環(huán)境化學(xué)課程中的案例教學(xué)實(shí)踐

劉 芳 王永強(qiáng) 劉其友 王文東 盧 磊 劉廣東 趙朝成

[摘要] 結(jié)合教學(xué)實(shí)踐過程中的體會(huì),探討了環(huán)境化學(xué)課程建設(shè)中在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法方面的嘗試,認(rèn)為適當(dāng)增加案例教學(xué)內(nèi)容,可以使學(xué)生更準(zhǔn)確地掌握化學(xué)理論和方法在處理實(shí)際環(huán)境問題時(shí)的應(yīng)用。在教學(xué)中選擇有突出代表性的案例,并融合多媒體教學(xué)模式,可取得良好教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 環(huán)境化學(xué) 課程內(nèi)容體系 案例教學(xué)

當(dāng)前全球性的環(huán)境問題突出表現(xiàn)在酸雨、溫室效應(yīng)與臭氧層破壞;不斷加劇的水污染造成世界范圍的淡水危機(jī);自然資源破壞和生態(tài)環(huán)境繼續(xù)惡化,威脅著人類的生產(chǎn)和生活條件。由于大多數(shù)的生態(tài)環(huán)境問題都與化學(xué)物質(zhì)直接有關(guān),環(huán)境化學(xué)學(xué)科在掌握污染來源,消除和控制污染,為確定環(huán)境保護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)等方面都起著重要作用。環(huán)境化學(xué)課程具有理論基礎(chǔ)強(qiáng)、學(xué)科間綜合性明顯、學(xué)科內(nèi)多層面內(nèi)容交融、前沿新技術(shù)發(fā)展迅速等特征,涉及到大氣環(huán)境、水環(huán)境、土壤環(huán)境、生物環(huán)境及典型有害污染物的知識(shí)和方法。《環(huán)境化學(xué)》被列為我校本科環(huán)境工程專業(yè)以及碩士環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)的專業(yè)基礎(chǔ)課,同時(shí)也是化學(xué)化工學(xué)院本科化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)、材料化學(xué)專業(yè)、應(yīng)用化學(xué)專業(yè)培養(yǎng)的限選課程。在教學(xué)過程中,如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生既能掌握環(huán)境化學(xué)的基本理論,又具有運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決環(huán)境問題的能力,是教學(xué)改革中亟待解決的問題。

案例教學(xué)法是由教師控制、學(xué)習(xí)者作為主體參與的,依據(jù)真實(shí)案例、圍繞案情發(fā)展而展開的互動(dòng)式教學(xué)方法。案例教學(xué)打破了教師講、學(xué)生聽的傳統(tǒng)教學(xué)方法,能培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)低掌握與運(yùn)用專業(yè)理論,提高綜合分析問題與解決問題的能力,養(yǎng)成開拓進(jìn)取的優(yōu)良品質(zhì)。本文結(jié)合筆者近幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì),從教學(xué)內(nèi)容和案例教學(xué)方法等方面對(duì)《環(huán)境化學(xué)》課程進(jìn)行了探討。

一、課程內(nèi)容體系構(gòu)建

環(huán)境化學(xué)是以化學(xué)物質(zhì)引起的環(huán)境問題為研究對(duì)象,以解決環(huán)境問題為目標(biāo),它主要以化學(xué)的理論和方法,鑒定和測(cè)量污染物的含量,研究它在環(huán)境中存在的形態(tài)及其遷移、轉(zhuǎn)化和歸宿的規(guī)律,其核心是研究環(huán)境中物質(zhì)的化學(xué)轉(zhuǎn)化與產(chǎn)生的效應(yīng),揭示環(huán)境問題的本質(zhì)。教學(xué)內(nèi)容是制約教學(xué)質(zhì)量的決定性因素之一,也是人才培養(yǎng)目標(biāo),培養(yǎng)模式的載體,是教育思想和教育觀念的直接體現(xiàn)。我校從培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力這一角度出發(fā),從講授內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)踐內(nèi)容3個(gè)層次上統(tǒng)一協(xié)調(diào)構(gòu)建環(huán)境化學(xué)課程內(nèi)容體系。本課程所用教材為南開大學(xué)戴樹桂主編的《環(huán)境化學(xué)》(第二版),全書共分8章,以闡明基本原理為主,內(nèi)容豐富,涉及學(xué)科領(lǐng)域廣泛,論述問題有相當(dāng)?shù)纳疃?能反映我國環(huán)境化學(xué)的特色。筆者所在課程組根據(jù)本校實(shí)際情況,主講第一章緒論、第二章大氣環(huán)境化學(xué)、第三章水環(huán)境化學(xué)、第四章土壤環(huán)境化學(xué)、第六章典型污染物在環(huán)境各圈層中的轉(zhuǎn)歸與效應(yīng)及第七章受污染環(huán)境的修復(fù)等內(nèi)容。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容方面,以環(huán)境科學(xué)與工程系綜合大實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),結(jié)合殺菌劑的研制、納米和生物絮凝劑的開發(fā)、納米活性炭的制備與性能測(cè)試等實(shí)驗(yàn),補(bǔ)充和完善了理論教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)實(shí)踐方面,強(qiáng)化第二課堂的教學(xué),安排學(xué)生到污水處理廠、自來水廠、煉化廠、垃圾填埋場等單位參考實(shí)習(xí)。通過參觀實(shí)踐,既鞏固了學(xué)生對(duì)環(huán)境化學(xué)知識(shí)及相關(guān)環(huán)境問題的理解,提高了學(xué)習(xí)興趣,又培養(yǎng)了學(xué)生的環(huán)境意識(shí)。

二、案例教學(xué)的課堂實(shí)施

在授課過程中.單純的講授污染物在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的基本理論和一般規(guī)律,學(xué)生接受起來比較枯燥,晦澀難懂。如果在授課時(shí),以環(huán)境問題為突破口,以化學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ),以如何解決實(shí)際環(huán)境問題為目標(biāo),適當(dāng)增加案例教學(xué)內(nèi)容,可以使學(xué)習(xí)思路更清晰、理解更透徹,更準(zhǔn)確地掌握化學(xué)理論和方法在處理實(shí)際環(huán)境問題時(shí)的應(yīng)用。在講授本課程時(shí),筆者主要是通過以下幾個(gè)方面將案例教學(xué)貫穿于課堂理論內(nèi)容中。

1.介紹我校在環(huán)境領(lǐng)域從事的課題及取得的成績

在教學(xué)過程中,講到大氣中污染物轉(zhuǎn)化時(shí),介紹環(huán)境學(xué)科相關(guān)老師從事的煉化企業(yè)有機(jī)廢氣的評(píng)估及治理技術(shù);講到水中有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化時(shí),介紹相關(guān)老師從事的高濃度有機(jī)廢水的治理及回用技術(shù)、循環(huán)冷卻水應(yīng)用過程中的生物控制技術(shù);在講到受污染環(huán)境的修復(fù)時(shí),介紹相關(guān)老師從事的石油污染土壤的生物修復(fù)技術(shù)。由于本科生在學(xué)習(xí)過程中接觸科研課題的機(jī)會(huì)較少,將實(shí)際科研課題融入到教學(xué)內(nèi)容中,可以使學(xué)生了解我校該領(lǐng)域的研究成果,激發(fā)他們的聽課興趣,增強(qiáng)他們對(duì)學(xué)校的自豪感,從而取得了良好的教學(xué)效果。

2.重點(diǎn)選取與學(xué)校石油特色相關(guān)的案例

在講授水中有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化這一節(jié)內(nèi)容時(shí),考慮到本校的石油特色,選擇了海上溢油事故,對(duì)海上溢油的環(huán)境化學(xué)行為進(jìn)行了分析。

(1)溢油的分布與存在形態(tài)

石油進(jìn)入海洋環(huán)境后,受風(fēng)、浪、海流、光照、氣溫、水溫和生物活動(dòng)等影響,其數(shù)量、化學(xué)組成、物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)都隨時(shí)間發(fā)生變化。海洋環(huán)境中污染的石油以三種形式存在:漂浮在海面上的油膜、溶解分散態(tài)、凝聚態(tài)的殘余物。

(2)蒸發(fā)過程

蒸發(fā)減少了海面上的油含量和改變了油的物化性質(zhì),另一方面,蒸發(fā)組分在太陽光的作用下,由于光氧化而生成各種復(fù)雜的化合物。這些物質(zhì)有些隨著降雨返回海洋,有些隨風(fēng)漂移落入陸地造成各種不同的危害。

(3)溶解過程

石油進(jìn)入海洋后,在蒸發(fā)的同時(shí),也開始了溶解過程。低碳的石油烴、芳烴相對(duì)溶解度最大,其它組分在水中的溶解度一般都很低,其溶解量隨油的成分和種類而不同。

(4)乳化過程

石油入海后,在風(fēng)、浪的作用下很容易發(fā)生乳化作用。原油在海中能夠形成兩種的乳化類型:一種是水包油乳化,水是連續(xù)相,這種乳化類型有利于油的生物和化學(xué)氧化分解作用的進(jìn)行;另一種是油包水乳化,其含水率可達(dá)80%,往往漂浮在水面,彼此聚集在一起,不利于油的降解。

(5)吸附沉淀過程

石油的部分組分可自由沉降或粘附在海水中的懸浮固體顆粒上并隨之下沉到海底。石油的沉降速度隨水中的油濃度和附著物(懸浮顆粒)的含量而變化。

(6)生物降解過程

石油污染物在微生物作用下轉(zhuǎn)化成生物體自身的生物量,產(chǎn)生二氧化碳、水及大量中間產(chǎn)物。石油污染物的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,其降解速率越慢,中間代謝產(chǎn)物積累的幾率越大。此外,溢油降解速率與石油結(jié)構(gòu)也有相關(guān)性。

(7)光氧化過程

光氧化過程是溢油在陽光的照射下,發(fā)生自由基鏈?zhǔn)降难趸磻?yīng),產(chǎn)生一些極性的、水溶性的和氧化的碳?xì)浠衔锏倪^程。溢油在海洋環(huán)境中的氧化,主要受陽光和溫度的控制,其氧化速度對(duì)溢油的品種、照射光的強(qiáng)度、海水的溫度不同而異。

通過海洋溢油事故,筆者闡明了石油類有機(jī)污染物在水體中的分配作用、揮發(fā)作用、水解作用、光解作用和生物降解作用。由此引導(dǎo)學(xué)生以環(huán)境化學(xué)的基本原理進(jìn)行分析,找出污染事件發(fā)生的原因及條件,針對(duì)性地提出避免或解決該類環(huán)境問題的主要措施,提出合理的工程技術(shù)手段、管理手段等,培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

3.結(jié)合熱點(diǎn)問題引出環(huán)境化學(xué)現(xiàn)象

隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻和人們對(duì)環(huán)境問題認(rèn)提高,環(huán)境化學(xué)研究在各個(gè)領(lǐng)域深入發(fā)展,環(huán)境化學(xué)的前沿性問題也不斷發(fā)展。在教學(xué)過程中,將國內(nèi)外環(huán)境化學(xué)的最新發(fā)展做適當(dāng)介紹,使教學(xué)內(nèi)容能夠反映環(huán)境化學(xué)的新理論、新方法、新技術(shù)和新動(dòng)態(tài)等。在講解大氣環(huán)境化學(xué)時(shí),將近年來地球上的異常天氣出現(xiàn)的頻率、范圍及影響穿插進(jìn)來,如2007年颶風(fēng)引發(fā)的洪水肆虐南亞,暴雨引發(fā)北歐、蘇丹等國家地區(qū)的水災(zāi)。高溫橫掃俄羅斯和歐洲東南部,與此同時(shí),非洲南部和南美洲卻經(jīng)歷降雪。2008年初,中國南方各省市遭遇50年不遇的雪災(zāi)。據(jù)專家分析,極端氣候的出現(xiàn),源自于全球變暖,而溫室效應(yīng)則是全球變暖的主要原因。1999年,各國開始廣泛研究環(huán)境內(nèi)分泌干擾物(Endocrine Disrupting Chemicals,簡稱EDCs)和持久性有機(jī)污染物(Persistent Organic Pollutants,簡稱POPs),這些物質(zhì)會(huì)影響生物的內(nèi)分泌系統(tǒng),并可能致癌、致畸、致基因突變。

增加案例,旨在提高學(xué)生的工程意識(shí)。盡管工程意識(shí)的形成是一個(gè)長期積淀的過程。包括畢業(yè)參加工作后在工程環(huán)境的熏陶下和工程實(shí)踐的鍛煉中逐漸完成,但是一個(gè)人在學(xué)生時(shí)期最善于接受新事物、新思想,可塑性最強(qiáng),如果我們重視學(xué)生現(xiàn)代工程意識(shí)的培養(yǎng),可以取得事半功倍的效果,可以在學(xué)生面前展示當(dāng)前地球上的主要環(huán)境問題及環(huán)境效應(yīng),在學(xué)生的思想深處打上難以磨去的烙印,形成素質(zhì)優(yōu)勢(shì)。

三、采用多媒體手段提高教學(xué)成效

在傳統(tǒng)的教學(xué)方式中, 教學(xué)內(nèi)容因受到教材體系、教師個(gè)人以及課堂教學(xué)時(shí)間等的限定, 往往在一定的時(shí)間保持一定的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)教學(xué)相比,多媒體教學(xué)可以在有限的課時(shí)里講述更多的內(nèi)容。采用多媒體教學(xué)方式,好的教學(xué)思想、教學(xué)方法和手段、最新的科研成果都可以充實(shí)到教學(xué)內(nèi)容中去。環(huán)境化學(xué)課程內(nèi)容有許多工藝流程圖及一些原理示意圖等,傳統(tǒng)的教學(xué)方法是老師現(xiàn)場繪制和預(yù)先制成掛圖等,這種方式既花費(fèi)時(shí)間,又缺少生動(dòng)性和靈活性,老師也不能依據(jù)教學(xué)實(shí)際和學(xué)科的發(fā)展靈活更改和補(bǔ)充。利用多媒體技術(shù)就可以解決這一問題,教師在實(shí)際教學(xué)中根據(jù)現(xiàn)代教學(xué)手段的發(fā)展和本課程需講述的處理原理、工藝設(shè)備的特點(diǎn),采用了幻燈片,投影儀等現(xiàn)代化的教學(xué)方法,用PPT制作教學(xué)課件,為學(xué)生提供生動(dòng)形象而又豐富多彩的感性材料,有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維,為環(huán)境化學(xué)教學(xué)搭建一個(gè)互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)。

四、結(jié)語

將案例教學(xué)成功融入到環(huán)境化學(xué)課堂講授中,有利于培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)地掌握與運(yùn)用專業(yè)知識(shí)理論,提高綜合分析問題與解決問題的能力。為了更好地體現(xiàn)案例教學(xué)的特點(diǎn),在教學(xué)過程中應(yīng)提高教師的自身素質(zhì),增加駕馭案例教學(xué)的能力。在與學(xué)生互動(dòng)地討論中,教師需具備較強(qiáng)的應(yīng)變和判斷能力,及時(shí)分析和解決教學(xué)過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)的新問題。另外,適當(dāng)采用多媒體教學(xué)模式,教師可在教學(xué)中選擇有突出代表性的案例,組織學(xué)生通過現(xiàn)代化教學(xué)網(wǎng)絡(luò)觀看。

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