué)帶來了難度和挑戰(zhàn)。環(huán)境化學(xué)需要環(huán)境學(xué)概論、環(huán)境監(jiān)測、有機與無機化學(xué)、物理化學(xué)和生物化學(xué)等多門課程知識點的支撐，同時課程設(shè)置了相應(yīng)的實驗教學(xué)課時，通過頂層設(shè)計合理地安排理論教學(xué)與實踐教學(xué)布局，拆分教學(xué)難點，將知識要點具體化，對于有效提高環(huán)境化學(xué)的本科教學(xué)質(zhì)量，提升本科生學(xué)習(xí)熱情及對知識點的理解具有重要意義。為此，筆者基于當前環(huán)境化學(xué)的優(yōu)秀本科理論及實驗教材的教學(xué)內(nèi)容、雨課堂教學(xué)工具，再結(jié)合自身多年的環(huán)境化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗，探討一種理論與實踐相結(jié)合的當代環(huán)境化學(xué)本科教學(xué)方法。

一、環(huán)境化學(xué)的重要實踐教學(xué)內(nèi)容探討

環(huán)境化學(xué)的主要教學(xué)內(nèi)容圍繞大氣、水體、土壤和生物體環(huán)境介質(zhì)中污染物的環(huán)境行為展開，因此本文將以環(huán)境介質(zhì)作為邏輯線索，通過舉例的方式論述各環(huán)境介質(zhì)中可展開的實踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)重點。

（一）大氣環(huán)境化學(xué)

該部分內(nèi)容重點關(guān)注污染物在大氣環(huán)境介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化及由此引發(fā)的大氣環(huán)境問題，如光化學(xué)煙霧、霧霾、酸雨等。結(jié)合當前我國大氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，學(xué)生較為熟悉的內(nèi)容為霧霾，但對光化學(xué)煙霧的了解較少。因此，本章實踐教學(xué)考慮設(shè)置城市空氣中氮氧化物濃度日變化規(guī)律和顆粒物中多環(huán)芳烴測定兩個主體實驗[2]，分別支撐光化學(xué)煙霧和霧霾形成機制兩個知識點。這兩個實驗均涉及樣點的布設(shè)、樣品采集、前處理、儀器測試及數(shù)據(jù)處理分析五部分內(nèi)容，相應(yīng)的方法需參照環(huán)境監(jiān)測教材內(nèi)容[3]。

課程理論教學(xué)中光化學(xué)煙霧的形成條件及過程，大氣顆粒物的組成、來源及危害均是本章的教學(xué)重點，光化學(xué)煙霧形成過程是教學(xué)難點。通過選取城市中適當?shù)臉狱c（如交通要道附近的居民活動區(qū)域、居住區(qū)、街心公園等），測定NO和NO2濃度的日變化可以幫助學(xué)生理解光化學(xué)煙霧鏈式反應(yīng)的過程，明確NO2的光解引發(fā)整個反應(yīng)，而NO的濃度峰值出現(xiàn)稍早于NO2，最終反應(yīng)結(jié)束時，反應(yīng)物濃度顯著降低等較為抽象的過程需要清晰地展示給學(xué)生。分析顆粒物中多環(huán)芳烴的濃度特征，可對顆粒物粒徑與其負載污染物濃度的關(guān)系形成很好的支撐，讓學(xué)生深入理解顆粒物導(dǎo)致的霧霾污染為什么會導(dǎo)致城市居民患呼吸道及心血管疾病概率的升高。此外，這兩個實驗污染物濃度的檢測需要分別使用紫外可見分光光度計和液相色譜，對于學(xué)生熟悉大型儀器設(shè)備，了解環(huán)境化學(xué)學(xué)科交叉的特性具有重要意義。

（二） 水環(huán)境化學(xué)

該部分內(nèi)容涉及水體中無機重金屬離子及有機污染物的環(huán)境行為特征、天然水體的基本性質(zhì)——堿度、反映有機污染物疏水特性的正辛醇-水分配系數(shù)、有機污染物的生物降解速率和方式等，均為教學(xué)的重點內(nèi)容，同時也是相對難以理解的知識點?？煽紤]分別設(shè)置天然水體的堿度測定、有機污染物的正辛醇水-分配系數(shù)測定、水體中硝基苯的微生物降解等實踐教學(xué)內(nèi)容，輔助學(xué)生對知識點的理解[4]。

水體的堿度是理解碳酸鹽平衡的重要概念，水體pH的差別導(dǎo)致其堿度差異顯著，可以通過采集不同類型的地表水樣，采用滴定的方法分別測定水樣堿度，分析貢獻堿度的碳酸鹽成分，幫助學(xué)生理解碳酸鹽平衡中封閉體系和開放體系設(shè)置的條件，水體pH變化時應(yīng)該如何考慮等量關(guān)系來開展計算。有機污染物的疏水性決定了其在水體中的歸趨，是吸附在顆粒物上，溶解在水中，還是跨膜擴散進入生物體?？梢酝ㄟ^選擇極性（萘胺）和非極性（菲）的有機污染物，分配平衡后分別測定水相和正辛醇相有機污染物的濃度，從而計算其分配系數(shù)，讓學(xué)生更加充分地理解這個全新且重要的概念，加深對污染物性質(zhì)與其環(huán)境歸趨間關(guān)系的認識。有機污染物與重金屬的最大區(qū)別在于，有機污染物可以被生物降解。有機污染物的生物降解過程涉及生長代謝和共代謝一組概念，因有機污染物的性質(zhì)和對微生物的毒性作用有區(qū)別，可通過選取葡萄糖和硝基苯一組有機物，采用相同的空氣暴露后培養(yǎng)微生物，最終測定有機物的濃度，計算降解百分比，分析降解效率的差異，幫助學(xué)生深入理解生長代謝和共代謝的概念差異。實踐教學(xué)中涉及有機污染物濃度的測定時需要用到液相色譜和總有機碳分析儀，讓本科生接觸大型儀器設(shè)備，并應(yīng)用其解決實際環(huán)境化學(xué)問題，有助于提高其實踐動手能力，同時調(diào)動其對枯燥知識學(xué)習(xí)的熱情。

（三） 土壤環(huán)境化學(xué)

該部分內(nèi)容的教學(xué)重點圍繞土壤中重金屬及有機污染物的環(huán)境行為展開，其中土壤對污染物的吸附作用與主導(dǎo)機理是教學(xué)難點。吸附的主導(dǎo)作用機制因土壤理化性質(zhì)的變化而差別顯著，相關(guān)的Henry、Freundlich、Langmuir等經(jīng)典吸附模型使用條件的差異較難理解，同時，土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)及其分級組分的差別對污染物在土壤/沉積物上的吸附作用影響較為顯著，也是較難理解的內(nèi)容。

為此，考慮設(shè)置土壤有機質(zhì)的分離與分級、土壤對銅離子的吸附實驗、沉積物對菲的吸附實驗等實踐教學(xué)內(nèi)容[3， 5]，幫助學(xué)生理解土壤理化性質(zhì)與組成對其吸附污染物特性的影響。土壤有機質(zhì)包括富里酸、腐殖酸和腐黑物，其分子大小、所含官能團類型和數(shù)量、芳香化程度等均有顯著差別，可依據(jù)土壤在酸、堿中的溶解特性對它們進行提取和分離，實驗擬選擇有機質(zhì)較高的沉積物和云南典型紅土作為對比，通過有機質(zhì)的粗提取及濃度表征說明不同類型土壤有機質(zhì)特性的差異。在此基礎(chǔ)上，通過批實驗手段分別探索無機銅離子和多環(huán)芳烴菲在土壤/沉積物上的吸附等溫線，用吸附模型進行擬合，通過污染物濃度梯度的設(shè)置，得到Henry、Frendlich和Langmuir幾種類型吸附模型的擬合結(jié)果，并對各模型的使用條件進行辨析。實驗過程涉及有機質(zhì)組分濃度測定、吸附平衡后溶解態(tài)銅離子、菲濃度的測定，分別需要用到總有機碳測定儀、原子吸收光譜儀和液相色譜，這使學(xué)生體會到土壤中污染物的環(huán)境行為研究也需要借助大型儀器設(shè)備。

（四） 污染物在生物體的富集與毒性

該部分內(nèi)容重點考慮重金屬和有機污染物在土壤介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化及生物效應(yīng)，在生物體（植物和動物）中的積累趨勢及有效性是講解的重點內(nèi)容。當前關(guān)注較多的是重金屬污染土壤在農(nóng)業(yè)耕作方面的影響，即重金屬往作物遷移的趨勢，可以采用植物修復(fù)手段，探測重金屬在植物體內(nèi)富集的程度及影響因素;同時關(guān)注農(nóng)藥、工業(yè)廢物等污染導(dǎo)致的土壤有機物超標問題，關(guān)注有機污染物進入食物鏈的程度、趨勢及主要影響因素。

為此，考慮設(shè)置典型作物（如小麥、葉類蔬菜）對污染土壤中Cd的遷移與富集特性、超積累植物（東南景天）對土壤Cd的富集特性、土壤動物（蚯蚓）對典型有機氯農(nóng)藥（林丹）的生物有效性等實踐教學(xué)內(nèi)容[3，6]。該部分實驗內(nèi)容需要配置不同污染程度的土壤樣品，通過栽種植物或培養(yǎng)動物一段時間后，測定植物和動物體內(nèi)污染物濃度的分布規(guī)律，對其風(fēng)險進行評價。對于同一種重金屬，如Cd，作物和超積累植物的富集特性及土壤中Cd的存在形態(tài)均有顯著差異，可同時實驗測定，讓學(xué)生直觀地對比兩個體系中植物發(fā)揮作用的差異，同時認識到超積累植物在重金屬污染土壤修復(fù)中的重要作用。污染土壤經(jīng)過蚯蚓的腸道處理之后，使得蚯蚓體內(nèi)有機污染物濃度明顯提高，該實驗有助于學(xué)生對生物可給性及生物有效性概念的理解，同時意識到土壤性質(zhì)、蚯蚓個體差異、暴露時間等因素對于最終富集程度具有重要的決定性作用。實驗過程涉及土壤、植物體中Cd、林丹濃度的測定，需要分別使用原子吸收光譜儀和氣相色譜儀等大型儀器設(shè)備。

二、環(huán)境化學(xué)理論與實踐教學(xué)的相互支撐作用

通過以上不同環(huán)境介質(zhì)中污染物環(huán)境行為的實踐教學(xué)內(nèi)容論述發(fā)現(xiàn)，環(huán)境化學(xué)實踐教學(xué)與理論教學(xué)之間具有較好的相互支撐作用，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：理論教學(xué)為實踐教學(xué)奠定理論和方法基礎(chǔ)，而實踐教學(xué)為理論教學(xué)提供案例和機理分析素材，二者相輔相成，對于提高環(huán)境化學(xué)的本科教學(xué)效果缺一不可。針對本論文討論的環(huán)境化學(xué)核心理論、擬選擇的實驗教學(xué)內(nèi)容及對應(yīng)的儀器分析方法總結(jié)如表1所示。

理論教學(xué)為實踐教學(xué)奠定理論和方法基礎(chǔ)。綜合本文核心部分的論述，各環(huán)境介質(zhì)中經(jīng)典概念和理論的講解為實踐教學(xué)提供了可能。光化學(xué)煙霧的形成條件和反應(yīng)過程、有機污染物的正辛醇水分配系數(shù)、土壤有機質(zhì)組成與污染物吸附的關(guān)系、土壤重金屬與有機污染物的生物有效性等內(nèi)容的實踐教學(xué)，均需要建立在掌握基本理論概念的基礎(chǔ)上，同時需要對反映這些環(huán)境化學(xué)過程的指標及檢測方法有一定了解，才能夠有效地開展實踐教學(xué)。為此，在實際教學(xué)過程中需要合理安排理論和實踐教學(xué)的時間，需要在理論教學(xué)開展較為充分的條件下再開展實踐教學(xué)，從而保證實踐教學(xué)的效果。

實踐教學(xué)為理論教學(xué)提供案例和機理分析素材。在本文前述內(nèi)容中，已較為充分地論述了各環(huán)境介質(zhì)中可考慮開展的實踐教學(xué)內(nèi)容。然而，因各高校硬件條件、教學(xué)課時的限制，加上有的環(huán)境化學(xué)實驗本身較為復(fù)雜，可能難以有效地開展實踐教學(xué)?？梢钥紤]將某些特別復(fù)雜、耗時的實踐教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)榘咐虒W(xué)，或由教師預(yù)先完成實驗，僅給學(xué)生介紹實驗框架設(shè)置及主要結(jié)果分析，這樣也可為理論教學(xué)提供較為實際的案例。此外，對于實踐教學(xué)的結(jié)果需要在理論教學(xué)過程中適當?shù)剡M行總結(jié)和升華，充分發(fā)揮和利用好理論與實踐相結(jié)合教學(xué)模式的益處。

三、其他教學(xué)手段的輔助作用

除本文重點論述的理論與實踐教學(xué)相結(jié)合的本科環(huán)境化學(xué)教學(xué)模式之外，當前先進教學(xué)工具（如雨課堂）的使用、新型教學(xué)方式（翻轉(zhuǎn)課堂）的嘗試，亦可為提升教學(xué)質(zhì)量貢獻力量。目前針對雨課堂在環(huán)境化學(xué)本科教學(xué)實踐中的應(yīng)用報道較為有限，但該工具已在文科、理科等多學(xué)科的高等教育教學(xué)實踐中有大量應(yīng)用報道[7-8]。雨課堂是基于微信客戶端的公眾微信號，同時在PPT中具有插入模塊，可通過創(chuàng)建班級實現(xiàn)課堂的電子化，為課程的預(yù)習(xí)、課堂難點反饋、課后作業(yè)、測驗等教學(xué)過程提供較好交流、監(jiān)督手段。對于環(huán)境化學(xué)這門知識點較多，教學(xué)難點較為集中的課程而言，雨課堂的使用能夠有效改善課程的教學(xué)環(huán)境，加強教師與學(xué)生間的互動，進而提高教學(xué)質(zhì)量。

翻轉(zhuǎn)課堂是當前討論較多的教學(xué)模式，提倡學(xué)生轉(zhuǎn)變角色，成為課堂教學(xué)的主動參與者[7， 9]。針對環(huán)境化學(xué)課程的特點，該模式的使用是必要的，但需要掌握好該模式的使用程度，因環(huán)境化學(xué)存在較多難以理解的知識點，如過多地將教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)過程完全交給學(xué)生可能存在學(xué)習(xí)難度增加的問題。為此，需要有針對性地挑選各個章節(jié)中與學(xué)生生活關(guān)系密切，較為容易理解的內(nèi)容，通過學(xué)生分組進行PPT展示、視頻演示模擬實驗、問題誘導(dǎo)式教學(xué)、故事或案例引入式教學(xué)等方式，輔助理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式，提升教學(xué)質(zhì)量。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 戴樹桂.環(huán)境化學(xué)（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 高士祥，顧雪元.環(huán)境化學(xué)實驗[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2009.

[3] 奚旦立，孫裕生.環(huán)境監(jiān)測（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[4] 鄒洪濤，朱麗珺.環(huán)境化學(xué)實驗教程[M].北京：中國林業(yè)出版社，2015.

[5] 顧雪元，毛亮.環(huán)境科學(xué)與工程實驗教學(xué)系列教材：環(huán)境化學(xué)實驗[M].南京：南京大學(xué)出版社，2012.

[6] 江錦花.環(huán)境化學(xué)實驗[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[7] 李超超.基于雨課堂的翻轉(zhuǎn)課堂“嵌入式一體化”教學(xué)模式設(shè)計研究：以三亞學(xué)院《馬克思主義基本原理概論》為例[J].高教學(xué)刊，2018（9）：22-24.

[8] 馮艷斐.雨課堂在有機化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用探究[J].廣東化工，2018（7）：266-267.

[9] 張鳳杰，歐曉霞，仉春華，等.基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的環(huán)境化學(xué)課程教學(xué)設(shè)計探討[J].科技視界，2016（27）：168.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]