基于开放性、探索性的环境化学综合实验教学体系的设计与实践

冷 庚，陈文瑾

(电子科技大学 资源与环境学院，四川 成都 611731)

“环境化学综合实验”是环境科学与工程专业人才培养环节中的一门重要实践类核心课程，其重点是探讨污染物来源及其在环境介质中的存在、形态、浓度水平和迁移、转化与降解等环境行为及其影响因素等[1－2]。通过实践教学，将深化学生对 “环境化学”课程基本知识的理解，掌握研究环境化学问题的基本方法和手段，提高科学分析能力、基本实验技能，使学生具备发现、分析、解决科学问题的综合能力。国内外许多著名大学，如牛津大学、加州理工大学、清华大学、浙江大学等均把环境化学综合实验设为环境科学与工程专业实践类核心课程。

1 教学体系现存问题

不同于环境科学与工程其他课程，环境化学具有明显交叉性、综合性的特征，环境化学综合实验应更注重于污染物在环境中迁移转化的过程和原理的探索。其教学体系应突出综合性、探索性的特征[3]。

但是，目前包括电子科技大学在内的国内大多数高校在该课程上均不同程度出现综合性差，探索性不足等问题[4－10]。其具体表现为以下3个方面。

1)教学体系僵化。在课程体系方面，往往以验证类、分析测试类实验居多。课程体系由多个独立的既定实验内容组成，实验项目与项目之间没有联系和启承。在这样的课程体系中，学生往往按照实验教材或讲义按部就班地进行实验操作，即可获得既定的实验结果。这无疑无法更好地培养学生的创新思维能力，以及探索问题、解决问题的综合能力。

2)实验学时与综合性、探索性诉求之间的矛盾。目前，大多数高校的环境化学实践类课程的学时在20学时左右，然而综合性、探索性的实践体系往往是一个发现问题—分析问题—解决问题—归纳总结的科学研究过程。一个完整的教学过程至少需要12个学时左右。因此，如何解决实验学时和综合性、探索性诉求之间的矛盾是本课程体系需要解决的另一重要问题。

3)教学体系开放性差。在国内外绝大多数的教学体系中，学生没有主导权，而是按照指导老师或教材来完成实验内容。学生的创造性、主观能动性未得到训练，其学习积极性和探索欲望自然也无法被激发。

针对环境化学综合实验教学体系中出现的上诉问题，对课程的教学体系进行了优化和研究，对实验内容进行了梳理和更新，对教学方式进行了突破和创新。优化后的教学体系呈现出明显的开放性和探索性，能最大程度调动学生的学习欲望和对科学的探索热情。

2 教学体系研究

2.1 教学体系研究和优化

环境化学是一门研究有害化学物质在环境介质中的来源以及在环境介质中的存在形态、浓度水平和迁移、转化、降解等环境行为及其影响因素，环境效应的化学原理和方法的科学。因此，环境化学综合实验的课程体系不应侧重于对污染物质在环境介质种环境行为及其特征的探索，而不是仅对污染物浓度的测定及验证。为此，对环境化学综合实验课程体系进行了优化，设计一系列环环相扣的科学问题供学生探索、研究。形成一个提出问题—分析问题—解决问题—归纳总结的课程体系。基于这一思路，设计优化了课程体系，如图1所示。

图1 环境化学综合实验课程体系

2.2 教学内容及和方法

学生今后面对的科学问题一定是变化的，所谓 “授人以鱼不如授人以渔”，如何培养学生创新思考、科学分析、合理解决不断变化的科学问题的能力才是高校人才培养的初衷和目标。因此，针对环境化学综合实验的课程体系，对教学内容，以及教学方式进行了改革和创新，在有限的教学时间内，最大程度发挥学生主观能动性和创新性，激发其探索未知问题的热情。

首先，老师会提出一个科学问题，如自然水环境中硫及其形态的环境行为及其转化特征，即硫在自然水体中呈现出怎样不同的形态，其分布、转化，及浓度水平均和哪些环境条件相关？。经讨论后，可能得到一个自然水体中硫形态的基本关系图，如图2所示。

图2 自然水体中的硫及其形态

然后，基于这一初步结论，讨论、凝练其中更深层次的科学问题，如硫形态及其分布和水深度之间的关系；与pH和pE之间的关系；和金属离子之间的关系等。在明确了研究目标之后，继续对研究内容进行分解。如将学生分为3个小组:第1组负责样品的采集以及pH和pE的测定；第2组负责样品中硫酸根和亚硫酸根的测定；第3组负责样品中金属镉的测定。

在进行分组实验，得到实验数据后，将实验数据进行整合和分析，得到相应的结论，撰写实验报告。

值得注意的是，在该课程体系下，授课教师仅作为实践课程的引导者，学生才是实验的真正主导者。在提出问题环节，老师仅仅抛出问题，而不给出解决这一问题的途径和方法；学生根据老师抛出的这一问题，在经过文献调研、集中讨论等环节后确立实验方案；然后，根据确立的实验方案，对实验任务进行分解，对实验人员进行分组；此后，学生将按照制定的实验方案，进行分组实验，完成各自实验内容，获得实验数据；最后，将各组的试验数据进行综合和分析，得到科学结论。如图3所示，授课教师首先抛出 “自然水体中硫及其形态的环境行为及其转化特征”这一实验项目；然后引导学生对这一项目进行拆解，如自然水体中硫存在哪些形态，不同硫形态的浓度和分布和哪些因素有关；然后，让学生对这两个科学问题进行分析，学生可能会认为SO32－、 SO42－和S2－与水深、溶解氧、pH和氧化还原电位有关。当然，学生的分析可能不会全面，可能会遗漏一些形态或影响因素。此时，作为授课教师不需要对其进行补充。引导学生对实验方案进行设计:确定研究对象、样品采集点位数量和位置、采样深浅、样品保存方法、以及实验室定量分析方法等。为确保实验顺利进行，引导学生对实验任务进行分解，比如分组协作，综合数据。最后，按照实验方案，进行各自实验内容，再将实验数据进行综合和分析，得出实验结论。由此可见，即使同一实验项目，不同的学生，对问题的分析方法和深浅不同，可能设计不同的实验实施方案，由此可能获得不同的实验结果，进而可能得出不同的结论。教师根据学生在分析问题、实验协作、动手操作、数据分析处理、归纳总结等方面的综合表现给予认定和评分。这样的实践课程体系自由度大、探索性强、学生自由度高，更能突出对学生综合能力的培养，其实验认定分数也更能反映出该生的综合素质和能力。

图3 自然水体中硫及其形态的环境行为及其转化特征实验项目实施路线图

3 结束语

环境化学综合实验是环境科学与工程专业人才培养环节中的一门重要实践类课程，国内外大学均将其作为培养学科基本素质必修课开设。但是，包括我校在内的大多数高校在该课程在课程体系上均不同程度存在开放性不足，综合性差，学生自由度低等问题，这无疑在一定程度上不利于培养学生创新思考、科学分析、合理解决科学问题的能力。针对上诉问题，结合现今环境化学学科发展趋势，研究、优化现有课程体系，缩减验证性实验，建立一套综合的、学生主导的、开放的，且具有明显探索性的实践课程体系。这样的课程体系，在国内高校的实践教学课程中均是创新之举。

[1]邓南圣，吴峰.环境化学教程[M].武汉:武汉大学出版社，2000.

[2]邓南圣，吴峰.环境化学教程[M].2版.武汉:武汉大学出版社，2006.

[3]岳松，蒋珍菊，芮光伟，等.基础化学实验改革探索与实践[J].实验科学与技术，2006，4(3):42－44.

[4]程金平，郑敏，袁 涛，等.优化环境化学实验教学改革的途径[J].实验室研究与探索，2006(11):1409－1411.

[5]陈建民，叶兴南，郑志坚，等.环境化学实验课程可持续建设模式初探[J].高等理科教育，2012，101(1):127－129.

[6]谢晓梅，张建英.环境化学实验教学体系的改革与创新[J].实验室研究与探索，2006，25(1):79－811.

[7]吕福，丁淑萍，裴婕.“开放式”环境化学实验教学的探索[J].大连大学学报，2005，26(6):21－23.

[8]谢晓梅，张建英.环境化学实验教学体系的改革与创新[J].实验室研究与探索，2006，25(1):79－811.

[9]郑爱榕，陈清花，陈慈美.开设环境化学综合性设计性教学实验的探索[J].实验研究与探索，2001，20(1):18－19.

[10]刘绮.精品课程 “环境化学”的建设措施研究[J].高等理科教育，2007，75(5):39－42.