基于開放性、探索性的環(huán)境化學(xué)綜合實驗教學(xué)體系的設(shè)計與實踐

冷 庚，陳文瑾

(電子科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611731)

“環(huán)境化學(xué)綜合實驗”是環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中的一門重要實踐類核心課程，其重點是探討污染物來源及其在環(huán)境介質(zhì)中的存在、形態(tài)、濃度水平和遷移、轉(zhuǎn)化與降解等環(huán)境行為及其影響因素等[1－2]。通過實踐教學(xué)，將深化學(xué)生對 “環(huán)境化學(xué)”課程基本知識的理解，掌握研究環(huán)境化學(xué)問題的基本方法和手段，提高科學(xué)分析能力、基本實驗技能，使學(xué)生具備發(fā)現(xiàn)、分析、解決科學(xué)問題的綜合能力。國內(nèi)外許多著名大學(xué)，如牛津大學(xué)、加州理工大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等均把環(huán)境化學(xué)綜合實驗設(shè)為環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)實踐類核心課程。

1 教學(xué)體系現(xiàn)存問題

不同于環(huán)境科學(xué)與工程其他課程，環(huán)境化學(xué)具有明顯交叉性、綜合性的特征，環(huán)境化學(xué)綜合實驗應(yīng)更注重于污染物在環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的過程和原理的探索。其教學(xué)體系應(yīng)突出綜合性、探索性的特征[3]。

但是，目前包括電子科技大學(xué)在內(nèi)的國內(nèi)大多數(shù)高校在該課程上均不同程度出現(xiàn)綜合性差，探索性不足等問題[4－10]。其具體表現(xiàn)為以下3個方面。

1)教學(xué)體系僵化。在課程體系方面，往往以驗證類、分析測試類實驗居多。課程體系由多個獨立的既定實驗內(nèi)容組成，實驗項目與項目之間沒有聯(lián)系和啟承。在這樣的課程體系中，學(xué)生往往按照實驗教材或講義按部就班地進行實驗操作，即可獲得既定的實驗結(jié)果。這無疑無法更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，以及探索問題、解決問題的綜合能力。

2)實驗學(xué)時與綜合性、探索性訴求之間的矛盾。目前，大多數(shù)高校的環(huán)境化學(xué)實踐類課程的學(xué)時在20學(xué)時左右，然而綜合性、探索性的實踐體系往往是一個發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—解決問題—歸納總結(jié)的科學(xué)研究過程。一個完整的教學(xué)過程至少需要12個學(xué)時左右。因此，如何解決實驗學(xué)時和綜合性、探索性訴求之間的矛盾是本課程體系需要解決的另一重要問題。

3)教學(xué)體系開放性差。在國內(nèi)外絕大多數(shù)的教學(xué)體系中，學(xué)生沒有主導(dǎo)權(quán)，而是按照指導(dǎo)老師或教材來完成實驗內(nèi)容。學(xué)生的創(chuàng)造性、主觀能動性未得到訓(xùn)練，其學(xué)習(xí)積極性和探索欲望自然也無法被激發(fā)。

針對環(huán)境化學(xué)綜合實驗教學(xué)體系中出現(xiàn)的上訴問題，對課程的教學(xué)體系進行了優(yōu)化和研究，對實驗內(nèi)容進行了梳理和更新，對教學(xué)方式進行了突破和創(chuàng)新。優(yōu)化后的教學(xué)體系呈現(xiàn)出明顯的開放性和探索性，能最大程度調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和對科學(xué)的探索熱情。

2 教學(xué)體系研究

2.1 教學(xué)體系研究和優(yōu)化

環(huán)境化學(xué)是一門研究有害化學(xué)物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的來源以及在環(huán)境介質(zhì)中的存在形態(tài)、濃度水平和遷移、轉(zhuǎn)化、降解等環(huán)境行為及其影響因素，環(huán)境效應(yīng)的化學(xué)原理和方法的科學(xué)。因此，環(huán)境化學(xué)綜合實驗的課程體系不應(yīng)側(cè)重于對污染物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)種環(huán)境行為及其特征的探索，而不是僅對污染物濃度的測定及驗證。為此，對環(huán)境化學(xué)綜合實驗課程體系進行了優(yōu)化，設(shè)計一系列環(huán)環(huán)相扣的科學(xué)問題供學(xué)生探索、研究。形成一個提出問題—分析問題—解決問題—歸納總結(jié)的課程體系。基于這一思路，設(shè)計優(yōu)化了課程體系，如圖1所示。

圖1 環(huán)境化學(xué)綜合實驗課程體系

2.2 教學(xué)內(nèi)容及和方法

學(xué)生今后面對的科學(xué)問題一定是變化的，所謂 “授人以魚不如授人以漁”，如何培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思考、科學(xué)分析、合理解決不斷變化的科學(xué)問題的能力才是高校人才培養(yǎng)的初衷和目標(biāo)。因此，針對環(huán)境化學(xué)綜合實驗的課程體系，對教學(xué)內(nèi)容，以及教學(xué)方式進行了改革和創(chuàng)新，在有限的教學(xué)時間內(nèi)，最大程度發(fā)揮學(xué)生主觀能動性和創(chuàng)新性，激發(fā)其探索未知問題的熱情。

首先，老師會提出一個科學(xué)問題，如自然水環(huán)境中硫及其形態(tài)的環(huán)境行為及其轉(zhuǎn)化特征，即硫在自然水體中呈現(xiàn)出怎樣不同的形態(tài)，其分布、轉(zhuǎn)化，及濃度水平均和哪些環(huán)境條件相關(guān)？。經(jīng)討論后，可能得到一個自然水體中硫形態(tài)的基本關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 自然水體中的硫及其形態(tài)

然后，基于這一初步結(jié)論，討論、凝練其中更深層次的科學(xué)問題，如硫形態(tài)及其分布和水深度之間的關(guān)系；與pH和pE之間的關(guān)系；和金屬離子之間的關(guān)系等。在明確了研究目標(biāo)之后，繼續(xù)對研究內(nèi)容進行分解。如將學(xué)生分為3個小組:第1組負責(zé)樣品的采集以及pH和pE的測定；第2組負責(zé)樣品中硫酸根和亞硫酸根的測定；第3組負責(zé)樣品中金屬鎘的測定。

在進行分組實驗，得到實驗數(shù)據(jù)后，將實驗數(shù)據(jù)進行整合和分析，得到相應(yīng)的結(jié)論，撰寫實驗報告。

值得注意的是，在該課程體系下，授課教師僅作為實踐課程的引導(dǎo)者，學(xué)生才是實驗的真正主導(dǎo)者。在提出問題環(huán)節(jié)，老師僅僅拋出問題，而不給出解決這一問題的途徑和方法；學(xué)生根據(jù)老師拋出的這一問題，在經(jīng)過文獻調(diào)研、集中討論等環(huán)節(jié)后確立實驗方案；然后，根據(jù)確立的實驗方案，對實驗任務(wù)進行分解，對實驗人員進行分組；此后，學(xué)生將按照制定的實驗方案，進行分組實驗，完成各自實驗內(nèi)容，獲得實驗數(shù)據(jù)；最后，將各組的試驗數(shù)據(jù)進行綜合和分析，得到科學(xué)結(jié)論。如圖3所示，授課教師首先拋出 “自然水體中硫及其形態(tài)的環(huán)境行為及其轉(zhuǎn)化特征”這一實驗項目；然后引導(dǎo)學(xué)生對這一項目進行拆解，如自然水體中硫存在哪些形態(tài)，不同硫形態(tài)的濃度和分布和哪些因素有關(guān)；然后，讓學(xué)生對這兩個科學(xué)問題進行分析，學(xué)生可能會認為SO32－、 SO42－和S2－與水深、溶解氧、pH和氧化還原電位有關(guān)。當(dāng)然，學(xué)生的分析可能不會全面，可能會遺漏一些形態(tài)或影響因素。此時，作為授課教師不需要對其進行補充。引導(dǎo)學(xué)生對實驗方案進行設(shè)計:確定研究對象、樣品采集點位數(shù)量和位置、采樣深淺、樣品保存方法、以及實驗室定量分析方法等。為確保實驗順利進行，引導(dǎo)學(xué)生對實驗任務(wù)進行分解，比如分組協(xié)作，綜合數(shù)據(jù)。最后，按照實驗方案，進行各自實驗內(nèi)容，再將實驗數(shù)據(jù)進行綜合和分析，得出實驗結(jié)論。由此可見，即使同一實驗項目，不同的學(xué)生，對問題的分析方法和深淺不同，可能設(shè)計不同的實驗實施方案，由此可能獲得不同的實驗結(jié)果，進而可能得出不同的結(jié)論。教師根據(jù)學(xué)生在分析問題、實驗協(xié)作、動手操作、數(shù)據(jù)分析處理、歸納總結(jié)等方面的綜合表現(xiàn)給予認定和評分。這樣的實踐課程體系自由度大、探索性強、學(xué)生自由度高，更能突出對學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，其實驗認定分數(shù)也更能反映出該生的綜合素質(zhì)和能力。

圖3 自然水體中硫及其形態(tài)的環(huán)境行為及其轉(zhuǎn)化特征實驗項目實施路線圖

3 結(jié)束語

環(huán)境化學(xué)綜合實驗是環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中的一門重要實踐類課程，國內(nèi)外大學(xué)均將其作為培養(yǎng)學(xué)科基本素質(zhì)必修課開設(shè)。但是，包括我校在內(nèi)的大多數(shù)高校在該課程在課程體系上均不同程度存在開放性不足，綜合性差，學(xué)生自由度低等問題，這無疑在一定程度上不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思考、科學(xué)分析、合理解決科學(xué)問題的能力。針對上訴問題，結(jié)合現(xiàn)今環(huán)境化學(xué)學(xué)科發(fā)展趨勢，研究、優(yōu)化現(xiàn)有課程體系，縮減驗證性實驗，建立一套綜合的、學(xué)生主導(dǎo)的、開放的，且具有明顯探索性的實踐課程體系。這樣的課程體系，在國內(nèi)高校的實踐教學(xué)課程中均是創(chuàng)新之舉。

[1]鄧南圣，吳峰.環(huán)境化學(xué)教程[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2000.

[2]鄧南圣，吳峰.環(huán)境化學(xué)教程[M].2版.武漢:武漢大學(xué)出版社，2006.

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