海洋资源化学教学内容和方法的探索*

胡耀强，陈法锦

(广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088)

随着人类社会的发展，人们对于生活幸福感的追求需要建立在对各类资源需求的基础之上，使得人们对于“资源”二字本能的具有浓厚的兴趣。人口日益增长，随着大规模的持续的开采，陆地上不可再生的自然资源变的日益匮乏。海洋占了地球表面积的70.8%，其中多种矿产资源、生物资源、水及可溶盐资源的储量远大于陆地上的储量，对其有效的开发可缓解人类对资源需求的压力。我国人口绝对数量多，大多数矿产资源的人均占有量不到世界平均水平的一半，十八大提出了海洋强国战略，急需向海洋要资源。因此，研究海洋资源的开发对我国经济社会的发展具有深远的现实意义，这其中就涉及到较多的化学问题。

“资源”一词自带的吸引力使本门课程从名字上便让学生产生较为浓厚的兴趣，海水中溶解的5亿亿吨的无机盐是食盐的重要来源之一，麒麟菜等海藻提取的多糖-琼脂是奶茶、布丁等食品的重要添加剂，我国深海科考在南海海底发现锰结核，我国在南海神狐海域可燃冰试验性试采成功等等，这些理论知识与现实生活、科技进展紧密结合，使本课程的开设具有极高的现实意义和科学意义。海水盐资源、生物资源、矿产资源在开发利用过程中面临诸多的化学问题。

本校是一所以海洋和水产为特色、多学科协调发展的综合性大学，所开设的海洋化学专业在编写培养方案之初便将海洋资源化学定位为专业核心课程。海洋化学是研究海洋各部分的化学组成、物质分布、化学性质和化学过程，并研究海洋化学资源在开发利用中所涉及的化学问题的科学[1]，意味着海洋资源化学是海洋化学的一个重要组成部分。《海洋资源化学》这门课程有别于海洋资源概论，概论主要从物质资源和能量资源两大方面讲述，例如辛仁臣等人编著的《海洋资源》一书中从海洋生态学的角度介绍了海洋生物资源，以海水淡化为主讲述了海洋水及水化学资源的技术现状，按照矿产种类分别从成因、分布、开采的角度讲述了滨海砂矿、海底热液矿、多金属结核等海底固体矿产资源的开发现状，在海洋油气资源中介绍了海底天然气、石油、可燃冰的成因、分布和开采问题，同时书中还用大约1/4的篇幅介绍了海洋能资源、空间资源和旅游资源的开发[2]。而《海洋资源化学》重点关注海洋物质资源，是研究从海洋水体、海洋生物体和海洋沉积层中开发利用化学资源中的化学问题的学科。海洋资源与海洋资源化学的涵盖范围与侧重点均不相同，相对而言，《海洋资源》涵盖范围更广，海洋资源化学需专注于海洋物质资源在开发利用过程中的化学问题，海洋资源中的海洋能资源、空间资源和旅游资源不是资源化学的重点展开内容。本专业隶属于海洋科学系，学科方向有别于化工与材料专业，本课程将内容定位在资源的成因、分布和开采等方面，而不引入资源的后续利用工艺等。

1 教材的贴合度

教材是系统展示较为成熟的理论成果，版本更迭慢、最新研究进展的引入节奏慢是专业教材较为普遍的特性[3]。市售的教材仅有1991年孙玉善编著的《海洋资源化学》与课程名称完全对应，出版时间较早，已是将近三十年前的教材，缺少新的科技进展。目前与海洋资源化学匹配度高的教材不较少，其它相关教材主要有辛仁臣等编著的《海洋资源》、陈宁编著的《海洋药物资源开发与利用》、阮国岭等编著的《海水资源综合利用装备与材料》、许加超编著的《海藻化学与工艺学》等。这些教材的部分章节内容不能较好的契合课程要求，将这些教材中的章节内容进行筛选整合，可在一定程度上提升资源介绍的广度和深度。海洋科学专业快速发展，海洋资源开发领域稳步推进，但部分海洋资源的开发尚不成熟，且行业科技进展多见诸于文献报道中，还需以文献资源为辅。

2 课程教学内容安排

随着科学与技术发展进程的推进，各学科领域持续的探索研究，学科分支越来越细且多样化，多学科交叉成为现代科学研究的重要特征之一，也是许多课程具有的特征[4]。海洋物质资源在开发过程中也普遍存在多学科交叉融合的特征，一种海洋物质资源的开发是系统性工程。首先，海洋中水资源及其中可溶盐受海洋环流等多种形式的海水混合过程的影响，在整个大洋中分布较为均匀，从资源分离提取的角度分析，需研究其在海水中的存在形态、浓度和富集规律，研究其分布规律的意义相对较小，此过程涉及仪器分析、纯化与分离、材料合成等分支学科。其次，海底矿产与油气资源的成因、分布规律均涉及地质和地球化学范畴，涉及地质成矿过程、矿产开采过程、矿物加工过程等，既包括基础的化学反应原理，又涉及海洋工程和化工工艺等学科。同样石油产业链虽长，但石油开采和冶炼工艺不属于本门课程的涵盖范围。最后，海洋生物资源同样是综合性非常强的内容，包括海洋生态学、水产养殖学、海藻资源化学等分支学科。整体而言，一种资源被成功开采，走向市场成为大宗商品，必然涉及工程技术问题。但本专业所属的海洋科学具有理科地学属性，海洋物质资源开发中涉及的地学和化学原理是本门课程需要深入讲述的内容。作为本科生的专业课程，既要保证教材中知识面的涵盖范围，又要保证章节内容的介绍深度[5-6]。下面将详细介绍本门课程内容的展开结构。本门课程根据海洋物质资源种类设置章节，优化课程教学内容的整体布局，展开课程内容，梳理章节主线，根据每种资源的特点及开发现状设置每一章具体的小节结构和内容。

2.1 海水与盐资源

其中海水盐资源相关章节以元素或化合物的用途作引题，以元素离子特有的物理和化学性质、在海水中的赋存形态和浓度为基础，从纯化与分离的角度介绍分离工艺过程中的化学原理，将开发过程对环境的影响作为章节的结尾。从这一类资源中选取溴、碘、锂、铀元素和氯化钠的开发过程展开详细深入的讲述，并根据每种资源的发展现状调整章节结构。

(1)溴、碘：溴碘具有相似的物理、化学性质，其中溴作为海洋元素，空气吹出法提溴的工艺具有一百多年的发展历史，已十分成熟；海水中碘离子浓度较低，但海藻对碘素具有较好的富集效果，海藻中提碘的工艺也已经过数十年的发展，变得较为成熟。在这一章中加入溴、碘在海水中的赋存形态和浓度变化规律更符合海洋化学专业的定位。

(2)锂：海水中锂的储量虽大，但较低的浓度使海水提锂成本较高，限制了海水提锂行业的发展。近些年来新能源锂电池行业的迅猛发展大幅提升了市场对离子的需求，推动了提锂行业的快速发展。海水中锂离子浓度远低于部分盐湖老卤中的浓度，加之盐湖提锂工艺已愈发成熟，使得目前盐湖提锂成为锂盐市场的重要贡献力量。海水与盐湖卤水在组成上具有高度相似性，因此有必要借鉴盐湖提锂工艺展开从液相体系中分离提取锂的化学原理的介绍。

(3)铀：海水中铀酰浓度虽远低于锂离子浓度，但铀作为核燃料是重要的战略元素，海水巨大的体量使其中铀酰的储量十分巨大，从海水中提铀具有重大的科学及现实意义。海水提铀涉及从复杂盐溶液中分离微量的铀酰离子，海水中铀酰离子整体分布较为均匀，受限于其较低的浓度，海水提铀产业的发展还很不成熟，研究热点主要集中在提取材料的制备方面，属于分离与纯化化学和材料学方向。目前关于海水提铀的相关书籍仅有1987年会议资料选编的《海水提铀》和1980年出版的《海水提铀》译文集可供参考。《铀提取工艺学》一书中系统介绍了铀及其化合物的物理、化学性质，但提取工艺部分是以铀矿石为对象进行介绍。因此老师需要带领学生查阅相关文献进一步了解海水提铀方法的最新研究进展。

(4)氯化钠：从海水中提取氯化钠的路线中包含的化学原理较为简单，采取盐田日晒的方式进行蒸发结晶，重点介绍氯化钠首先结晶析出的化学原理，以及沉淀法除杂、重结晶的反应原理。为丰富本章内容，可结合自贡地下卤水蒸煮获取井盐、盐湖卤水盐田日晒获得的湖盐分析不同地区根据自身环境条件开发的盐田工艺的差异。

(5)海水淡化：海水淡化部分是本门课程中十分重要的章节，以淡水短缺引题，在介绍多种海水淡化方法的基础上，围绕反渗透法的基本原理，醋酸纤维素膜等常用反渗透膜的分子结构和膜空隙尺寸，以及这类膜对水分子的高通量和对盐的高截留率机理深入介绍反渗透海水淡化的机理。以与生活贴近的家庭用反渗透净水器为例，并结合反渗透工艺流程介绍反渗透工艺的前处理和后处理流程，利用反渗透的基本原理解释不同反渗透工艺流程的特点。

2.2 海底矿产资源

目前比较受关注的海底矿产资源主要有锰结核、海底热液矿床、海底磷矿、滨海砂矿、可燃冰、海底石油天然气等类型，每种海底矿产资源的发现、结构组成、成因、分布、开采等均有自身独有的特征。本门课程选取锰结核、海底热液矿床、可燃冰、海底石油分别设立章节进行系统深入的介绍。

(1)锰结核：以锰结核的发现历史为开端，按照锰结核的组成、结构、成因、分布、开采、加工、开发意义为主线编排章节结构。结合锰结核生长缓慢、形成周期长、分布于深海海底的特征，着重介绍锰结核的矿物学结构特征、形成机制。根据其分布在深海海底表层的特征，引领学生讨论锰结核的开采方法。总结开发锰结核的意义，提升学生对这一资源开发的重视程度，并介绍我国在探索锰结核方面的成就提升学生的民族自豪感。

(2)海底热液：从海底热液的发现历史开始，介绍海底热液的成分及这些成分的来源，着重讲述热液的运移原因、通道和搬运矿物质的形式，进而介绍矿物质沉淀的原因和成矿，根据这些机制与学生讨论海底热液矿床的分布特征，总结研究海底热液及其成矿的科学意义。

(3)可燃冰：从能源危机的角度分析开发可燃冰的必要性和紧迫性，来引起学生近一步了解可燃冰的兴趣。结合可燃冰的结构分析其作为清洁能源的优点，着重讲述可燃冰形成所需的热力学条件、生物成因和热成因机制，结合神狐海域的地质特征，分析动力学因素在可燃冰成矿过程中的影响机制。结合前导课程《海洋生态学》，讨论可燃冰在全球的分布规律，从化学原理的角度分析可燃冰的开采方法。以今年我国在南海神狐海域可燃冰商业化试采中取得的重大突破为例，介绍可燃冰开采的最新进展，有助于提升学生的民族自豪感。分析开采可燃冰可能带来的温室效应和地质灾害，反思海底资源开采的风险，提升学生保护海洋环境的意识。

(4)海底石油：日常生活中存在着多种多样的石油衍生制品，通过这些衍生制品介绍石油的组成作为本章内容的开头。重点讲述石油的有机成因和适宜的形成条件，从压实作用、内部异常高压和扩散的角度解释石油产生运移的原因，结合水与油的物理化学性质分析石油运移的形式，利用储集层、盖层的微观孔隙特征和底层结构分析油藏。

2.3 海洋生物资源

海洋生物资源多样性十足，辛仁臣等编著的《海洋资源》一书对海洋生物资源的介绍重点放在了海洋生态学的角度，而学生已进行了《海洋生态学》课程的学习。为避免课程知识点的较多重叠和多样性带来的复杂问题，个人认为可选取海藻资源为代表，系统性的深入介绍大型海藻提取琼胶、卡拉胶及其它活性成分的方法路线，主要参考许加超等编写的《海藻化学与工艺学》。章节主线从褐藻等大型藻类的一般成分出发，重点介绍食品添加剂琼胶、卡拉胶的分子结构和提取工艺路线中所含的化学原理。其它酯类、氨基酸与多糖成分的提取可在老师的引领下利用课余时间完成。

3 课程实施方法

作为一门专业理论课，经常因为教学方法单一，而不能充分的调动学生的主观能动性。本科课程既要保证基础知识的输出，又要保持较宽的知识面。受有限知识面的影响，对部分章节的展开效果不佳，但老师作为引导者，可选取章节的部分内容进行讨论式教学。讨论式教学基于学生完成章节内容的自学，有助于提升学生的学习积极性[7,8]。本门课程设置在大三时段，学生已有了一定的专业基础，正处于迅速拓宽专业视野、加深专业理解的黄金阶段。选择开发技术尚未成熟的海洋资源，针对其研究热点，引导学生通过查阅文献，制作专题小报告在课堂进行讲述，丰富课堂形式。亦或翻译文献，提交文献阅读笔记，以书面的形式或语言讲解的形式介绍文献的主要内容、部分研究细节。这既不占用有限的课堂时间，又锻炼学生的专业语言表达能力、词汇组织能力，比较深入的了解专业研究热点，拓展专业英文词汇。例如海水中铀的提取技术仍不成熟，部分研究热点集中在制备新型铀分离材料方面，可通过给出检索关键词引导学生了解此类研究工作的思路和特点。

课程思政教育在教学体系的融合，是目前高校人才培养必不可少的重要内容[9]。利用知识点结合社会热点案例，可以促进思政元素的渗透[10]。根据教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》文件精神的指导，在本门课程中引入思政教育内容。我国经过几十年的潜心研究，在多种海洋物质资源的开发方面取得了大量的研究成果，通过分析开发各类海洋资源的意义、介绍我国的前沿研究成果，来增强学生的政治认同感、提升家国情怀。例如探索、开采锰结核的战略意义，研究海底热液的科学意义，我国在可燃冰商业化试采处于领先地位。

4 结 语

随着海洋资源开发需求的愈发迫切和研究的持续性推进，海洋资源化学也在不断的发展成熟。本文从课程定位、教材、开设内容和教学方法方面探讨了笔者对《海洋资源化学》课程的认识，以期推动我校海洋科学学科中海洋资源利用方向的课程建设，为国家在海洋资源开发方向培养更多高素质的专业人才。