岳一瑩，韓景泉，徐立杰，葉菊娣，潘紅陽

(南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，環(huán)境污染及其科學(xué)治理愈發(fā)引起人們重視，國家大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略也迫切需要技術(shù)攻關(guān)?，F(xiàn)代環(huán)境分析儀器以其快速準(zhǔn)確、高靈敏度和良好的選擇性在環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境污染物檢測、環(huán)境污染源分析等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。準(zhǔn)確高效的現(xiàn)代環(huán)境分析測試技術(shù)已成為環(huán)境工程及其他眾多領(lǐng)域重要的檢測分析工具[1]。

《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》是環(huán)境工程專業(yè)的專業(yè)選修課程，其主要教學(xué)任務(wù)是通過測量物質(zhì)的某些物理化學(xué)性質(zhì)的參數(shù)及其變化來獲取環(huán)境中物質(zhì)的化學(xué)組成、成分含量及化學(xué)結(jié)構(gòu)，使學(xué)生掌握分析儀器的基本原理和構(gòu)造，正確而熟練地操作分析儀器，初步具備制定監(jiān)測環(huán)境中復(fù)雜污染物的技術(shù)方案的能力[2]。但是，隨著時(shí)代的進(jìn)步，滯后的教學(xué)模式，已不能適應(yīng)新時(shí)代的要求。所以，對《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》課程進(jìn)行改革十分必要。

本文深入探討了《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》在實(shí)際教學(xué)中存在的諸多問題，如目標(biāo)導(dǎo)向模糊、教學(xué)內(nèi)容陳舊、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺失、教學(xué)模式單調(diào)和評價(jià)形式單一等。針對教學(xué)現(xiàn)狀，提出了明確目標(biāo)導(dǎo)向、整合教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化課程設(shè)置、創(chuàng)新授課方式和完善評價(jià)體系等改革措施，切實(shí)提升教學(xué)效果，意在培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才。

1 《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 目標(biāo)導(dǎo)向模糊

教育目的是把受教育者培養(yǎng)成為社會(huì)需要的人，《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》教學(xué)的目標(biāo)則是通過教育的方式，讓學(xué)生了解現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)的基本理論、樣品預(yù)處理的技術(shù)與方法；各類分析儀器的基本原理、儀器構(gòu)造和定性定量分析方法，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用各種現(xiàn)代化的儀器分析環(huán)境中的無機(jī)或有機(jī)污染物的能力。而在實(shí)際教學(xué)過程中，學(xué)生的考試成績往往成為唯一的標(biāo)準(zhǔn)，對連續(xù)三屆學(xué)生(137人)的期末成績進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(如表1所示)，不難發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于基礎(chǔ)類(填空題、判斷題、選擇題)掌握較好，但是提升類(簡述題、計(jì)算題)的平均分和正確率卻小于60%，尤其是簡述的正確率只有52%，這一現(xiàn)象表明學(xué)生并未真正掌握所學(xué)知識，只是簡單的機(jī)械背誦，這與提高學(xué)生能力和培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才的目標(biāo)背道而馳。

表1 期末試卷題型及成績分布Table 1 Question types and score distributions of final examination papers

1.2 教學(xué)內(nèi)容陳舊

目前《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》(約32學(xué)時(shí))，教學(xué)內(nèi)容主要分為三大部分——光譜分析、電化學(xué)分析、色譜分析，傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中沒有將三個(gè)模塊做恰當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)，使其成為彼此獨(dú)立的知識點(diǎn)，而不是知識鏈。課程覆蓋面廣且理解難度大，涉及無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、物理學(xué)以及高等數(shù)學(xué)等相關(guān)知識，但沒有根據(jù)本科生的知識層次做相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，而每個(gè)學(xué)生的基礎(chǔ)大不相同，有的學(xué)生高中未選修化學(xué)，那么基礎(chǔ)相對薄弱，晦澀難懂的知識點(diǎn)讓其無所適從，以質(zhì)譜為例，根據(jù)分子離子峰推導(dǎo)出分子式后，由于學(xué)生缺乏有機(jī)物不飽和度及化學(xué)鍵(羥基、羰基和苯環(huán)等)分子量的相關(guān)知識，無法畫出結(jié)構(gòu)式。課程涵蓋的理論知識點(diǎn)抽象且分析方法眾多，也成為大部分學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的一大障礙。

1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺失

由于所涉及的儀器普遍都是貴重的大型儀器，如液相色譜儀、氣相色譜儀和質(zhì)譜儀等，很難滿足學(xué)生動(dòng)手操作的需求，所以目前這門課程內(nèi)容中缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)。學(xué)生常常抱怨沒有動(dòng)手操作儀器，無法將學(xué)到的知識和參數(shù)選擇、樣品測定等實(shí)際操作流程聯(lián)系起來，更別說觸類旁通，用所學(xué)知識去解決復(fù)雜的實(shí)際問題了。表2展示了國內(nèi)不同高?！冬F(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課課時(shí)安排，通過對比發(fā)現(xiàn)，我校南京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)課時(shí)為8學(xué)時(shí)，與北京師范大學(xué)和上海交通大學(xué)32學(xué)時(shí)存在一定差距，但是要讓學(xué)生真正掌握分析技術(shù)，32學(xué)時(shí)也是不夠的。

表2 國內(nèi)高?！冬F(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》實(shí)驗(yàn)課課時(shí)Table 2 The experimental class hours of Modern Environmental Analysis Technology in domestic universities

1.4 教學(xué)模式單調(diào)

《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》的傳統(tǒng)教學(xué)模式為教師課前準(zhǔn)備教案，課堂上則以講授ppt和書寫板書為主要授課途徑。教學(xué)形式單調(diào)、內(nèi)容枯燥乏味，且教師“填鴨式”教學(xué)模式忽視了學(xué)生的主體性和主動(dòng)性，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，不利于提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。關(guān)于現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)實(shí)驗(yàn)課設(shè)置流程為學(xué)生課前預(yù)習(xí)講義，教師課上講解實(shí)驗(yàn)原理、方法等，并有教師操作示范，學(xué)生則是按部就班完成實(shí)驗(yàn)，并不利于打造學(xué)生獨(dú)立自主的創(chuàng)新性和挖掘其發(fā)散性思維，學(xué)生的動(dòng)手能力也得不到提升。例如，如果沒有與時(shí)俱進(jìn)的仿真軟件，學(xué)生就很難真正理解原子熒光法和原子吸收法在儀器上的異同。

1.5 評價(jià)形式單一

課程應(yīng)啟發(fā)學(xué)生的科研潛質(zhì)，除了掌握課程所涵蓋的知識點(diǎn)，還應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力、總結(jié)分析能力及解決問題能力。但目前固化的考核評價(jià)主要通過課堂簽到、平時(shí)作業(yè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末成績，課堂上學(xué)生人到了但是心卻未必“簽到”了，平時(shí)作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告也會(huì)存在相互“借鑒”的情況，這種評價(jià)體系僅限于考察理論知識的掌握情況，卻不能對學(xué)生的多種能力進(jìn)行衡量，不利于提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，同時(shí)也忽略了實(shí)際操作與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的重要性，讓學(xué)生成為了實(shí)驗(yàn)的“流水工”[3]。例如，即使學(xué)生通過查閱資料了解到氣相色譜各種檢測器的特點(diǎn)，在實(shí)際動(dòng)手操作時(shí)也很難根據(jù)具體情況選擇合適的檢測器。

2 《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》課程的探索

由于《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》在教學(xué)實(shí)踐中存在以上問題，轉(zhuǎn)變教育觀念，探索傳統(tǒng)教學(xué)模式的革新已迫在眉睫。針對《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》的教學(xué)現(xiàn)狀，擬通過整合教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)置以及完善評價(jià)體系為突破點(diǎn)，來滿足構(gòu)建課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)。主要以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，重點(diǎn)研究探索：理論課程與實(shí)踐類課程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，尤其是針對該課程實(shí)踐訓(xùn)練不足的問題，強(qiáng)化增加實(shí)踐體驗(yàn)性的課程或?qū)嵺`性環(huán)節(jié)課程[4]。主要側(cè)重學(xué)生在實(shí)踐中現(xiàn)場親身參與的過程和相關(guān)體驗(yàn)的獲得，來調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的積極性、減少在學(xué)習(xí)理論知識的盲目感。同時(shí)，根據(jù)分類培養(yǎng)思想，研究整合教學(xué)內(nèi)容、完善評價(jià)體系等教學(xué)改革措施對于教學(xué)效果的影響，從而指導(dǎo)推動(dòng)多元化人才培養(yǎng)實(shí)踐需要。課程改革指導(dǎo)路線如圖1所示。

圖1 課程改革指導(dǎo)路線Fig.1 Guiding route of curriculum reform

2.1 明確目標(biāo)導(dǎo)向

在教學(xué)過程中，我們嘗試以成果導(dǎo)向(OBE)為主導(dǎo)編寫教案，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)主體的主觀能動(dòng)性。在實(shí)際教學(xué)過程中，從教學(xué)目標(biāo)和畢業(yè)的三點(diǎn)要求出發(fā)——第一基礎(chǔ)知識目標(biāo)，掌握現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)的基本概念和理論；第二技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)，能夠?qū)⑾嚓P(guān)知識和方法用于推演和分析環(huán)境工程問題；第三綜合能力目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，通過查閱文獻(xiàn)尋求解決方案，思考多種方案解決問題，適當(dāng)放寬學(xué)生自主選擇的權(quán)限，培養(yǎng)出專項(xiàng)人才，而不是面面俱到的“模具”。以液相色譜為例，課堂中了解液相色譜的原理及液相色譜儀運(yùn)作方式是基礎(chǔ)目標(biāo)，接著將掌握的液相色譜知識用于分析物質(zhì)的成分(如甲基橙和亞甲基藍(lán)染料)為技術(shù)應(yīng)用目標(biāo)，最后通過液相色譜-質(zhì)譜分析實(shí)際水樣中的污染物為綜合能力目標(biāo)。

2.2 整合教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)中我們首先將“光、電、色”三大部分(如圖2)內(nèi)容的進(jìn)行區(qū)分，根據(jù)環(huán)境工程實(shí)際應(yīng)用，劃分重點(diǎn)；針對重點(diǎn)內(nèi)容，分別講述每種分析技術(shù)的概述、特點(diǎn)、基本原理、儀器構(gòu)造、參數(shù)的選擇以及定性和定量方法，把“知識點(diǎn)”變成“知識鏈”，為今后的實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。其次，針對光譜分析、色譜分析和電化學(xué)分析三大部分，我們計(jì)劃結(jié)合學(xué)生的興趣點(diǎn)，篩選一些學(xué)生熟悉的實(shí)例，通過對大量實(shí)例進(jìn)行分析，使其加深理解。再有，對選定的內(nèi)容計(jì)劃展開日常教學(xué)效果評價(jià)調(diào)查，主要從學(xué)生對知識點(diǎn)的理解度、課堂參與度、學(xué)習(xí)興趣情況來調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的適用性。對于個(gè)別基礎(chǔ)薄弱，高中未選修化學(xué)的同學(xué)，我們創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容，補(bǔ)充了基礎(chǔ)化學(xué)的相關(guān)知識，以便其能更快更好地吸收所學(xué)內(nèi)容。如在分析甲基橙染料的降解產(chǎn)物時(shí)，可以采用紫外可見分光光度計(jì)、液相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用的方法，首先用紫外分光光度計(jì)測量待測甲基橙的吸光度，根據(jù)甲基橙的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算其濃度，再用液相色譜儀，根據(jù)保留時(shí)間分離不同降解時(shí)間下的物質(zhì)，最后用質(zhì)譜儀，根據(jù)質(zhì)荷比分析其降解中間產(chǎn)物的化學(xué)式。

圖2 現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)知識板塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of knowledge section of Modern Environmental Analysis Technology

2.3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)置

《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》的課程性質(zhì)決定了其課程設(shè)置中必須包括實(shí)驗(yàn)部分，為解決學(xué)生獨(dú)立操作儀器機(jī)會(huì)較少的問題，適當(dāng)提高實(shí)驗(yàn)課課時(shí)，并采用小組教學(xué)的模式，將班級學(xué)生分為多個(gè)小組，小組內(nèi)自行協(xié)調(diào)分工，使每位學(xué)生都能得到充分的鍛煉。經(jīng)過實(shí)際操作后，學(xué)生對每一類儀器的原理、儀器構(gòu)造、和操作使用中需要注意的問題會(huì)有更加直觀的認(rèn)識，便于學(xué)生理解理論教學(xué)的各個(gè)知識點(diǎn)。課上的教學(xué)內(nèi)容相對來說比較抽象，結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作后，讓學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐中，更加深刻的理解所學(xué)知識。以色譜分析為例，在講述色譜的塔板理論和速率理論后，讓每一位同學(xué)參與到裝氣相色譜柱的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中來，并檢測自己裝的色譜柱的柱效。并在其后的小組討論中分析原因，為什么自己的色譜柱的柱效不夠好，是渦流擴(kuò)散項(xiàng)、分子擴(kuò)散項(xiàng)還是傳質(zhì)阻力項(xiàng)沒有做好，還可以在哪些方面進(jìn)行改進(jìn)。有利于學(xué)生對色譜柱柱效這個(gè)關(guān)鍵的知識點(diǎn)有全面而深入的了解和學(xué)習(xí)，形成深刻的印象。實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)打基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)理論教學(xué)的鞏固和深化[5]。

2.4 創(chuàng)新授課方式

2.4.1 增設(shè)小組討論

課程第一節(jié)課，計(jì)劃先將學(xué)生進(jìn)行分組，并給每組布置不同的主題，設(shè)計(jì)前沿?zé)狳c(diǎn)案例分析的討論教學(xué)環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生利用學(xué)到的知識進(jìn)行分析，比如超純水的檢測原理、機(jī)場安檢人員爆炸物檢測儀器的機(jī)理等。以超純水的檢測為例，提問學(xué)生超純水機(jī)上的數(shù)字代表什么意思，學(xué)生將分析過程及結(jié)論形成完整的ppt進(jìn)行小組分享。提升了學(xué)生查閱整理資料和制作ppt的能力，學(xué)生的表達(dá)能力及課堂表現(xiàn)綜合等得到大幅度提升[6]。在此過程中，學(xué)生可以良好的掌握超純水的檢測機(jī)理，即根據(jù)水中陰陽離子濃度進(jìn)行水質(zhì)檢測，當(dāng)水中離子濃度越低時(shí)，檢測出的電導(dǎo)值會(huì)越高，當(dāng)電導(dǎo)值達(dá)到18.3 MΩ，我們即稱其為超純水。

2.4.2 運(yùn)用高新技術(shù)

近幾年，慕課網(wǎng)、抖音app、Bilibili和微信公眾號等新型網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)手段掀起一陣陣熱潮。尤其是短視頻的形式，以活潑生動(dòng)的內(nèi)容為主題，抓住人們的眼球，并且完美填充了空閑時(shí)間。我們應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，創(chuàng)新授課方式，利用3D全息投影、網(wǎng)絡(luò)短視頻和微信公眾號等，錄制生動(dòng)、通俗易懂的視頻和音頻，對教學(xué)的主要內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器的主要原理和流程進(jìn)行介紹，讓學(xué)生在一種輕松愉悅的氛圍下，自主學(xué)習(xí)《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》的內(nèi)容，達(dá)到良好的教學(xué)效果。例如，通過網(wǎng)上現(xiàn)有的紅外測溫儀的視頻，可以更生動(dòng)地向?qū)W生傳授相關(guān)知識——紅外線的波長在0.76～100 μm之間，溫度在絕對零度以上的物體，都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。通過紅外探測器將物體輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電子系統(tǒng)處理，即可得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。

2.5 完善評價(jià)體系

教育的目的是為了培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研能力，所以客觀、全面和公正的評價(jià)體系就變得尤為重要?，F(xiàn)代教育倡導(dǎo)的是鼓勵(lì)式評價(jià)，我們應(yīng)在傳統(tǒng)的評價(jià)體系以課后作業(yè)和考試成績?yōu)橹?，關(guān)注理論知識的考核基礎(chǔ)上，對課堂表現(xiàn)、課下討論部分及實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行考核(如圖3)。第一，課下考核部分共占20%，其中課后作業(yè)和小組討論各占10%，考察學(xué)生是否能靈活應(yīng)用相關(guān)知識點(diǎn)，舉一反三，對實(shí)際問題進(jìn)行分析。以及評價(jià)學(xué)生的文獻(xiàn)檢索能力、針對具體問題的分析能力、邏輯性和語言表述能力。第二，實(shí)驗(yàn)部分的考核共占20%，綜合評判學(xué)生是否能掌握儀器的基本操作及是否具有基本的實(shí)驗(yàn)技能，和對于具體問題，能否獨(dú)立實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案，有效地獲取數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告中能否對數(shù)據(jù)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚砗头治?，以獲得有效結(jié)論。第三，考試成績考核共占60%，期中測試和期末測試分別占20%和40%，考察學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的掌握情況。通過不記名投票的形式，93%的學(xué)生感覺新的評價(jià)體系更能反映知識的掌握情況。

圖3 課程評價(jià)體系Fig.3 The curriculum evaluation system

3 結(jié) 語

《現(xiàn)代環(huán)境分析技術(shù)》是一門操作性很強(qiáng)的課程，也是環(huán)境工程領(lǐng)域不可或缺的工具課程。它不僅需要學(xué)生掌握分析儀器的基本構(gòu)造和原理，還需要學(xué)生可以使用相關(guān)儀器對樣品進(jìn)行分析和檢測，結(jié)合所學(xué)儀器的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍來選擇適宜的分析方法。顯然傳統(tǒng)教學(xué)的教師單一的講、學(xué)生聽的授課形式很難實(shí)現(xiàn)這一教學(xué)目標(biāo)。首先，要整合教學(xué)內(nèi)容將“知識點(diǎn)”變成“知識鏈”，并且編寫的教案要適當(dāng)結(jié)合成果導(dǎo)向OBE模式，便于學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解吸收；其次，隨著科技的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方式成為主流，如果學(xué)生只是死記硬背，并不會(huì)舉一反三，很難真正提高知識和技能。“課上教學(xué)+課下討論+實(shí)驗(yàn)操作”的教學(xué)模式是一種多環(huán)節(jié)學(xué)生參與的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體作用，將一部分課程重點(diǎn)放在學(xué)生動(dòng)手操作技能，以及觀察、分析和解決問題能力的培養(yǎng)上，并建立新的評價(jià)體系，對學(xué)生全部學(xué)習(xí)過程的綜合表現(xiàn)進(jìn)行評價(jià)。我們有理由相信這種新的課程模式可以更好地實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)，達(dá)到構(gòu)建課程標(biāo)準(zhǔn)的目的，為學(xué)生建立完備的知識體系打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。