環(huán)境科學專業(yè)實驗課程整合探索

凌云 李娟英 彭自然 李玉清

摘 要 環(huán)境科學專業(yè)傳統(tǒng)的實驗課程安排強調實驗和理論的同步結合，實驗操作常有重復，實驗準備、后續(xù)處理也都費時費力，另外受實驗課時的限制，單門實驗課程經費較少，難以做大做強。因此本文期望通過將環(huán)境化學類實驗課程整合，建設單門的實驗大課，使實驗內容系統(tǒng)化、全面化，集中力量打造實驗金課，結合翻轉課堂、虛擬仿真、在線課程等多樣化的教學手段，倒逼學生將實踐與理論相結合，提升環(huán)境科學專業(yè)學生的實驗實踐能力。

關鍵詞 環(huán)境科學 實驗課程 整合

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.03.013

Exploration on the Integration of Environmental Science Experiment Courses

LING Yun， LI Juanying， PENG Ziran， LI Yuqing

（College of Marine Ecology and Environment， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306）

Abstract The traditional experimental course arrangement of environmental science specialty emphasizes the synchronous combination of experiment and theory. The experimental operation is often repeated， and the experimental preparation and follow-up treatment are also time-consuming and laborious. In addition， due to the limitation of experimental hours， the single experimental course has less funds， which is difficult to be bigger and stronger. Therefore， through the integration of environmental chemistry experimental courses， this paper hopes to build a single experimental course， make the experimental content systematic and comprehensive， focus on building experimental gold course， combined with flipped classroom， virtual simulation， online courses and other diversified teaching methods， force students to combine practice and theory， and improve the experimental practice ability of environmental science students.

Keywords environmental science; experiment course; integration

環(huán)境科學專業(yè)作為交叉學科融合了化學、生物、物理、數學、人文等多個學科的知識內容，作為理工科專業(yè)，實驗課程的開設是繞不開的話題，環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境化學、環(huán)境工程學都是教指委所規(guī)定的課程，也是大多數環(huán)境專業(yè)開設的課程。為了提高學生的動手能力，近年來相關的實驗教學方法改進探索卓有成效，如王增寶[1]等構建了實驗教學信息化平臺，提高了學生自主學習能動性，劉興華等[2]從實驗室開放模式入手，改進實驗開放的層次、內容和方法，提高學生的實踐創(chuàng)新能力，而陶濤[3]等探索了“五位一體”的教學實驗方法，將實驗教學融入了創(chuàng)新課程、網絡課程、實踐課程之中，達到促成果，增效果的最終目的。但大多數的教學方法改革依然基于傳統(tǒng)的實驗安排，強調實驗和理論的同步結合，理論課上到哪里，實驗內容安排到哪里，教練結合。從傳統(tǒng)教學思路來說，這種安排對于學生的記憶和動手能力確實是有效的。但在如今的信息化時代，學生對于知識的查閱翻找能力遠高于以往，在翻轉課堂、在線教學、虛擬仿真、金課建設等各種先進教學手段的激勵下，我們越來越強調學生的學習主動性，而且環(huán)境科學的實驗內容常常是涉及面廣但并不深，不像化學、生物專業(yè)那樣需要多級的層層遞進，部分實驗在不同的課程中會產生交叉，比如環(huán)境監(jiān)測課程會涉及理化指標的檢驗，環(huán)境化學、環(huán)境工程課程依然要檢驗相關的理化指標，按照傳統(tǒng)的思路根據理論課程的進度設立實驗課程，也容易造成實驗的重復設置，因此將實驗內容進行整合，注重實驗的系統(tǒng)性，配合學生的主動學習，反而能得到更好的效果。比如朱蘭保等[4]開設了“環(huán)境科學專業(yè)綜合實驗”課程，將原來分散的污染物監(jiān)測項目與自然環(huán)境要素結合，同時結合環(huán)境影響評價課程，整合成水質監(jiān)測、空氣質量監(jiān)測和土壤重金屬監(jiān)測的實驗內容并取得較好的成果。吳巖等[5]同樣建議增加綜合性實驗內容，如開設底泥對苯酚的吸附、土壤中重金屬形態(tài)分析、水體富營養(yǎng)化評價等實驗項目以培養(yǎng)學生的綜合實驗素質。我們參考后在相應的實習課程中也有開設相關的內容，發(fā)現如果監(jiān)測指標太少，實驗過于簡單;如果指標太多，占用課時又比較多;如果學生分指標做，每個學生得到的項目不一樣，也不能得到全面的鍛煉。另外從教改建設情況來看，單個的實驗課程體量小，較難申請建設經費，一些探究型的實驗受到經費制約難以充分開展，課程難以做大做強。

因此我們嘗試將環(huán)境科學專業(yè)的實驗課程和項目進行進一步的整合，將原來分散在環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程、環(huán)境化學、環(huán)境評價等課程中的化學類實驗結合到一起，開設環(huán)境科學化學實驗一門大課，按照由簡到難的順序開設多個學期，不再單純依附于相關的理論課程，實驗內容前后貫通，互有銜接。最終按照高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度這“兩性一度”的金課標準開展實驗金課建設。整合后一個學期可以安排64課時甚至更多學時，不會出現幾門小課搶課時的情況。在具體的實驗設置上，可以先鎖定一個主要污染物，將屬于不同課程的內容：污染物的產生（環(huán)境化學）、污染物性質（環(huán)境化學、環(huán)境毒理學）、污染物檢測（環(huán)境監(jiān)測）、污染物轉化（環(huán)境化學）、污染物處理（環(huán)境工程學）整合成為一個完整的實驗體系。如苯酚作為一種較為常見的環(huán)境污染物，傳統(tǒng)的實驗課中，苯酚濃度的測量屬于環(huán)境監(jiān)測課程，苯酚的降解屬于環(huán)境工程學課程，苯酚的形態(tài)轉化屬于環(huán)境化學的內容，苯酚的毒性檢測屬于環(huán)境毒理學的內容。不同的實驗放在不同學期，而苯酚本身又屬于易氧化物質，每次學生實驗之前都需要重新準備各種藥劑耗材，實驗之后又需要凈化處理，每門課都有相應的藥品儲存量、處理量。而在整合實驗內容之后，首先可以開展苯酚的配置和含量檢測的內容，通過苯酚標準溶液的配置和濃度檢測，讓學生掌握溶液配置（盡管很簡單，但依然需要強化的操作）、濃度的滴定（反過來檢驗學生配置溶液的能力）的能力，有條件的可以緊跟著開展苯酚毒性實驗的內容，讓學生對苯酚的毒性有一個明確的概念。之后可以開展環(huán)境工程學的苯酚降解實驗，如用芬騰試劑、臭氧、活性炭吸附等各種手段處理苯酚，讓學生直觀的感受和比較各種處理方法對于苯酚的處理效果。有條件的可以在苯酚的降解工藝中讓學生檢測苯酚降解的中間產物，一方面完成污染物質監(jiān)測的實驗內容，另一方面可以完成環(huán)境化學的降解分析實驗。教師也可以結合一些現場的樣品讓學生開展在復雜環(huán)境樣品中的苯酚檢測，脫離實驗室的標準樣品，更貼近實際應用。如果實驗室條件允許，可以借助先進的儀器開設苯酚的儀器檢測、高級降解處理等實驗，讓學生能與先進技術接觸，得到科研型、創(chuàng)新性的上課效果。

相應的實驗內容同樣可以開設在常見的環(huán)境污染物質中，比如COD、氨氮、磷酸鹽、重金屬以及其他一些常見的有機或是無機污染物。在這些常規(guī)實驗的基礎上，結合實驗課程高階性和創(chuàng)新性的要求，可以吸收部分學有余力的學生參與到教師的科研課題之中，比如我校環(huán)境工程的教師在磷酸鹽的吸收吸附中頗有建樹，相應的本科生曾參與到相關研究之中并以第一作者發(fā)表論文，[6]讓學生自行研究探討新材料的吸收吸附性能，配置污染物溶液，設計實驗方案，開展實驗并進行總結，得到最優(yōu)化的結果。在條件允許的情況下，甚至可以指導學生自行制備吸收吸附或是降解材料，增加實驗的挑戰(zhàn)度，得到創(chuàng)新性的結果。

由此可見，合并實驗后主要的優(yōu)勢在于：

（1）實驗設置更為系統(tǒng)，學生對污染物的了解更加全面，課程設置起點就具有“高階性”。而且因為設置了足夠的課時數，第一步實驗的藥品配置都可以讓學生自行動手，并通過加標實驗讓學生自行檢驗配置的準確性，改變了原先實驗員準備一切，學生只管部分操作的實驗方法，對學生的訓練能力大大增加。

（2）學時學分增加，課程更具有“創(chuàng)新型”。學時學分增加，教學經費安排也更為集中有序，我們可以結合環(huán)境學的前沿內容和時代熱點，積極融入最新的環(huán)境處理方法，使得教學形式呈現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化。如結合當下最新的大氣污染監(jiān)測問題，讓學生去測定Pm2.5的控制及變化情況，甚至可以將生物、化學實驗打通，利用空氣采樣器+特定顆粒物（微生物）測定口罩或是凈化器對于顆粒物、微生物的阻隔、殺滅效果，抑或是結合當下流行的熱點環(huán)境話題，讓學生自行設計實驗并進行驗證。

（3）考核簡化，但課程更具“挑戰(zhàn)度”。每一套實驗環(huán)節(jié)層層相扣，前后連貫，一旦前面步驟錯誤即影響后續(xù)實驗結果，后續(xù)實驗的開展即對前面實驗的考核，看最后的結果即可看出整套實驗的完成情況。

（4）實驗準備更為簡單，后續(xù)處理也更為方便。原來需要分開準備的實驗項目通過整合之后可以省去多個步驟，比如苯酚、重金屬、營養(yǎng)鹽等都可以只配置一次，依次開展后續(xù)的各項實驗內容。相應的，實驗結束以后對于污染物的安全化處置也更為便捷，大部分污染物經過降解實驗之后，有害成分大大減少，如果學生能進行合理的安排，甚至可以將所有的污染物全部降解以后排入下水管網，免去廢液處理的步驟。

當然，實驗內容整合最主要的困難和解決辦法包括：

（1）實驗連貫了，但與理論課程不能同步，需要及時的補充理論知識。我們可以結合虛擬仿真、翻轉課堂等手段強化實驗的基礎教學，補充理論知識，盡量避免出現理論與實驗脫節(jié)的情況。比如在實驗設置中，可能出現（下轉第34頁）（上接第31頁）學生沒有接觸環(huán)境化學的內容，對于苯酚的處理原理、降解過程理解不夠深刻的現象，此時可以配合在線課程和網絡作業(yè)，讓學生慢慢理解芬騰試劑、臭氧氧化對苯酚降解的原理和反應過程，等到后續(xù)理論課程講述的時候再以點到面，從實驗內容引申到其他物質，最終把化學氧化處理的內容講清楚講透徹。

（2）對于學生的實驗操作要求較高，如果前面實驗操作失誤，極易導致后續(xù)實驗失敗。因此首先要增強導師的作用，增加助教的設置，保證學生的操作規(guī)范，其次在實驗課時設置中要留出一定量的重復實驗課時，或是將實驗分段開設，已經實驗成功的同學可以進入下一階段的實驗項目，而實驗不成功的需要反復重做直到得到滿意的結果。對于動手能力較好，實驗一路順利的同學可以在最后的實驗課程里面直接進入高階的選修實驗內容學習，甚至結合畢業(yè)論文的實驗，省時省力。

參考文獻

[1] 王增寶，趙修太，付帥師.改進實驗教學方法，轉變教學實驗類型探索[J].實驗科學與技術，2015（6）：169-172.

[2] 劉興華，王方艷.以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為核心的實驗室開放模式探[J].實驗技術與管理，2016（1）：9-12，20.

[3] 陶濤，于江華，黃瓊，等.環(huán)境科學與工程“五位一體”實驗教學方法芻議[J].教育教學研究，2016，30（10）：84-88.

[4] 朱蘭保，盛蒂，李彤，等.環(huán)境科學專業(yè)綜合實驗教學改革與實踐[J].長春師范大學學報，2017，36（4）：138-139，145.

[5] 吳巖，杜立宇，鄒洪濤，等.本科環(huán)境科學與工程實驗課程創(chuàng)新模式探討[J].現代農業(yè)科技，2017（18）：276-277.

[6] 楊春懿，詹艷慧，林建偉，等.氫氧化鎂對水體內源磷釋放的控制作用[J].環(huán)境科學，2020，41（4）：1700-1708.