环境类专业实验教学改革与探索

陈　雯, 徐建强

(南京信息工程大学 环境科学与工程学院, 江苏 南京　210044)



环境类专业实验教学改革与探索

陈雯, 徐建强

(南京信息工程大学 环境科学与工程学院, 江苏 南京210044)

着眼于本科院校环境类专业实验课程教学现状,对实验教学方案、实验教学过程进行改革探索,提出了“三会一熟悉”的教学要求,并将这一要求贯穿于课前讲解、课中考查和课后评价整个教学过程,取得了比较好的教学效果。

环境类专业； 实验教学； 改革与探索

根据中国教育在线统计数据,截至2013年,全国共有近300所本科院校设有工科专业环境工程专业,其中只有60多所院校隶属于“211工程”重点建设院校,近80%的院校属于地方本科院校[1]。随着社会对环境保护问题的日益重视,对环境类专业学生的理论知识和实践能力要求也越来越高。多所高校进行了一系列实验教学改革工作,例如：结合实验室仪器设备的条件和实验教学的特点开展设计性实验、综合性实验的教学实践探索[2-4],根据卓越工程师培养目标的要求对实验教学体系构建进行改革和研究[5-6],结合不同专业的特色进行实验教学体系改革[7],探索不同的实验教学模式锻炼和提高学生的综合能力[8-12],以及从教学内容、教学方法和考核评价体系等方面进行改革探索[13-15],都取得了一定的成效。

我校环境科学与工程学院设置的环境类专业有环境科学、环境工程、大气环境和给水排水工程等专业,基本上都设置了“分析化学实验”、“仪器分析实验”和“环境监测实验”等定量分析实验课程。在10多年的实验课程建设过程中,提出了“三会一熟悉”的教学要求,并将这一要求应用于实验教学内容的选择、实验指导材料的编写、实验课程的讲解以及实验课程的考核等诸多教学环节。

1　实验教学普遍存在的问题

1.1实验教材问题

目前实验教材基本上都是按照实验目的、实验原理、仪器和试剂、实验内容以及思考题这5部分来组织编写。其中实验原理和实验内容都为大段的、详细的文字描述,学生看了之后觉得索然无味,根本提不起预习和学习兴趣,许多学生认为只要按照书上步骤就可以完成实验,致使学生实验效率低下,实验效果达不到预期目标。

1.2实验准备问题

目前实验准备中的仪器选择和试剂配制基本上无需学生参与,由实验课程任课教师或实验员事先准备好,处于包办状态。致使学生对实验缺少主动思考过程,同时增强了学生对教师的依赖。

在实验教学过程中以及和学生接触过程中,发现并了解到有些学生连实验室常用仪器都说不上名称,进入毕业论文实验期间还出现了无法顺利说出需借用仪器的正确名称[16],甚至有学生向实验室工作人员申领1∶1HCl溶液的奇怪现象。

1.3实验课程的考核问题

目前实验课程成绩大多根据实验报告和出勤等进行判分,少数学生则有意识地将精力投注在实验报告书写上,不重视实验操作和实验技能的提高,实验结束之后编造数据,甚至出现投机取巧抄袭他人实验数据的现象。即使再增加卷面考试环节,也大多只出现一些较为简单的实验原理、简单实验操作方面的题目,不能客观公正地评价学生的实验技能。

因实验教学各环节存在的问题以及相互影响和协同作用,使学生对于实验课的积极主动性不高,在本科学习阶段结束时,对于实验课上所做的实验项目能说出一二的并不多,能留下深刻印象的就更是微乎其微了,这就对学生走上工作岗位快速完成角色转换造成了某种程度上的困难。

2　“三会一熟悉”实验教学要求的确立

针对以上实验教学普遍存在的问题,我校实验指导教师结合我校环境类专业实验教学实际情况,提出了“三会一熟悉”的实验教学要求,即“会配制试剂、会选择仪器、会进行计算和熟悉相关仪器设备”。“会配试剂”，要求学生了解实验中所涉及试剂的2种配制方法；“会选择仪器”，要求学生弄清实验准备阶段以及实验过程中有关仪器的正确选择；“会进行计算”，包括实验准备阶段的计算以及实验结束后的数据处理；“一熟悉”，要求学生掌握相关仪器设备的用途、基本结构和定性定量分析方法。“三会一熟悉”就是通过学生课前预习、教师讲解和学生实验,使学生参与实验教学全过程。

3　实验教学改革

我校对环境科学与工程学院开设的多门实验课程进行了改革、探索与实践。在此以“环境监测实验”课程为例,阐述探索过程和实践经验。

3.1实验指导资料形式内容创新

环境监测实验项目大多为一些定量分析实验,这些实验项目都有国家标准或相应的实验教材。首先根据本校各专业实际情况,对实验项目进行有效选择,确定实验项目后,从社会效益、经济效益和时间效益最大化出发编写实验指导材料,遵循的原则是：减少对环境有害的实验,花费少量经费做好实验,选择既节省学生时间又可以达到培养目标的实验内容。

在编写实验指导资料时,充分利用专业背景知识,在理解实验原理的基础上,将国家标准或实验教材中的内容转化成表格或流程图的形式,一目了然,便于学生去理解实验过程,了解和掌握实验原理。例如 “水体化学需氧量(COD)的测定(重铬酸钾法)”这一实验项目,现有教材一般截取国家标准GB/T11914中的相关内容进行编写。表1是我校教师编写的实验过程,采取表格形式,将复杂步骤简单明了地展现。

表1　化学需氧量测定实验过程

3.2实验讲解内容创新

3.2.1实验课程体系完善化,技能培养更全面

实验课程启动之后,都有一堂实验预备知识课,课上向学生介绍环境监测实验课程目的、实验程序、实验预备知识、环境监测相关实验技术。突出强调环境监测实验课程目的是验证环境监测基本原理,巩固、加深和拓展理论知识,掌握实验的基本技能和基本操作,培养分析问题和解决问题的能力,提出达到“三会一熟悉”的教学理念,激发学生学习兴趣。

实验预备知识内容包括环境监测的定义、分类、方法、环境样品浓度表示方法以及环境监测相关实验技术。主要包括体积测量仪器、称量仪器、酸度计、紫外-可见分光光度计、气相色谱仪和液相色谱仪、样品采集制备与预处理的简要介绍,重点介绍数据记录与处理、试剂配制(体积测量/控制仪器和称量仪器选择问题)。

第一堂课程结束时,根据学生的知识背景并结合课堂内容,给学生布置一道思考题,如分光光度法测定生活饮用水中铁含量的相关实验,要求学生回答有关问题或完成相关任务,内容涉及到原理问题、某种试剂配制流程(包括方法、需使用的称量仪器和体积控制仪器)、试剂使用目的、配制过程中的计算、标准曲线制作和使用。通过书面的形式从准备到结果计算完成一次实验,以便了解学生的状况,为有针对性地组织教学做好准备。

3.2.2实验项目讲解内容合理化,学生受益最大化

合理确定实验项目是达成实验课程预期目标和完成预期效果的首要环节,而实验教学过程则是至关重要的一步。

开始实验之前,用45min左右的时间讲解实验原理和实验内容(实验步骤),坚持和贯彻实施“学生参与全过程”理念。仍以“水体化学需氧量(COD)的测定(重铬酸钾法)”这一实验项目为例,首先讲解什么是化学需氧量,强调化学需氧量的3方面含义；然后仔细讲解实验内容。讲解过程并非是单纯梳理实验步骤,而是穿插一些实验必备知识以及实验意识培养,如过量重铬酸钾和沸石的作用、硫酸-硫酸银溶液的配制及2种试剂的作用、试亚铁灵指示液的作用、硫酸亚铁铵标准溶液滴定过程中颜色的变化和原因；最后向学生解释实验定量原理,推导重铬酸钾法的COD计算过程。这种讲解使学生不仅仅按部就班、照方抓药地完成实验,而是对实验内容真正理解、掌握、分析和拓展。

实验试剂虽然不需要学生亲自配制,但是需要通过讲解、启发、引导,使学生明白试剂配制过程、需要使用什么量具等。另外，实验装置也不会在实验之前准备好,而是着重说明实验装置搭建过程,特别强调了安全稳妥和美观大方的要求,并随时提问所用仪器、配件名称,让学生回顾以前的实验知识,同时也增强学生的动手能力。

4　实验课程考核创新

实验课程考核由平时实验操作(依据原始数据)、实验报告和期末书面考试成绩3部分组成,其中实验操作占20%、实验报告占20%、期末书面考试占60%。书面考试在课程考核中比重的加大可以激发学生平时实验的积极性、主动性,同时也对书面考试试卷的命题提出了更高的要求。为此我们首先确立了命题的指导思想,即平时实验中强调的“三会一熟悉”思想,然后确定命题内容,要求选择一些学生虽未做过但可以运用已有实验知识完成的实验材料。下面以一份某专业期末考试试卷题型为例来说明实验考核内容创新之处。

4.1明确考核要求

提出考核要求：以下是GB13580.6—92“大气降水中硫酸盐测定——铬酸钡二苯碳酰二肼光度法”的有关原理和方法,利用实验室可提供的试剂(所有试剂皆为分析纯)和仪器,选择最合理的方案(包括仪器选择、试剂配制、操作步骤等),寻找最合理的答案,完成下列任务或回答有关问题。同时试卷中列出可提供学生选择的试剂(12种)和仪器(15种)。

4.2实验原理介绍

针对实验原理设计了以下任务：要求写出硫酸根离子与铬酸钡的交换反应,并就交换反应说明硫酸钡与铬酸钡溶解度大小的关系。

针对分光光度法的原理提出了如下问题：若标准曲线超过线性范围出现向下偏转情况,未知溶液浓度测定结果将产生正误差还是负误差？

4.3试剂准备

传统的学生实验都是由实验室实验人员来完成准备工作,为了考查学生的实验技能,试卷中针对实验中用到的试剂设计了以下8项任务：

(3) 试卷中设计了制备铬酸钡的实验流程,要求学生写出有关的制备反应并计算理论产量；

(4) 要求写出铬酸钡制备中所用6mol·L-1氨水溶液的配制流程并指出所用仪器名称；

(5) 要求确定铬酸钡悬浮液的制备流程中所使用的仪器名称；

(6) 要求确定氨-氯化钙溶液的制备流程中所使用的仪器名称；

(7) 要求写出2mol·L-1盐酸溶液的配制流程并指出所用仪器名称；

(8) 要求写出5g·L-1二苯碳酰二肼酒精溶液的配制流程并指出所用仪器名称。

4.4实验内容

4.4.1标准曲线的绘制

试卷以表格的形式呈现分光光度法中标准曲线的制作过程(见表2),针对标准曲线法的原理设计了以下任务：

针对表1中的1号溶液,要求学生给出溶液的名称及配制该溶液的目的。

表2　标准曲线的制作(样卷)

4.4.2大气降水样品分析

试卷设计了大气降水样品分析的流程：

针对这一流程要求学生完成如下2项任务：第一,要求学生填写该试验流程中步骤①②③④中所使用的体积测量仪器名称；第二,要求学生水样计算水样中硫酸根离子的含量。

试卷中要求学生回答：分光光度法实验中,在完成标准曲线的测定后,强调在同等条件下测定试样的吸光度,其中“同等条件”的含义是什么。

总之,通过设计一系列的任务和问题,可以比较全面地考查学生的实验技能以及相关知识的掌握情况,也为今后教师在进行实验教学时有针对性地组织教学提供参考。这种通过笔试的形式来完成一次实验,不仅减少了实验操作考试所带来的教学成本,也体现了课程考核的公平性。

5　改革效果

在每一门实验课程结束之后都向学生布置撰写实验总结的任务,让学生梳理实验课程的收获、感受并提出意见、建议等。可以从这些意见和建议中感受到“三会一熟悉”教学改革产生的效果。

我院组织学生参加每2年举办一次的江苏省大学生化学化工实验竞赛,参赛者获得优异成绩,每次竞赛都有学生获得二、三等奖。为了进一步提高学生对化学类课程的学习兴趣,培养学生在化学实验中的动手能力,提高大学生分析解决问题的能力,培养大学生的实践能力、创新精神、团队合作精神,我院已经成功承办了4届学校化学实验技能大赛。我院各专业学生积极申报各级大学生实践创新训练项目,近几年来获得国家级大学生实践创新训练项目10余项、省级大学生实践创新训练项目30余项、校级大学生实践创新训练项目20余项。

6　结语

我校进行的环境类专业“三会一熟悉”实验教学改革优化了实践教学内容,强化了实践教学。注重学生综合能力的培养,着重培养学生实验操作和数据处理技能,夯实学生基本操作技能和水平,增强学生的应用能力,全面提高学生的综合素质,力求满足学生实践能力发展需要,趋近“宽口径、厚基础、强能力、高素质”的人才培养要求。

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Reformandexplorationofexperimentalteachingforenvironmentalprotectionspecialties

ChenWen,XuJianqiang

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China)

Aimingattheexistingexperimentalteachingsituationoftheenvironmentalprotectionspecialtiesfromundergraduatecolleges,thereformandexplorationarecarriedoutontheexperimentalteachingplanandprocess.The“Threeskillsandonefamiliarization”ideaisclearlyputforward,andtheconceptispenetratedintotheentireprocessincludingtheexplanationbeforetheexperiment,theinspectionintheexperimentandtheevaluationaftertheexperiment.

environmentalprotectionspecialty;experimentalteaching;reformandexploration

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.052

2015- 10- 13修改日期：2015- 12- 25

江苏省“十二五”高等学校重点专业类环境科学与工程类建设项目(苏教高[2012]23号-167)

陈雯(1973—),女,四川彭州,硕士,助理研究员,主要从事环境工程、教学高等教育管理.

E-mail：chenchen1973@163.com

G642.0

B

1002-4956(2016)5- 0197- 04