基于產(chǎn)出的教育模式下綜合性環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)項目設(shè)計

費(fèi)穎恒，宋 剛

（廣州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510006）

環(huán)境監(jiān)測實驗是面向環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程專業(yè)的核心課程。通過該實驗課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握水、大氣、土壤等環(huán)境介質(zhì)中的重要污染指標(biāo)的監(jiān)測方法，提高動手實踐技能，深化理論知識，促進(jìn)獨(dú)立分析問題能力的培養(yǎng)。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)易造成學(xué)生僅機(jī)械地掌握具體實驗手段，無法形成綜合應(yīng)用能力，限制了對創(chuàng)新性思維能力的訓(xùn)練，忽略了對學(xué)生能力與素質(zhì)的培養(yǎng)[1-2]?；诖?，有必要拓展以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為核心的綜合性實驗，通過自行設(shè)計實驗方案，引導(dǎo)學(xué)生對實際問題進(jìn)行自主思考，深化對實驗原理的理解，提高對基礎(chǔ)理論和實驗方法的綜合應(yīng)用能力。

近年來，隨著新工科理念的提出[3-4]和基于產(chǎn)出的教育模式（outcome-based education，OBE），即OBE 教育模式的推廣，在工程教育專業(yè)認(rèn)證和一流學(xué)科建設(shè)的背景下，環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的教學(xué)改革也在不斷深化[5-7]?；凇芭囵B(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才”的內(nèi)涵，新工科建設(shè)提出了“以學(xué)生為中心”的學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)體系，要求建立能綜合衡量人才培養(yǎng)成效的評價體系[8]。OBE 教育模式則強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，要求每個教學(xué)環(huán)節(jié)都必須明確學(xué)生取得哪些學(xué)習(xí)成果，需要進(jìn)行全過程教學(xué)評價[5-6]。因此，除了對實驗項目、教學(xué)策略、教學(xué)設(shè)計進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)外，環(huán)境監(jiān)測實驗課的教學(xué)評價體系也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，增加對實驗預(yù)習(xí)與方案設(shè)計、實驗操作與現(xiàn)象觀察、數(shù)據(jù)分析與總結(jié)討論等環(huán)節(jié)的評價，以進(jìn)行更綜合全面的考核。

基于此，本文針對“頭發(fā)中汞含量的測定”這一綜合性實驗教學(xué)項目，在“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向”理念的指導(dǎo)下，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)的改革探索。

1 學(xué)情分析

環(huán)境監(jiān)測實驗開設(shè)在環(huán)境科學(xué)或環(huán)境工程專業(yè)本科三年級第一學(xué)期，學(xué)生已掌握相關(guān)的分析化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、儀器分析等基礎(chǔ)理論，并對相關(guān)的重量法、容量法、儀器分析法等常用化學(xué)分析方法的操作已有一定程度的掌握。環(huán)境監(jiān)測實驗主要通過具體監(jiān)測污染項目的基礎(chǔ)性、綜合性或開放性實驗，提高學(xué)生的環(huán)境監(jiān)測實操能力。該過程中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生自主思考，結(jié)合已掌握的化學(xué)理論和實驗技能，加深對監(jiān)測項目測定原理的理解，逐漸培養(yǎng)能獨(dú)立設(shè)計監(jiān)測方案的能力。

綜合性實驗項目以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為教學(xué)重點(diǎn)，即通過設(shè)定情境下的監(jiān)測項目要求，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出相應(yīng)的監(jiān)測方案，并予以實施。實驗操作過程重點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生對實驗現(xiàn)象進(jìn)行觀察和討論，分析可能出現(xiàn)誤差或失誤的步驟及其原因與校正措施。實驗結(jié)束后，應(yīng)重點(diǎn)安排數(shù)據(jù)分析與實驗反思，對原實驗方案提出改進(jìn)意見。

不同于分析化學(xué)或儀器分析實驗，環(huán)境監(jiān)測中的實驗項目從實際環(huán)境問題出發(fā)，實驗對象和實驗方法都具有一定的綜合性、復(fù)雜性等特點(diǎn)。綜合性實驗中更強(qiáng)調(diào)對基礎(chǔ)理論和實驗技能的綜合運(yùn)用，因而在環(huán)境監(jiān)測綜合性實驗項目的學(xué)習(xí)中，學(xué)生將面臨主動發(fā)現(xiàn)問題、自主分析問題和獨(dú)立解決問題的挑戰(zhàn)。教師在教學(xué)的各環(huán)節(jié)中需要關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，及時引導(dǎo)觀察和啟發(fā)思考，并適時給出建議和意見，對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況及時做出反饋。

2 實驗教學(xué)策略

基于以上分析，我們制訂了以下教學(xué)策略，如圖1 所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)基本策略

1）實驗前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備是一堂實驗課取得良好教學(xué)效果的基石[7,9]。在預(yù)習(xí)時，要求學(xué)生明確實驗?zāi)康?，掌握其基本原理。對于綜合性或設(shè)計性實驗項目，學(xué)生應(yīng)能夠自主設(shè)計實驗方案，了解實驗步驟及其注意事項。在OBE 模式下，教師通過對預(yù)習(xí)報告或?qū)嶒灧桨傅呐?，著重檢查學(xué)生能否在掌握基本理論的基礎(chǔ)上，理解具體實驗步驟與實驗原理的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)學(xué)生設(shè)計的實驗數(shù)據(jù)記錄表格，判斷學(xué)生對于實驗過程的預(yù)期設(shè)想是否合理。在分組實驗開始前，通過設(shè)置開放型思考題，引導(dǎo)學(xué)生思考實驗原理、方案設(shè)計相關(guān)的問題，使其逐步養(yǎng)成知識探索和能力拓展的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。

2）分組實驗過程中，學(xué)生應(yīng)規(guī)范實驗操作，認(rèn)真觀察并做好詳細(xì)記錄。教師應(yīng)巡查各組實驗進(jìn)展，除檢查操作是否符合規(guī)范、安全的要求外，可適時提出實驗現(xiàn)象、常見誤差或失誤操作等相關(guān)問題，組織小范圍討論，以此引導(dǎo)學(xué)生在動手的同時積極動腦，主動發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。同時，通過提問或討論，教師可及時了解學(xué)生對相關(guān)理論和工具的靈活運(yùn)用程度，并通過具體的實際問題加深學(xué)生對實驗原理的理解，提高學(xué)生對監(jiān)測實驗質(zhì)量管理的認(rèn)識。

3）實驗結(jié)果的總結(jié)與報告是監(jiān)測實驗成果的，對實驗報告的撰寫需給予足夠的重視[10]。實驗完成后，學(xué)生應(yīng)及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析，當(dāng)堂檢查數(shù)據(jù)的可靠性，必要時可及時進(jìn)行實驗重做或補(bǔ)做。實驗報告中對實驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，并反思實驗過程，提出方案調(diào)整或改進(jìn)建議。對實驗報告的批改，應(yīng)著重檢查學(xué)生能否基于實驗數(shù)據(jù)形成正確、合理的結(jié)論，強(qiáng)調(diào)規(guī)范、準(zhǔn)確地撰寫實驗報告的能力。

3 綜合性實驗教學(xué)項目設(shè)計實例

為提高學(xué)生的綜合和創(chuàng)新能力，我們將原基礎(chǔ)性實驗項目“汞含量的原子熒光法測定”改進(jìn)為綜合性實驗項目“頭發(fā)中汞含量的測定”。原教學(xué)目標(biāo)以掌握汞的原子熒光法測定方法為主，在實際教學(xué)活動中易將其演變?yōu)橐惶脙x器分析實驗課，無法實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測實驗?zāi)芰τ?xùn)練的目標(biāo)。改進(jìn)后的教學(xué)目標(biāo)（如表1 所示）則包括了對以頭發(fā)消解為代表的預(yù)處理方法和以汞測定為代表的樣品分析方法的掌握，以及靈活運(yùn)用同類方法為具體樣品制定相應(yīng)的預(yù)處理及分析測定方案的能力。此外，以頭發(fā)為代表的人體樣品監(jiān)測也是環(huán)境與健康相關(guān)分析中典型案例，基于本實驗項目也應(yīng)進(jìn)一步拓展學(xué)生對相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的了解。

表1 實驗項目改進(jìn)前后教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的變化

在課前講授時，設(shè)置以下思考題引導(dǎo)討論：

1）除高錳酸鉀-硫酸消解法外，還有什么方法可以用于頭發(fā)中汞的消解？

2）除原子熒光光度法外，還有什么方法可用于樣品中汞含量的測定？

3）若想了解人體近期對汞的蓄積過程，應(yīng)如何采集頭發(fā)樣品？

通過提示，學(xué)生將進(jìn)行同類型樣品消解、汞元素測定等方法的回顧與比較，加深對各方法原理與適用性的理解，加強(qiáng)對實際樣品監(jiān)測工作復(fù)雜性和綜合性的體會，并在逐步進(jìn)行方法選擇的基礎(chǔ)上形成一套頭發(fā)樣品監(jiān)測方案。由于本實驗項目尚未開放為設(shè)計探究性實驗，故最終的監(jiān)測方案在教師的引導(dǎo)下固定為高錳酸鉀-硫酸消解法和冷原子熒光光度法。未來本項目可以進(jìn)一步建設(shè)為設(shè)計性實驗，根據(jù)學(xué)生的自主選擇，不同分組可嘗試使用不同的預(yù)處理甚至分析測試方法，對不同實驗方案進(jìn)行比較和探索。

在實驗開始前的講授中，從為什么測、怎么測、測得什么3 個問題，抽絲剝繭地講述與汞相關(guān)的環(huán)境問題與防治、環(huán)境暴露與人體健康分析、冷原子熒光法、高錳酸鉀消解法、儀器分析結(jié)果的分析與報告等主要教學(xué)內(nèi)容，通過對相關(guān)知識的拓展，增加教學(xué)內(nèi)容的趣味性和前沿性。結(jié)合思考題的引導(dǎo)，提高教學(xué)內(nèi)容的挑戰(zhàn)度，加深學(xué)生對于基礎(chǔ)理論知識應(yīng)用的拓展能力和創(chuàng)新思考能力。具體的教學(xué)思路如圖2 所示。

圖2 教學(xué)思路導(dǎo)圖

4 多維度考核評價

OBE 教育模式下，教師需及時了解學(xué)生學(xué)到了什么，以此形成對教學(xué)的良好反饋，做好持續(xù)改進(jìn)。這要求課程對學(xué)生的考核是全過程的[1]?；凇靶鹿た啤睂θ瞬诺囊?，課程對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的考察也應(yīng)是全面、多維度的[11-12]。因此，配合貫穿實驗預(yù)習(xí)—實驗操作—實驗反思全過程的教學(xué)策略，我們建立了包含實驗預(yù)習(xí)與方案設(shè)計、實驗操作與現(xiàn)象觀察、數(shù)據(jù)分析與總結(jié)討論等各環(huán)節(jié)的全過程多維度評價體系，如表2 所示。

表2 環(huán)境監(jiān)測實驗全面評價體系評優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)

在該考核評價體系下，學(xué)生在每個環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)都將受到專業(yè)技能掌握、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和職業(yè)規(guī)范素養(yǎng)3 個維度的評價，該評價標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生自我的學(xué)習(xí)發(fā)展具有一定的導(dǎo)向作用[10]，從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步明確在專業(yè)技能、創(chuàng)新能力和職業(yè)規(guī)范3 個方面的發(fā)展目標(biāo)。通過以上教學(xué)策略和考核評價體系的改革和綜合性實驗項目的建設(shè)，學(xué)生在具體實驗方案設(shè)計和執(zhí)行過程中提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，通過環(huán)境監(jiān)測實驗教學(xué)課程的學(xué)習(xí)進(jìn)一步提高對理論知識和實驗技能的深入理解和靈活運(yùn)用能力。

5 結(jié)束語

黨的“十八大”提出“大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)”的目標(biāo)，我國環(huán)境問題受到更多的關(guān)注。在黨的“二十大”中進(jìn)而提出“中國式現(xiàn)代化是人與自然和諧共生的現(xiàn)代化”，進(jìn)一步明確了我國新時代生態(tài)文明建設(shè)的戰(zhàn)略任務(wù)。因此，對于環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)人才的要求也進(jìn)一步提高。作為訓(xùn)練學(xué)生專業(yè)技能和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，“環(huán)境監(jiān)測實驗”在“新工科”思想、“以產(chǎn)出為導(dǎo)向”教育模式的指導(dǎo)下積極拓展綜合性實驗項目，并進(jìn)行教學(xué)策略、教學(xué)方式、考核方式等方面的改革優(yōu)化，為把學(xué)生培養(yǎng)成具有高素質(zhì)實踐能力和高水平創(chuàng)新能力的復(fù)合型人才提供有力支撐。