科研進(jìn)展融入《大氣污染控制工程》教學(xué)初探*

祁志沖，馮彩霞，周艷梅，李德亮

(1 河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，河南 開封 475004；2河南省環(huán)境污染控制材料國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 開封 475004)

《大氣污染控制工程》是本科環(huán)境工程專業(yè)的主要課程之一[1]。該課程涉及的知識(shí)面很廣， 包含化學(xué)、數(shù)學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)等多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容?，F(xiàn)階段，大部分高校的環(huán)境工程專業(yè)中針對(duì)大氣污染控制教學(xué)使用的都是2010 年郝吉明、馬廣大、王書肖主編的《大氣污染控制工程》第三版教材。專業(yè)課教材本身具有一定滯后性的特點(diǎn), 教材建設(shè)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上科學(xué)研究的進(jìn)展。隨著大氣污染控制領(lǐng)域前沿技術(shù)的發(fā)展和新型的大氣環(huán)境問題的出現(xiàn)，這種矛盾更加突出[2]。2018年10月教育部頒布了《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》。該文件指出要根據(jù)國(guó)家戰(zhàn)略的需要和科技發(fā)展的現(xiàn)狀創(chuàng)新教材呈現(xiàn)方式，更新教學(xué)內(nèi)容，努力把新理論和新技術(shù)融合到教學(xué)中，為學(xué)生提供符合社會(huì)發(fā)展和時(shí)代要求的教學(xué)內(nèi)容和課程體系[3]。這就要求任課教師在本科教學(xué)要主動(dòng)引入相關(guān)課程中最新的研究進(jìn)展?；诖耍疚木汀洞髿馕廴究刂乒こ獭繁究平虒W(xué)內(nèi)容納入大氣相關(guān)的科學(xué)研究前沿進(jìn)展的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)探討。

1 科學(xué)研究前沿進(jìn)展融入教學(xué)的必要性

環(huán)境科學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)階段最活躍和最熱門的研究領(lǐng)域之一。同時(shí)環(huán)境科學(xué)也是一門典型的交叉學(xué)科，涉及到化學(xué)，數(shù)學(xué)，物理，生態(tài)等多個(gè)學(xué)科內(nèi)容。任何一個(gè)領(lǐng)域的科技進(jìn)步對(duì)環(huán)境科學(xué)都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。而且隨著科技的發(fā)展，它含有的交叉專業(yè)領(lǐng)域正在擴(kuò)大，理論和內(nèi)容也在不斷更新，工程技術(shù)更是在不斷的提升。在環(huán)境科學(xué)如此迅速發(fā)展的背景下，如何讓學(xué)生不僅掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)還同時(shí)對(duì)科學(xué)前沿有一定了解，需要任課老師將前沿知識(shí)融入到課堂。因此基于《大氣污染控制工程》這門課程的重要性，將前沿研究進(jìn)展融入到本科教學(xué)勢(shì)在必行。

2 科學(xué)研究前沿進(jìn)展的選取原則

現(xiàn)階段關(guān)于大氣方面的研究論文每年都會(huì)發(fā)表很多。但是考慮到課時(shí)限制、領(lǐng)域范圍、授課對(duì)象等多種因素，根據(jù)本人的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為應(yīng)從研究領(lǐng)域、期刊來源和與課程內(nèi)容的相關(guān)性等方面來進(jìn)行選取。

2.1 研究領(lǐng)域

大氣科學(xué)包含的范圍非常廣泛，如大氣化學(xué)，大氣物理，氣象學(xué)等很多方面。針對(duì)本門課程，選取的研究領(lǐng)域應(yīng)該重點(diǎn)放在與氣體污染物(如SO2和NOx)和顆粒態(tài)污染物(如PM2.5)的相關(guān)的新理論和新技術(shù)。譬如，在講述完第八章《硫氧化物污染控制》和第九章《固定源氮氧化物污染物控制》之后，給學(xué)生介紹了2016年發(fā)表在《Critical Reviews in Environmental Science and Technology》上一篇綜述：“Atmospheric new particle formation from sulfuric acid and amines in a Chinese megacity”[4]。通過該綜述講解，讓學(xué)生了解到廢氣中高濃度NOx和SO2的一些傳統(tǒng)的和新的去除技術(shù)(如射頻放電技術(shù)(radio-frequency discharge))。

2.2 期刊來源

將科學(xué)研究前沿進(jìn)展融入《大氣污染控制工程》教學(xué)的一個(gè)前提就是對(duì)前沿研究的閱讀和掌握，因此期刊的來源很重要。一個(gè)基本的原則就是選取研究論文要來自于具有很高學(xué)術(shù)影響力的期刊，尤其是頂級(jí)期刊。比如《Nature》和《Science》及其子刊，環(huán)境領(lǐng)域最具影響力的期刊——《Environmental Science & Technology》，還有就是大氣科學(xué)領(lǐng)域的《Journal of Climate》、《Atmospheric Environment》和《Climatic Change》等業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的期刊?；谝陨显瓌t，我們重點(diǎn)選取以上期刊上發(fā)表的關(guān)于大氣污染物轉(zhuǎn)化和治理等方向的研究論文作為教學(xué)課程中的重要補(bǔ)充。同時(shí)選取期刊論文時(shí)“高被引論文”和“熱點(diǎn)論文”是需要重點(diǎn)關(guān)注的。另外一些普通期刊發(fā)表的綜述類的文章也需要適當(dāng)?shù)年P(guān)注。比如，在介紹“臭氧層破壞問題”章節(jié)的時(shí)候，給學(xué)生介紹了Montzka 等人2018年發(fā)表在《Nature》上的論文“An unexpected and persistent increase in global emissions of ozone-depleting CFC-11”[5]，讓學(xué)生了解到2010年之后在北半球尤其是東亞地區(qū)氟利昂的排放又產(chǎn)生了增加的趨勢(shì)，遏制臭氧層空洞的趨勢(shì)依然很嚴(yán)峻，增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)境危機(jī)意識(shí)。

2.3 與課程內(nèi)容的相關(guān)性

筆者認(rèn)為“與課程內(nèi)容的相關(guān)性”包含兩個(gè)方面：(1)緊扣課程內(nèi)容的前沿進(jìn)展，通過相關(guān)進(jìn)展的講述使學(xué)生對(duì)科學(xué)問題有了更深層地的理解。比如在講述“溫室效應(yīng)”章節(jié)的時(shí)候，介紹了中科院南土所朱春梧教授2018年發(fā)表在《Science Advances》上的研究成果“Carbon dioxide (CO2) levels this century will alter the protein, micronutrients, and vitamin content of rice grains with potential health consequences for the poorest rice-dependent countries”[6]，通過簡(jiǎn)單的介紹讓同學(xué)們了解到大氣中CO2的升高引起了全球氣候的變化，進(jìn)而降低稻米中蛋白質(zhì)、鋅、鐵等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量，從而有引發(fā)潛在的“ 隱形饑餓” 危機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。(2)選取的研究?jī)?nèi)容對(duì)現(xiàn)有課程內(nèi)容可以作為一種有效的擴(kuò)充。通過這方面的進(jìn)展的補(bǔ)充，讓學(xué)生對(duì)大氣污染控制等方面有了更為全面的認(rèn)識(shí)。比如教材中介紹大氣污染物是著重介紹了SO2、NOx和VOCs等較為傳統(tǒng)的污染物，但是對(duì)一些新興污染物的沒有提及。針對(duì)這方面的不足，我們授課時(shí)選取了2017年發(fā)表在《Science of the Total Environment》上一篇綜述“Review on characteristics of PAHs in atmosphere, anthropogenic sources and control technologies”[7]，介紹了大氣中多環(huán)芳烴(PAHs)的來源、特征和危害等方面的內(nèi)容。擴(kuò)充了同學(xué)們對(duì)環(huán)境污染物的認(rèn)識(shí)。

3 科學(xué)研究前沿進(jìn)展融入教學(xué)的方式

3.1 教師導(dǎo)入

教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者，現(xiàn)階段我國(guó)高校的教學(xué)仍然是以教師為主體進(jìn)行講述。在這種情況下，任課老師需要采用合理方式將科學(xué)研究前沿進(jìn)展比較“巧妙”的融入教學(xué)中。比如筆者所在的學(xué)校在我國(guó)的北方地區(qū)，冬季霧霾問題比較嚴(yán)重。但是教材中涉及到的霧霾的知識(shí)點(diǎn)很少。2018年3月4日在我國(guó)內(nèi)蒙古-陜西北部-京津冀地區(qū)發(fā)生一次很嚴(yán)重的沙塵天氣。所以筆者在那次課堂上結(jié)合相關(guān)的數(shù)據(jù)和圖表給學(xué)生著重介紹了南開大學(xué)馮銀廠教授對(duì)這次事件的詳細(xì)解讀。讓同學(xué)們對(duì)沙塵產(chǎn)生的原因、來源、運(yùn)輸中的影響因素和影響等方面有了一個(gè)全面的了解。

3.2 學(xué)生講解

傳統(tǒng)的教學(xué)是以教師講解為主要的方式，這種情況下，學(xué)生只能被動(dòng)接受老師講述的知識(shí)，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。目前，翻轉(zhuǎn)課堂和小班討論式教學(xué)等以學(xué)生為主體的教學(xué)方法受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[8]。我們嘗試將這種方式運(yùn)用到《大氣污染控制工程》本科教學(xué)中。比如學(xué)生分為若干小組，任課老師給每個(gè)小組安排一個(gè)課題(如SO2的最新處理技術(shù)；NOx在大氣中的遷移轉(zhuǎn)化行為；我國(guó)華北地區(qū)霧霾產(chǎn)生的來源和影響等)，讓學(xué)生自己去查詢最新的研究進(jìn)展并制作成課件，在課堂上安排15分鐘讓學(xué)生自己講述，然后再用5分鐘的時(shí)間讓其他學(xué)生提問討論。這樣不僅讓每個(gè)學(xué)生都參與到課堂之中，同時(shí)也讓他們了解到了科研的最新動(dòng)態(tài)。

3.3 互動(dòng)式教學(xué)

在給學(xué)生講解最新的科研動(dòng)態(tài)時(shí)，要經(jīng)常提出科學(xué)問題讓學(xué)生進(jìn)行思考和回答。同時(shí)也要主動(dòng)要求學(xué)生向老師提出自己的想法，任課老師進(jìn)行詳細(xì)的解答。這種互動(dòng)式的教學(xué)方式更能讓學(xué)生參與到科學(xué)問題中來，鍛煉了他們的科學(xué)思維能力。比如在講到第五章《顆粒污染物控制技術(shù)基礎(chǔ)》時(shí)，有學(xué)生提到大氣顆粒物中主要成分這個(gè)問題時(shí)，筆者就將2018年復(fù)旦大學(xué)王琳教授課題組發(fā)表在《Science》上的研究成果——“Atmospheric New Particle Formation from Sulfuric Acid and Amines in a Chinese Megacity”[9]進(jìn)行了簡(jiǎn)單的講述，讓同學(xué)知道大氣顆粒物的成分很復(fù)雜，而且形成過程的機(jī)理也是其中的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

4 科學(xué)研究前沿進(jìn)展融入教學(xué)的意義

4.1 對(duì)“以科研促教學(xué)，以教學(xué)帶科研”的實(shí)踐

“以科研促教學(xué)，以教學(xué)帶科研”的理念已經(jīng)得到很多高校老師的認(rèn)同。教學(xué)與科研是相互促進(jìn)和相互提高的。筆者認(rèn)為，其中的“科研”不僅僅包含任課老師自己的研究方向，更多是課程的研究進(jìn)展。把所任課程中的最新研究進(jìn)展融入到教學(xué)中，本身就能對(duì)教學(xué)的提高有很大的促進(jìn)作用。在給學(xué)生教授前沿進(jìn)展的同時(shí)，任課老師自己也能獲得最新的研究熱點(diǎn)，提高自己的科研素養(yǎng)。

4.2 活躍了課堂氛圍

相對(duì)于教材中枯燥的理論知識(shí)和計(jì)算公式，科研進(jìn)展的融入更能吸引學(xué)生們的注意力。讓學(xué)生自己通過查閱文獻(xiàn)來了解本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)生們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。同時(shí)學(xué)生在講述研究進(jìn)展的期間，同門們也會(huì)積極提出問題進(jìn)行討論。

4.3 提高學(xué)生的科研興趣

“考研熱”的背后更多的是學(xué)生的盲從，很多本科生也是為考研而考研。通過把大氣相關(guān)領(lǐng)域前沿進(jìn)展融入到《大氣污染控制工程》課程，讓學(xué)生對(duì)科研的內(nèi)容、形式、過程等有一個(gè)初步的認(rèn)知。在豐富理論課內(nèi)容的同時(shí)，提高了同學(xué)們對(duì)科研的興趣。另外對(duì)英文文獻(xiàn)的閱讀和理解也提高學(xué)生的專業(yè)英語能力。這些都為以后學(xué)生進(jìn)一步深造奠定了一定的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

將科學(xué)研究前沿進(jìn)展融入《大氣污染控制工程》本科教學(xué)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。一方面使學(xué)生了解到更多的學(xué)科前沿知識(shí)；培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新性思維；激發(fā)了學(xué)生的科研興趣。另外一方面加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)教材中的理論知識(shí)的認(rèn)知；擴(kuò)充了他們的知識(shí)面。另外需要注意的是這種教學(xué)方式給任課老師也帶來了較大的挑戰(zhàn)，需要一直跟蹤研究熱點(diǎn)和前沿。加強(qiáng)自己的知識(shí)儲(chǔ)備，做到把本領(lǐng)域最新的研究成果進(jìn)行歸納整理，隨時(shí)回答學(xué)生提出的科學(xué)問題。同時(shí)如何將研究前沿以一種有效的、合理的和輕松的方式融入到教學(xué)中也是值得思索的問題?？傊?lián)系研究前沿完善《大氣污染控制工程》教學(xué)內(nèi)容，建立一種符合新時(shí)代需求的教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，提升教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，值得深入探索。