基于环境工程真实问题探究的分析化学理论与实践教学

李秀丽, 邴乃慈

(上海第二工业大学 环境与材料工程学院，上海 201209)

基于环境工程真实问题探究的分析化学理论与实践教学

李秀丽, 邴乃慈

(上海第二工业大学 环境与材料工程学院，上海 201209)

根据环境工程专业分析化学理论与实践教学的特点，针对当前基础课程与专业知识衔接不够紧密，理论课与实践课脱节等问题，以培养学生自主学习能力，提高环境工程专业学生的培养质量为目的，提出基于环境工程真实问题探究的分析化学理论与实践教学方法。该方法以环境工程专业实际问题为指引，带领学生探究学习，学生通过问题剖析、文献检索、方法分析、实验方案设计、实验操作、实验结果分析、总结报告撰写等一系列教学活动，逐步深入学习，自主完成知识体系的构建，并最终解决问题，形成学习能力。

环境工程； 分析化学； 实验教学； 学习能力

0 引 言

环境工程专业是由多学科相互渗透、交叉的综合性学科，需要扎实的化学基础知识[1]。《分析化学》是一门理论性高、应用性广、实践性强的课程，是高校环境类、化学化工类专业学生必修的一门专业基础课[2]，实验教学是分析化学教学的重要组成部分[3-4]。目前大部分高校基础化学课程内容仍未走出学科的框架，内容的设置缺少与环境工程专业课程的衔接，课程的专业服务性不强导致学生的学习目标模糊。无机化学、有机化学及分析化学等化学系列基础课程涉及的内容庞杂、理论抽象，学生普遍感觉学习吃力，学习效率不高[5]。而理论课程与实验内容衔接不紧密的问题也较为突出，学生不能正确地应用基础化学理论知识解决实际问题，基础化学实验内容零散，相互独立分割，实验教学中创新能力培养的源动力也不够[6]。因此，采用理论与实践贯通的教学方式，探索适应于环境工程专业岗位需求的基础化学理论与实践课程教学模式对于提高环境工程专业学生的培养质量具有重要的意义。

1 现状分析

我校环境工程专业以电子废弃物资源化为专业特色，为拓展学生就业方向，目前在保持原有专业特色的情况下，增加环境监测类课程的设置。这对分析化学课程提出了更新的要求，因为分析化学是后续仪器分析、环境监测、水污染控制工程、大气污染控制工程等专业课程的基础。作为一门重要的基础课，有必要通过精心的课程设计来提高学生的学习兴趣和学习效率。

从2004年开设环境工程本科专业之始，该专业课程结构不断调整优化，但分析化学与实验一直是环境工程专业一门重要的基础课。在课程内容设置上，以经典的化学分析为主，主要是4类滴定分析，即酸碱滴定、氧化还原滴定、配位滴定和沉淀滴定分析，实验课内容也以经典的操作练习类、验证类实验为主，较少涉及设计类实验。有限的教学时数不可能把方方面面的内容都讲到，只能以点带面地去讲，但是如果只是简单地阐述这些滴定的原理及其方法会有些枯燥，学生学完理论知识后，并不知道这些理论知识有什么作用，也不清楚分析化学与所学专业之间有什么样的联系，因此需要结合专业领域的实际问题丰富课堂教学内容。

尤其从2015级本科生开始，学校开展学分制改革，本科各专业的总学分从原来的190～200削减到150左右，分析化学理论课也由48学时降为32学时。在较少的学时数内如何把重点内容讲深讲透，并保持住学生学习的好奇心；如何引入专业相关的实际问题，让学生利用课外时间钻研学习，最终达到理论与实际融会贯通；如何将理论知识融入实验，真正做到理论指导实验，实验验证理论，这些都是分析化学教学改革必须要思考的问题。

基于上述分析，提出了基于环境工程真实问题探究的分析化学理论与实践教学方法。以建构主义理论作为教学设计的指导思想，以专业实际问题为指引，带领学生探究学习，提倡由学生自己建构知识的过程，强调以学生的能力发展为本，不仅关注知识点的掌握，同时关注学习策略和分析问题、解决问题思路的掌握[7]。

2 基于真实问题探究的教学过程设计

环境专业中的分析化学问题其实有很多，对环境的大气、水、土壤、固废等质量进行检测，所用检测分析方法均由分析化学这门课程介绍[8]。如，天然水中钙、镁含量的测定；土壤中磷含量的测定；污水中化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)值的测定；污泥中氮含量测定；电子废弃物中重金属污染物含量的测定等。尤其污水COD值的测定，可以进行化学分析法和仪器分析法对比，在一个项目里学习两种不同的分析方法，对两种方法进行比较、总结，找出各自的优缺点，也对仪器分析方法有所了解和学习，增长实验技能。

COD作为常规水质监测项目之一，是反映水体污染的重要指标，也是水体污染物总量控制指标。COD 的测定是环境工程专业学生的必备技能，其测定方法主要有重铬酸钾回流法[9]和快速消解分光光度法[10]。在分析化学课堂教学中，“氧化还原滴定”一章就涉及到COD的测定，并分别介绍了高锰酸钾氧化和重铬酸钾氧化两种方法，但在传统的教学过程中，一般将COD测定作为氧化还原滴定的一个应用示例，在学时有限的情况下，甚至作为学生的一个课外阅读内容一笔带过。而在后续的环境监测课程中，一般只突出COD测定的应用，较少涉及对其理论知识的分析和测试原理的讨论，以至于高年级学生提到COD的测定，只知道按照COD测定仪的操作手册机械的进行操作，一旦在测试中遇到问题，不知道问题出在哪里，也不知道怎么解决，究其原因，还是缺乏对测试原理的基本认识。基于真实问题探究的教学过程，就是要让学生通过对真实问题的探究学习，掌握理论知识的同时，能将理论知识与实际问题结合起来，探讨解决问题的基本原理，学会将理论应用于实践，知其然，也知其所以然。

COD测试的基本原理在于：采用定量强氧化剂(高锰酸钾、重铬酸钾)氧化水样中的有机物，再用还原剂标准溶液滴定过量的氧化剂。由于高锰酸钾和重铬酸钾本身带有颜色，故也可用比色方法判断过量氧化剂的量，这里就涉及到分光光度法的知识。因此可将COD测定作为一个综合性问题，在完成“氧化还原滴定法”和“分光光度法”理论教学内容后，提出来让学生进行探讨学习。具体教学过程设计如图1所示。

(1) 问题提出。以教师为主导提出问题。在学习了“氧化还原滴定法”和“分光光度法”后，试分析COD测定的几种方法，重点思考以下问题：① 为什么我国国家标准和环境行业标准均采用重铬酸钾作为氧化剂而不采用高锰酸钾，即测试的是CODCr而非CODMn，其优势何在？② 滴定法和分光光度法在原理上是否存在区别，各自的优势在哪里？③滴定法和分光光度法在适用条件、检出限、测试结果精密度上是否存在差异？

图1 真实问提探究式教学过程设计

(2) 问题剖析。学生自主学习，分组讨论开展问题剖析。首先查找文献了解COD测定的不同方法。学生通过文献的查阅会发现，目前COD的测定主要采用重铬酸钾氧化，分滴定法和分光光度法两个大类[11]。而高锰酸钾氧化的方法较少使用，原因是高锰酸钾氧化法受Cl-的干扰较大，因此使用范围受到限制，另外该方法必须严格控制加热和沸腾的时间，因为KMnO4在酸性溶液中沸腾时不够稳定，所以使用起来也不够方便，不适于工业上大批量分析[12]。重铬酸钾氧化滴定法以国家标准GB/T11914《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》和国际标准ISO6060《水质化学需氧量的测定》为代表，其测定原理为：在硫酸酸性介质中，以重铬酸钾为氧化剂，硫酸银为催化剂，硫酸汞为氯离子的掩蔽剂，消解反应液硫酸酸度为9 mol/L，加热使消解反应液沸腾，(148±2)℃的沸点温度为消解温度。以水冷却回流加热反应2 h，消解液自然冷却后，以试剂亚铁灵为指示剂，以硫酸亚铁铵溶液滴定剩余的重铬酸钾，根据硫酸亚铁铵溶液的消耗量计算水样的COD值。分光光度法以上述经典标准方法为基础，重铬酸钾氧化有机物质，Cr6+生成Cr3+，通过Cr6+或Cr3+的吸光度值与水样COD值建立的关系，来测定水样COD值[13]。经典的标准方法需回流2 h消解，耗时太长，需使用汞盐和大量的浓硫酸，分析费用高，且易造成二次污染。人们为提高分析速度，提出各种快速分析方法[14-15]，主要有2种:① 提高消解反应体系中氧化剂浓度，增加硫酸酸度，提高反应温度，增加助催化剂等条件来提高反应速度；② 改变传统的靠导热辐射加热消解的方式，而采用微波消解技术提高消解反应速度的方法。基于此，国内外很多仪器公司开发了各自的COD快速测定仪，一般配备特定的快速消解装置、分光装置和消解试剂、标准溶液，仪器内置标准曲线，即便没有专业背景的人员，也能快速上手使用。

其次对比不同COD测定方法的优缺点和适用性。经典标准方法的优点是氧化率高，再现性好，准确可靠，其不足之处在于回流装置占用实验空间大，水、电消耗较大，试剂用量大，操作不便，难以大批量快速测定，不能满足环境监测发展的要求。分光光度法是对经典标准方法的提高和改进，利用分光光度仪直接对消解液进行比色分析，减少了返滴定的步骤，相比于滴定时目视判断滴定终点，仪器测定的结果也更为精确和稳定。而COD快速测定仪则将标准曲线内置于仪器内，操作者只需按照厂家提供的反应试剂配置溶液，消解后置于仪器内测定直接得到COD结果，相比于分光光度法分析更为简便，对操作者的专业要求也不高。

最后，学生需分组进行课堂讨论后，完成综述报告。此过程大部分在课外时间进行，教师负责学生完成进度的把控和必要的答疑解惑。

(3) 实验验证。设计实验方案，进行实验验证。分析化学是一门实践性很强的课程，实验是验证理论分析是否合理最好也是最直接的方法[16]。我校分析化学实验课是独立设置的，共24学时，一般由理论课授课老师和实验室辅助老师共同承担，因此理论课老师可以较好地把控实验课和理论课的衔接和互补问题。

学生分组完成问题剖析后，再分别设计滴定法和分光光度法两种实验方案。要求学生明确所采用的实验方法，列出实验需要的药品和仪器，写出完整的实验步骤，以及实验的注意事项，然后由教师与学生一起讨论实验方案的可行性，确定实验方案后方可进入实验室具体操作。本实验作为《分析化学实验》课程中的综合性实验，学生用自己设计的两套实验方案对同一实验样品进行COD测定，并与COD快速测定仪的测定结果进行对比，分析滴定法和分光光度法两种实验方案测定结果的差异。具体实验实施方案如图2所示。由于实验采集实际水样进行测定，学生还需事先了解水样采集和保存的方法，实验过程中亦需根据水样具体情况及时调整实验方案，如指示剂用量的确定，硫酸酸度、氧化剂浓度的选择，吸收曲线的绘制等。因此,该实验能较好地锻炼学生分析问题、解决问题的综合能力。

(4) 总结评价。教师对整个教学过程进行回顾总结，教学过程记录在案，过程中产生的文件存档保留。根据学生分组讨论和分组实验结果，评价打分，记入学生平时成绩。最后，及时总结教学得失，完善教学方法。在本门课程的教学过程中，类似于上述真实问题探究的教学案例可以设计多个，如酸碱滴定中可以引入凯氏定氮法测定水中氨氮的问题；配位滴定中，可以引入污泥中多糖和蛋白质测定的问题。

图2 COD测定实验方案设计

3 结 语

本文以分析化学教学为例，探讨基于真实问题探究的教学方法在环境工程专业基础课程教学中的应用，对于其他相关基础课程具有借鉴性。该教学方法以环境工程真实问题为切入点，引导学生探究学习。通过查阅资料，问题剖析，设计实验方案，开展验证实验等一系列实践操作，充分调动学生参与学习的主动性，激发学生的学习兴趣，体现学生在教学活动中的主体地位。在此过程中，能够让学生体验分析问题、解决问题的乐趣和成就感，自主完成知识体系的构建，并最终解决问题，有利于提高学习效率，促进学生的全面发展和进步。

[1] 蒋 欣，杨成建，葛碧洲，等.环境类专业分析化学实验教学形式的探索与实践[J].实验室研究与探索，2012，31(12)：148-150.

[2] 王燕刚.对环境工程专业《分析化学》课堂教学的几点看法[J].教育教学论坛，2013(9)：108-109.

[3] 杭义萍，许琳.构建基于问题解决的分析化学类实验课程体系[J].实验室研究与探索, 2011,30(9): 290-292.

[4] 胡乐乾，尹春玲.大学分析化学实验提问式教学改革探索[J].广州化工, 2016,44(17): 224-226.

[5] 邹明静.高等职业院校专业基础课微课程教学模式探索——以药学专业基础化学课程为例[J].卫生职业教育, 2016,34(12): 43-45.

[6] 强根荣，孙 莉，王海滨，等．理论与实践贯通专题式有机化学实验教学改革[J]．实验室研究与探索．2013，32(11)：180-182.

[7] 邓海山.基于真实情境下问题探究的分析化学课程设计[J].大学化学，2013，28(4)：24-27.

[8] 徐凤英，孙太凡.分析化学课程在环境类专业教学中的探讨[J].安徽农学通报，2012，18(14)：200-201.

[9] GB11914-89 水质化学需氧量的测定重铬酸钾法[S]．1989．

[10] HJ/T 399-2007 水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法[S]．2007．

[11] 张 力，辛来举，郑雪丹，等.环境监测中4种COD测定方法的对比实验[J].桂林工学院学报，2004，24(2)：231-234.

[12] 华东理工大学分析化学教研组.分析化学[M].6版.北京：高等教育出版社，2009.

[13] 郑司伟.化学需氧量COD测定中分光光度法与标准法的比较.[J].能源与环境, 2011(5): 62-63.

[14] 金维平，鲍锦磊，范晓远，等.COD测定方法的实验教学改进[J].实验室科学, 2013, 16(5): 29-31.

[15] 付丽君，李冰瑾，蒋文新，等.低耗环保COD测定方法的研究[J].环境污染与防治, 2008, 30(3): 57-61.

[16] 刘全勇，王 耀，赵学航.分析化学实验教学的体会及对课程教学的探讨[J].高等理科教育, 2016(5): 84-92.

TheoreticalandPracticalTeachingofAnalyticalChemistryBasedonEnvironmentalEngineeringActualProblems

LIXiuli,BINGNaici

(School of Environmental and Materials Engineering, Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209, China)

In order to train the student’s autonomous learning ability and improve the cultivation quality of the environmental engineering students, a theoretical and practical teaching method of analytical chemistry based on the environmental engineering actual problem was proposed in this paper.The method was based on the theoretical and practical teaching characteristic of analytical chemistry of environmental engineering professional and also aimed at the problems that the connection of foundation course and specialty knowledge was loose and the course of theoretical and practical was disjointed.The method was guided the students exploring study by the actual problems of environmental engineering.The students were studied step-by-step followed by a series of teaching activities, such as problem analysis, information retrieval, method analysis, experimental scheme design, experimental operation, experimental results analysis and final report written.Finally, the knowledge system was structured by the students themselves and the learning ability was formed, the problems were solved else.

environmental engineering; analytical chemistry; experimental teaching; learning ability

G 642.0

A

1006-7167(2017)10-0223-04

2016-12-01

上海市重点课程建设《分析化学》；上海第二工业大学2017年度校基金-教育科研项目；上海第二工业大学培育学科建设(环境工程)(XXKPY1601)

李秀丽(1980-)，女，浙江杭州人，博士，讲师，研究方向：固体废物处理与处置技术，主要从事：环境工程化学类基础课程理论与实验教学。Tel.：021-50211231; E-mail：xlli@sspu.edu.cn