环保人才培养模式下的大型分析仪器的实验教学改革探索*

李娜 王璟 周玉央 陈婷

（1.浙江工商大学；2.浙江省水利河口研究院）

生态文明建设，培养环保人才是核心。生态环境保护，要加强环保人才队伍的建设，加大专业型、复合型人才的培养力度，提高其业务水平，让其能够适应新时代环保工作的新要求，熟练掌握现代环保技术手段。环境工程专业仪器分析实验教学作为其实践能力培养的重要环节，在培养环境保护人才专业理论水平、工程实践能力和解决问题能力等方面有着举足轻重的作用。对环保人才的培养，重点在培养他们具有创新意识、发现问题的能力和多学科交叉应用的能力，熟练使用现代化分析仪器工具的能力。现代的大型分析仪器集数学、物理、生物、化学、电子学、自动化、数据采集于一身，因此，环境工程专业的“仪器分析实验”教学是实现学科交叉融合的一个有效的突破口。

近年来，我国理工科高校及研究院所已经在“仪器分析实验”的课程内容上进行了阶段性的改进[1,2]，在实验过程中趋向于全过程管理[3]，在教学过程中采用多资源整合[4]，逐步向新工科人才培养和应用创新转变。例如上海某高校化工学院的实验教学中心经过连续几年的建设，在支持复合型人才的培养上进行改革，一方面在实验设计上坚持创新[5,6]，另一方面则紧抓其他相关融合学科的教学内容改革[7,8],目前已经取得了不错的效果。

为进一步加强环境工程专业相关基础理论的应用，须进一步强化综合的、先进的、精密的大型仪器分析实验的教学内容改革和教学实践，从而实现锻炼学生融合贯通和解决实际问题能力的目标：（1）结合地区环境和经济发展需要，在教学过程中合理设置能够反映环境工程学科领域的新发现、新技术的实验课题，激发学生的创造性思维，发挥实验课程在教学中的重要地位；（2）开展环境工程专业相关的“探究式”和“开放式”创新实验，重视培养学生探究问题、思考问题和独立解决问题的能力；（3）增加现代化仿真实验教学手段，拓展环境工程领域中的工艺要求复杂、占地面积大、实验周期长、有毒有害风险高或存在二次污染的实验课题。

一、环境工程专业实验教学的不足

在传统的环境工程专业教学模式和理念下，学生在校多以理论学习为主，仪器分析课程的实验教学内容固定且更新不及时，实验教学过程较为单一且不与时俱进，对仪器的使用和分析功能开发不足，学生缺乏对仪器分析实验的能动性和控制性。仪器设施陈旧、课程内容固定和教师授课方式单一等方面的不足会导致仪器分析实验教学不能完全满足新时代对环保人才培养的要求，具体表现在如下4个方面。

（1）与国内成熟的科研院所相比，精密、先进的大型分析仪器在高校中属于稀缺资源，无法保证学生有足够的上机操作时间，且在实验教学过程中，教师多以讲授大型仪器的分析原理和使用方法为主，学生基本上处于听讲和观摩状态。加之大部分精密科研仪器承担着院内或校内外的科研工作和社会技术服务工作。若盲目提高大型仪器学生操作用时占比，会极大地影响正常的科研工作的开展。再加上现有基础实验仪器型号陈旧，维修率高，不能满足卓越环保人才培养对学生的新要求。

（2）环境工程仪器分析实验课程目前多数仍采用传统的分组式实验，实验内容过时、老套，缺乏自主性、开放性、创新性、研究性和前沿性的实验设计，缺少对环境工程学生实践能力和创新能力的训练，难以调动学生对仪器分析课程的主观能动性。

（3）教师的课程教学手段和实验考核方式单一。目前仪器分析实验课的教学流程为：讲解仪器原理、分析实验内容和方法，学生实验，提交实验报告。以上授课和考核方式仅停留在仪器最初级的学习和理解层面，难以考察学生是否完全掌握仪器的使用和操作，缺乏综合性和探索性的实验设计，更难以考察学生对仪器分析的掌握情况，更无从谈起学生的综合应用能力和创新能力培养。

（4）随着国家培养环保领域实际需要的应用型人才的要求，仪器分析课程训练是卓越环保人才培养的重要一环，且面临着仪器分析技术的不断更新、专业基础知识的不断深化和拓展，这对于一线教师提出了更高的要求，指导教师的理论知识、实验技能和仪器功能的开发能力等都亟待提升。

二、多维度大型仪器分析实验教学的改革措施

针对上述提出的高校中存在的仪器分析课的问题，如仪器台套数少、实验设备陈旧、课程设置系统性、教学模式陈旧、考核方式落后等，国内不少高校已进行了初步的课程教学改革和实践探索，更新了陈旧的实验内容，升级了部分落后的实验设备，改进了传统的教学模式，使整个课程体系更新颖、丰富、连贯、完整，得到了任课教师和学生的一致肯定[10,11]。参考部分成功的改革举措和案例，为了进一步提升高校仪器分析实验的课程质量，提出以下改革措施：

（一）合理分配现有仪器资源，逐步加大实验室仪器设备的投入力度

目前，部分高校都设有分析测试中心，测试中心的大型分析仪器种类较为齐全，型号较为先进，配有专人管理，仪器状态良好，可以考虑制订相关的制度与高校的实验教学设备协调使用。仪器分析实验课程所必须的理论知识讲授和简单易操作的操作使用可以考虑在相对较旧/较低档的仪器上完成，在学生对仪器的分析原理、硬件构造、操作流程等熟练掌握后，可在较新/功能复杂的仪器上开展深入的仪器使用培训。此外，学校针对自身情况制订较为完善的仪器预约共享制度和激励制度，以鼓励大型仪器专管教师在保障仪器供科研和社会服务用时之余，尽可能地开展学生上机操作的实验课程，以达到合理分配和安排大型仪器的科研、社会服务和教学的时间，既有利于降低先进仪器的闲置故障率，也大大提高了大型分析仪器的共享使用效率。

针对仪器使用台套数不能满足学生上课使用的问题，建议高校增加专用教学仪器的专项购置计划，通过实验室设备及软件的增加与完善，从硬件上全面提升仪器分析教学质量，使每个学生能够参与仪器操作和使用，巩固对理论知识的理解和应用。同时，在教学仪器闲置期间，提供科研和社会服务，全面提高仪器的共享和服务功能。

（二）以“卓越环保人才”培养目标为导向，优化和改写实验教学大纲

为提升环境工程专业学生的主观能动性和解决实际工程问题的能力，提高学生的主观动手能力和解决复杂工程问题能力，在保留仪器理论教学内容的基础上，将固定课堂实验内容调整为开放式实验选题，例如根据学生的兴趣选择不同的研究方向，划分成独立的工程实验小课题组，在老师的辅助下设计实验内容，做到实验方法和实验报告设计的全过程覆盖，以锻炼学生解决复杂工程问题的能力，深化学生对理论课程教学内容的认识，使学生能更全面、更扎实地掌握实验操作流程，更深入地了解和掌握实验方法和相关软件的使用，课程教学和实验操作同时进行，有利于形成综合性实验教学，提高实验教学质量。

在原有课题内容的基础上，引进和学习先进的分析技术，综合加入实际工程课题，在原有课堂实验设计的基础上，开发具有研究性和前瞻性的综合性大实验，也可以设计实际工程实验，提升环境工程专业学生对仪器分析课程的积极性，采用团队写作方式，经过一段时间查阅资料、设计方案、试验操作、结果分析得出研究结论，学生处于主导地位,教师只在关键步骤中给学生提供适当帮助，以取得更好的教学效果。

（三）虚实结合，全面提升学生面向产业化的大型工程操作技能

环境实际工程项目中，大量的构筑物微观结构与反应过程无法实现演示，学生在复杂的理论模型和实际的实验现象之间难以建立直观联系，限制了理论教学效果和质量。还有些环境工程学实验需在高温、高压、有毒、有害等条件下进行, 而普通本科教学实验室无法满足需要的实验条件或者难以对大批量学生实施安全教学；同时,部分精密的大型实验仪器运行成本高，无法提供给学生使用，严重制约了学生动手实践能力的培养，而且实验室提供的动手岗位只有几个，不可能人人操作,常规实验教学无法接受。虚拟仿真实验技术的引入，丰富了实验教学内容，消除了实验危险性，增加学生操作仪器和独立思考的空间，有助于对学生进行更深入、更系统的实践和训练，并显著降低了实验教学的成本和风险。

环境工程作为理工学科，培养的学生要求具有一定的工程能力，很多环境类工程实验过程复杂、工艺流程长，有些实验过程要耗时几天, 实验过程有较长的等待时间，而实验教学有课时限制，常规教学只能设置少数甚至不能设置大型的工程类实验。环境治理的工程类项目在实际进行过程中存在不同的参与对象(包括建设方、设计方、施工方、监理方等等)，在课堂教学的过程中,往往局限学生参与的工作内容，无法体验不同参与方的感受和经历，为今后的工作打下基础。辅助虚拟仿真实验演示和实验训练，可以引导学生深入了解环境工程专业课程的相关理论知识，加深对抽象理论模型和现实工程的全局认识，巩固课堂和书本中的理论教学知识，提高主观能动性，增强综合运用理论知识的能力。

（四）加强师资队伍保障建设，健全一线教师发展体系

为进一步加强学校各项实验课程的有序进行，持续深化实验教学建设和改革，优化实验教师队伍的结构，促进实验教学水平的不断提高，高校应结合实际，制订一系列保障实验教学师资的激励奖励制度，进行实验教室师资队伍管理的改革，包括建立实验教师管理制度、建立实验教师队伍激励机制和健全实验教师队伍培养发展等，保障实验教学的顺利进行和教师的个人成长。

学校可组织校外分析测试中心的高级应用工程师或专业学者对一线仪器管理老师和教学老师进行专题性的培训，结合实际案例进行仪器功能介绍和开发，并对仪器分析主讲老师进行仪器专业知识和科研实践操作考核。高水平的教学和仪器管理老师是保障大型精密性仪器使用寿命的最大前提，也是提高实验教学改革的关键力量。因此，制订合理的教师培训和技能提升制度，积极安排教师参与校内外的仪器操作高级应用培训，鼓励和保障一线教师申请仪器功能开发类、分析测试类、社会服务类的科研项目，参加校外高水平的技术交流和学术会议，能有效提升教师的工作和实际操作能力。

三、大型仪器分析课程实验教学案例

科研积累为综合实验的教学内容设计提供了基础条件,我们可以从中挑选出了部分内容并对其改造使之适合于实验教学,实验内容设计的原则是:较易理解、趣味性强、实现多学科交叉、教学可实施。

（一）原子分光光度法测定污染土壤中重金属含量

原子吸收分光光度法根据激发态原子蒸汽对特征光吸收的作用进行重金属元素浓度分析。它能够灵敏可靠地测定微量或痕量重金属元素。在实验中,每个学生可选取不同重金属污染土壤或混合物，根据查阅相关材料确定实验目的，确定重金属提取方法，可以直接提取总量或提取不同形态重金属含量，根据操作规程进行重金属提取过滤，配置系列重金属标准曲线。按照仪器开机程序开启仪器，完成样品测定、仪器清洗维护。将所得数据进行分析整理，得到研究结论，撰写研究报告。每组学生可以根据各组的情况，选取不同的研究方向进行实验，巩固加深对土壤中重金属测定的理论知识的理解和应用。

（二）气质联用法测定农作物农药的残留

气质联用仪是指结合气相色谱仪和质谱仪进行复杂有机物定性和定量分析的精密仪器。色谱法是根据不同有机化合物的沸点进行的一种有效的分离分析方法，在复杂有机物分离的基础上采用质谱法进行有效定性分析和定量分析。不同小组选取不同的农药污染的农作物，小组内通过讨论确定实验目的，根据查阅相关文献或检测标准，对样品进行预处理、萃取、浓缩、净化、上机、检测条件摸索、结果分析、谱图对比，最终得出实验结论。每组学生根据实验目的撰写不同的研究报告，也可以两组或三组相互配合，得出更为深入的研究结论，巩固加深对有机物污染物测定的理论知识的理解和应用。

（三）激光共聚焦显微镜测定污染物降解过程中的微生物定植情况

激光共聚焦显微镜相对于普通荧光显微镜的优势在于可以得到更高分辨率的光学切片，主要是由于激光共聚焦显微镜的检测针孔和光源针孔始终聚焦于同一点，使聚焦平面以外被激发的荧光不能进入检测针孔，且将固态荧光升级为激光，由于激光的强穿透力，可实现对样品一定厚度的扫描和观察，进而获得样品的三维影像。将过夜培养的活性污泥接种污染物高效降解菌，利用死活细胞染色法进行激光共聚焦显微镜观察活死细菌比例、生物膜生长情况等。学生可根据现有的实验材料，设计具体的实验目的，查阅相关资料进行样品分离、染色、清洗、上机、观察、拍照，最终得出结论。每组学生根据实验目的撰写不同的研究报告，也可以两组或三组相互配合得出更为深入的研究结论，巩固加深对微生物活性测定的理论知识的理解和应用。

四、结语

“大型仪器分析实验”是环境工程专业学生必修的专业课程。随着我国环保事业的大力发展，国内外先进科研仪器的不断涌现，开放性、综合性和多学科知识有效交叉的仪器分析实验已成为高校环境工程专业学生学习的必要条件。学生自主设计实验，协调合作、探究科学问题、设计实验解决科学问题的科研路径，理解和应用课程的理论知识，为研究型人才的培养找到了一个新的方向，更有助于培养学生的科研创新能力、触类旁通的能力，为后续的毕业论文乃至更深层次的学习和科研工作打下坚实的基础。