侯磊 楊桂英

[摘 要]為解決環(huán)境化學(xué)研究對(duì)象廣泛性和研究?jī)?nèi)容深入性對(duì)本科教學(xué)提出的挑戰(zhàn)，并適應(yīng)環(huán)境化學(xué)多學(xué)科交叉及不斷發(fā)展的學(xué)科特點(diǎn)，本研究基于當(dāng)前環(huán)境化學(xué)優(yōu)秀本科理論及實(shí)驗(yàn)教材教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合筆者多年的環(huán)境化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以不同環(huán)境介質(zhì)中污染物的環(huán)境行為為線索，探討一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的當(dāng)代環(huán)境化學(xué)本科教學(xué)模式，以期為提升環(huán)境化學(xué)本科教學(xué)質(zhì)量提供方法借鑒。

[關(guān)鍵詞]環(huán)境化學(xué);理論與實(shí)踐教學(xué);雨課堂;翻轉(zhuǎn)課堂

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）06-0100-03

環(huán)境化學(xué)作為環(huán)境科學(xué)的重要分支，是環(huán)境科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科的核心專業(yè)課，在各大高等院校的教學(xué)任務(wù)中具有重要地位。環(huán)境化學(xué)探究污染物在環(huán)境介質(zhì)中的存在、特性、行為和效應(yīng)及控制的方法和原理[1]，其研究對(duì)象的廣泛性和研究?jī)?nèi)容的深入性都給本科教學(xué)帶來(lái)了難度和挑戰(zhàn)。環(huán)境化學(xué)需要環(huán)境學(xué)概論、環(huán)境監(jiān)測(cè)、有機(jī)與無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)和生物化學(xué)等多門課程知識(shí)點(diǎn)的支撐，同時(shí)課程設(shè)置了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)，通過(guò)頂層設(shè)計(jì)合理地安排理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)布局，拆分教學(xué)難點(diǎn)，將知識(shí)要點(diǎn)具體化，對(duì)于有效提高環(huán)境化學(xué)的本科教學(xué)質(zhì)量，提升本科生學(xué)習(xí)熱情及對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解具有重要意義。為此，筆者基于當(dāng)前環(huán)境化學(xué)的優(yōu)秀本科理論及實(shí)驗(yàn)教材的教學(xué)內(nèi)容、雨課堂教學(xué)工具，再結(jié)合自身多年的環(huán)境化學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探討一種理論與實(shí)踐相結(jié)合的當(dāng)代環(huán)境化學(xué)本科教學(xué)方法。

一、環(huán)境化學(xué)的重要實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容探討

環(huán)境化學(xué)的主要教學(xué)內(nèi)容圍繞大氣、水體、土壤和生物體環(huán)境介質(zhì)中污染物的環(huán)境行為展開(kāi)，因此本文將以環(huán)境介質(zhì)作為邏輯線索，通過(guò)舉例的方式論述各環(huán)境介質(zhì)中可展開(kāi)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)重點(diǎn)。

（一）大氣環(huán)境化學(xué)

該部分內(nèi)容重點(diǎn)關(guān)注污染物在大氣環(huán)境介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化及由此引發(fā)的大氣環(huán)境問(wèn)題，如光化學(xué)煙霧、霧霾、酸雨等。結(jié)合當(dāng)前我國(guó)大氣環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，學(xué)生較為熟悉的內(nèi)容為霧霾，但對(duì)光化學(xué)煙霧的了解較少。因此，本章實(shí)踐教學(xué)考慮設(shè)置城市空氣中氮氧化物濃度日變化規(guī)律和顆粒物中多環(huán)芳烴測(cè)定兩個(gè)主體實(shí)驗(yàn)[2]，分別支撐光化學(xué)煙霧和霧霾形成機(jī)制兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均涉及樣點(diǎn)的布設(shè)、樣品采集、前處理、儀器測(cè)試及數(shù)據(jù)處理分析五部分內(nèi)容，相應(yīng)的方法需參照環(huán)境監(jiān)測(cè)教材內(nèi)容[3]。

課程理論教學(xué)中光化學(xué)煙霧的形成條件及過(guò)程，大氣顆粒物的組成、來(lái)源及危害均是本章的教學(xué)重點(diǎn)，光化學(xué)煙霧形成過(guò)程是教學(xué)難點(diǎn)。通過(guò)選取城市中適當(dāng)?shù)臉狱c(diǎn)（如交通要道附近的居民活動(dòng)區(qū)域、居住區(qū)、街心公園等），測(cè)定NO和NO2濃度的日變化可以幫助學(xué)生理解光化學(xué)煙霧鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的過(guò)程，明確NO2的光解引發(fā)整個(gè)反應(yīng)，而NO的濃度峰值出現(xiàn)稍早于NO2，最終反應(yīng)結(jié)束時(shí)，反應(yīng)物濃度顯著降低等較為抽象的過(guò)程需要清晰地展示給學(xué)生。分析顆粒物中多環(huán)芳烴的濃度特征，可對(duì)顆粒物粒徑與其負(fù)載污染物濃度的關(guān)系形成很好的支撐，讓學(xué)生深入理解顆粒物導(dǎo)致的霧霾污染為什么會(huì)導(dǎo)致城市居民患呼吸道及心血管疾病概率的升高。此外，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)污染物濃度的檢測(cè)需要分別使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)和液相色譜，對(duì)于學(xué)生熟悉大型儀器設(shè)備，了解環(huán)境化學(xué)學(xué)科交叉的特性具有重要意義。

（二） 水環(huán)境化學(xué)

該部分內(nèi)容涉及水體中無(wú)機(jī)重金屬離子及有機(jī)污染物的環(huán)境行為特征、天然水體的基本性質(zhì)——堿度、反映有機(jī)污染物疏水特性的正辛醇-水分配系數(shù)、有機(jī)污染物的生物降解速率和方式等，均為教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)也是相對(duì)難以理解的知識(shí)點(diǎn)?？煽紤]分別設(shè)置天然水體的堿度測(cè)定、有機(jī)污染物的正辛醇水-分配系數(shù)測(cè)定、水體中硝基苯的微生物降解等實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，輔助學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解[4]。

水體的堿度是理解碳酸鹽平衡的重要概念，水體pH的差別導(dǎo)致其堿度差異顯著，可以通過(guò)采集不同類型的地表水樣，采用滴定的方法分別測(cè)定水樣堿度，分析貢獻(xiàn)堿度的碳酸鹽成分，幫助學(xué)生理解碳酸鹽平衡中封閉體系和開(kāi)放體系設(shè)置的條件，水體pH變化時(shí)應(yīng)該如何考慮等量關(guān)系來(lái)開(kāi)展計(jì)算。有機(jī)污染物的疏水性決定了其在水體中的歸趨，是吸附在顆粒物上，溶解在水中，還是跨膜擴(kuò)散進(jìn)入生物體?？梢酝ㄟ^(guò)選擇極性（萘胺）和非極性（菲）的有機(jī)污染物，分配平衡后分別測(cè)定水相和正辛醇相有機(jī)污染物的濃度，從而計(jì)算其分配系數(shù)，讓學(xué)生更加充分地理解這個(gè)全新且重要的概念，加深對(duì)污染物性質(zhì)與其環(huán)境歸趨間關(guān)系的認(rèn)識(shí)。有機(jī)污染物與重金屬的最大區(qū)別在于，有機(jī)污染物可以被生物降解。有機(jī)污染物的生物降解過(guò)程涉及生長(zhǎng)代謝和共代謝一組概念，因有機(jī)污染物的性質(zhì)和對(duì)微生物的毒性作用有區(qū)別，可通過(guò)選取葡萄糖和硝基苯一組有機(jī)物，采用相同的空氣暴露后培養(yǎng)微生物，最終測(cè)定有機(jī)物的濃度，計(jì)算降解百分比，分析降解效率的差異，幫助學(xué)生深入理解生長(zhǎng)代謝和共代謝的概念差異。實(shí)踐教學(xué)中涉及有機(jī)污染物濃度的測(cè)定時(shí)需要用到液相色譜和總有機(jī)碳分析儀，讓本科生接觸大型儀器設(shè)備，并應(yīng)用其解決實(shí)際環(huán)境化學(xué)問(wèn)題，有助于提高其實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)調(diào)動(dòng)其對(duì)枯燥知識(shí)學(xué)習(xí)的熱情。

（三） 土壤環(huán)境化學(xué)

該部分內(nèi)容的教學(xué)重點(diǎn)圍繞土壤中重金屬及有機(jī)污染物的環(huán)境行為展開(kāi)，其中土壤對(duì)污染物的吸附作用與主導(dǎo)機(jī)理是教學(xué)難點(diǎn)。吸附的主導(dǎo)作用機(jī)制因土壤理化性質(zhì)的變化而差別顯著，相關(guān)的Henry、Freundlich、Langmuir等經(jīng)典吸附模型使用條件的差異較難理解，同時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)及其分級(jí)組分的差別對(duì)污染物在土壤/沉積物上的吸附作用影響較為顯著，也是較難理解的內(nèi)容。

為此，考慮設(shè)置土壤有機(jī)質(zhì)的分離與分級(jí)、土壤對(duì)銅離子的吸附實(shí)驗(yàn)、沉積物對(duì)菲的吸附實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容[3， 5]，幫助學(xué)生理解土壤理化性質(zhì)與組成對(duì)其吸附污染物特性的影響。土壤有機(jī)質(zhì)包括富里酸、腐殖酸和腐黑物，其分子大小、所含官能團(tuán)類型和數(shù)量、芳香化程度等均有顯著差別，可依據(jù)土壤在酸、堿中的溶解特性對(duì)它們進(jìn)行提取和分離，實(shí)驗(yàn)擬選擇有機(jī)質(zhì)較高的沉積物和云南典型紅土作為對(duì)比，通過(guò)有機(jī)質(zhì)的粗提取及濃度表征說(shuō)明不同類型土壤有機(jī)質(zhì)特性的差異。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)批實(shí)驗(yàn)手段分別探索無(wú)機(jī)銅離子和多環(huán)芳烴菲在土壤/沉積物上的吸附等溫線，用吸附模型進(jìn)行擬合，通過(guò)污染物濃度梯度的設(shè)置，得到Henry、Frendlich和Langmuir幾種類型吸附模型的擬合結(jié)果，并對(duì)各模型的使用條件進(jìn)行辨析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程涉及有機(jī)質(zhì)組分濃度測(cè)定、吸附平衡后溶解態(tài)銅離子、菲濃度的測(cè)定，分別需要用到總有機(jī)碳測(cè)定儀、原子吸收光譜儀和液相色譜，這使學(xué)生體會(huì)到土壤中污染物的環(huán)境行為研究也需要借助大型儀器設(shè)備。

（四） 污染物在生物體的富集與毒性

該部分內(nèi)容重點(diǎn)考慮重金屬和有機(jī)污染物在土壤介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化及生物效應(yīng)，在生物體（植物和動(dòng)物）中的積累趨勢(shì)及有效性是講解的重點(diǎn)內(nèi)容。當(dāng)前關(guān)注較多的是重金屬污染土壤在農(nóng)業(yè)耕作方面的影響，即重金屬往作物遷移的趨勢(shì)，可以采用植物修復(fù)手段，探測(cè)重金屬在植物體內(nèi)富集的程度及影響因素;同時(shí)關(guān)注農(nóng)藥、工業(yè)廢物等污染導(dǎo)致的土壤有機(jī)物超標(biāo)問(wèn)題，關(guān)注有機(jī)污染物進(jìn)入食物鏈的程度、趨勢(shì)及主要影響因素。

為此，考慮設(shè)置典型作物（如小麥、葉類蔬菜）對(duì)污染土壤中Cd的遷移與富集特性、超積累植物（東南景天）對(duì)土壤Cd的富集特性、土壤動(dòng)物（蚯蚓）對(duì)典型有機(jī)氯農(nóng)藥（林丹）的生物有效性等實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容[3，6]。該部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要配置不同污染程度的土壤樣品，通過(guò)栽種植物或培養(yǎng)動(dòng)物一段時(shí)間后，測(cè)定植物和動(dòng)物體內(nèi)污染物濃度的分布規(guī)律，對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于同一種重金屬，如Cd，作物和超積累植物的富集特性及土壤中Cd的存在形態(tài)均有顯著差異，可同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，讓學(xué)生直觀地對(duì)比兩個(gè)體系中植物發(fā)揮作用的差異，同時(shí)認(rèn)識(shí)到超積累植物在重金屬污染土壤修復(fù)中的重要作用。污染土壤經(jīng)過(guò)蚯蚓的腸道處理之后，使得蚯蚓體內(nèi)有機(jī)污染物濃度明顯提高，該實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生對(duì)生物可給性及生物有效性概念的理解，同時(shí)意識(shí)到土壤性質(zhì)、蚯蚓個(gè)體差異、暴露時(shí)間等因素對(duì)于最終富集程度具有重要的決定性作用。實(shí)驗(yàn)過(guò)程涉及土壤、植物體中Cd、林丹濃度的測(cè)定，需要分別使用原子吸收光譜儀和氣相色譜儀等大型儀器設(shè)備。

二、環(huán)境化學(xué)理論與實(shí)踐教學(xué)的相互支撐作用

通過(guò)以上不同環(huán)境介質(zhì)中污染物環(huán)境行為的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容論述發(fā)現(xiàn)，環(huán)境化學(xué)實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)之間具有較好的相互支撐作用，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：理論教學(xué)為實(shí)踐教學(xué)奠定理論和方法基礎(chǔ)，而實(shí)踐教學(xué)為理論教學(xué)提供案例和機(jī)理分析素材，二者相輔相成，對(duì)于提高環(huán)境化學(xué)的本科教學(xué)效果缺一不可。針對(duì)本論文討論的環(huán)境化學(xué)核心理論、擬選擇的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及對(duì)應(yīng)的儀器分析方法總結(jié)如表1所示。

理論教學(xué)為實(shí)踐教學(xué)奠定理論和方法基礎(chǔ)。綜合本文核心部分的論述，各環(huán)境介質(zhì)中經(jīng)典概念和理論的講解為實(shí)踐教學(xué)提供了可能。光化學(xué)煙霧的形成條件和反應(yīng)過(guò)程、有機(jī)污染物的正辛醇水分配系數(shù)、土壤有機(jī)質(zhì)組成與污染物吸附的關(guān)系、土壤重金屬與有機(jī)污染物的生物有效性等內(nèi)容的實(shí)踐教學(xué)，均需要建立在掌握基本理論概念的基礎(chǔ)上，同時(shí)需要對(duì)反映這些環(huán)境化學(xué)過(guò)程的指標(biāo)及檢測(cè)方法有一定了解，才能夠有效地開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)。為此，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中需要合理安排理論和實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間，需要在理論教學(xué)開(kāi)展較為充分的條件下再開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)，從而保證實(shí)踐教學(xué)的效果。

實(shí)踐教學(xué)為理論教學(xué)提供案例和機(jī)理分析素材。在本文前述內(nèi)容中，已較為充分地論述了各環(huán)境介質(zhì)中可考慮開(kāi)展的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。然而，因各高校硬件條件、教學(xué)課時(shí)的限制，加上有的環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)本身較為復(fù)雜，可能難以有效地開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)?？梢钥紤]將某些特別復(fù)雜、耗時(shí)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)榘咐虒W(xué)，或由教師預(yù)先完成實(shí)驗(yàn)，僅給學(xué)生介紹實(shí)驗(yàn)框架設(shè)置及主要結(jié)果分析，這樣也可為理論教學(xué)提供較為實(shí)際的案例。此外，對(duì)于實(shí)踐教學(xué)的結(jié)果需要在理論教學(xué)過(guò)程中適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行總結(jié)和升華，充分發(fā)揮和利用好理論與實(shí)踐相結(jié)合教學(xué)模式的益處。

三、其他教學(xué)手段的輔助作用

除本文重點(diǎn)論述的理論與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的本科環(huán)境化學(xué)教學(xué)模式之外，當(dāng)前先進(jìn)教學(xué)工具（如雨課堂）的使用、新型教學(xué)方式（翻轉(zhuǎn)課堂）的嘗試，亦可為提升教學(xué)質(zhì)量貢獻(xiàn)力量。目前針對(duì)雨課堂在環(huán)境化學(xué)本科教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用報(bào)道較為有限，但該工具已在文科、理科等多學(xué)科的高等教育教學(xué)實(shí)踐中有大量應(yīng)用報(bào)道[7-8]。雨課堂是基于微信客戶端的公眾微信號(hào)，同時(shí)在PPT中具有插入模塊，可通過(guò)創(chuàng)建班級(jí)實(shí)現(xiàn)課堂的電子化，為課程的預(yù)習(xí)、課堂難點(diǎn)反饋、課后作業(yè)、測(cè)驗(yàn)等教學(xué)過(guò)程提供較好交流、監(jiān)督手段。對(duì)于環(huán)境化學(xué)這門知識(shí)點(diǎn)較多，教學(xué)難點(diǎn)較為集中的課程而言，雨課堂的使用能夠有效改善課程的教學(xué)環(huán)境，加強(qiáng)教師與學(xué)生間的互動(dòng)，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。

翻轉(zhuǎn)課堂是當(dāng)前討論較多的教學(xué)模式，提倡學(xué)生轉(zhuǎn)變角色，成為課堂教學(xué)的主動(dòng)參與者[7， 9]。針對(duì)環(huán)境化學(xué)課程的特點(diǎn)，該模式的使用是必要的，但需要掌握好該模式的使用程度，因環(huán)境化學(xué)存在較多難以理解的知識(shí)點(diǎn)，如過(guò)多地將教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)過(guò)程完全交給學(xué)生可能存在學(xué)習(xí)難度增加的問(wèn)題。為此，需要有針對(duì)性地挑選各個(gè)章節(jié)中與學(xué)生生活關(guān)系密切，較為容易理解的內(nèi)容，通過(guò)學(xué)生分組進(jìn)行PPT展示、視頻演示模擬實(shí)驗(yàn)、問(wèn)題誘導(dǎo)式教學(xué)、故事或案例引入式教學(xué)等方式，輔助理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式，提升教學(xué)質(zhì)量。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]