新形势下环境仪器分析课程建设模式探索

张丽彬　郭渊明　陈颢明　江心白　沈锦优

［摘 要］在我国持续推进生态文明建设以及高校线上线下融合教學的新形势下，文章对环境工程专业人才培养课程教学模式展开探索，针对环境仪器分析这一专业基础课程，通过模块化整合课程大纲章节、课程思政融入结合问题导向案例式引入、生动具象化原理讲解和强化线上线下融合课程中的过程考核等举措，提升课程建设质量、优化教学模式、助力环保人才培养。

［关键词］环境仪器分析；模块化；问题导向；具象化；过程考核

［中图分类号］ G642.3 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）09-0020-03

一、环境仪器分析课程改革的基础及问题

环境仪器分析课程是环境类专业本科生在具备无机、有机、分析化学等知识的基础上必修的学科基础课。课程对培养学生的独立工作能力，使其掌握现代研究手段与方法起到重要作用。课程教学目标为有机结合环境仪器分析主线课程与相关实验课程，立足于融合环境污染物检测基本原理和应用技术等知识，培养学生具备较好的分析、解决问题能力，使其成为相关专业的复合型人才；培养学生解决实际环境污染问题的能力，使其树立正确价值观，积极践行“工匠精神”；逐渐形成课堂形式多元化及模块化、理论联系实际、贯穿本科教学全过程的课程体系。

目前，环境仪器分析课程体系多以仪器结构组成、工作原理等理论知识的讲授为主，并结合环境监测实验的实践教学，主要存在以下亟须解决的重点问题：一是本课程理论性较强。环境污染物检测主要是化学分析与仪器分析方法的结合，对分析仪器工作原理的扎实掌握必不可少。然而，学习仪器分析原理需要大量的有机化学、物理化学、化工原理知识基础，在课程学习中需对多学科知识点进行融会贯通。此外，知识点介绍理论性较强，一些学生对部分仪器原理的理解存在困难。二是课堂互动不足、反馈不及时。以往课程教学中缺乏教师与学生有效互动，学生的创新创造能力难以体现；传统的多媒体教学方式难以充分发挥教师的引导作用，教师与学生互动交流的缺失使得信息反馈不及时。三是与相关课程的有机衔接性欠佳。学生在先修课程、专业基础课程和后续实验课程、专业课程的学习中，缺乏对环境工程专业课程的整体性认知[1]。

二、环境仪器分析课程改革方案

针对上述问题，课题组对环境仪器分析课程在教学大纲、课程建设模式和教学方式等方面进行了改革。

（一）模块化整合课程大纲章节

将课程内容整合为色谱分析、光谱分析、质谱分析、电位分析及联用技术几大模块，便于知识点类比，并突出重难点知识的串联讲解；同时，鉴于环境生物技术在水体、土壤污染治理技术中的广泛应用，拟在课程中加入环境生物样品分析的分子生物学实验技术以及高通量测序分析原理相关内容。

进行模块化整合后，课程的色谱分析模块包括：气相色谱分析法亚模块，如色谱法概述及分类、气相色谱分析；高效液相色谱分析法亚模块，如高效液相色谱仪、高效液相色谱法的分类及分离原理、高效液相色谱法的应用。光谱分析模块分为原子光谱法和分子光谱法亚模块。原子光谱法包括：原子发射光谱分析法，如原子发射光谱分析的基本原理、原子发射光谱仪器、光谱定性分析及应用、光谱定量分析及应用；原子吸收光谱分析法，如原子吸收光谱的产生原理、原子吸收光谱测量的基本依据、原子吸收光谱仪器、干扰及消除方法、原子吸收光谱法的应用。分子光谱法亚模块包括：紫外吸收光谱分析法，如分子光谱分析的分类及特点、紫外吸收光谱法；红外吸收光谱分析法，如红外吸收光谱法的分析原理、红外光谱仪和实验技术、红外吸收光谱法的应用；分子荧光光谱法如荧光光谱法基本原理、荧光分析仪器。质谱分析和电位分析独立形成模块，包括：质谱分析法，如质谱分析法概述、有机化合物质谱峰、有机化合物质谱与分子结构关系、质谱仪器；电位分析法，如电化学分析法概述、电位分析法概述、电位滴定法、伏安分析法。

（二）课程思政融入结合问题导向案例式引入

课题组结合环境工程专业特点，围绕国家《关于深入打好污染防治攻坚战》《关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见》等重要文件精神，在课程讲授过程中通过思政元素融入培养学生的生态文明观及工匠精神。同时，基于以问题为导向的教学模式（Problem-based Learning，PBL）[2]，通过案例引入教学模块主体内容。

在色谱分析模块，通过水体农药污染、果蔬农残污染的案例引入，引导学生在从发现问题到解决问题的过程中，认知、理解气相色谱分析、高效液相色谱分析在环境污染中的应用及原理，同时融入有机污染防治任重道远的理念、培养学生的环境保护责任感。在光谱分析模块，原子光谱分析亚模块以大气铅污染、土壤重金属污染案例为引导进入章节学习，让学生带着问题学习重金属测定使用的原子发射光谱分析法和原子吸收光谱分析法。在分子光谱亚模块，紫外光谱章节通过水体富营养化案例引入，介绍氮磷检测仪器的使用方法及其应用；红外光谱章节通过海洋石油污染案例导入课程内容学习。在质谱分析模块，以复杂废水环境污染样品的分析检测为例引出液质联用技术，导入章节学习内容。在电位分析模块，通过自然水体水质指标的现场快速测定案例，引出章节学习中的重要知识点。另外，我国近年来在生态文明建设和生态环境治理方面取得了丰硕成果，在教学模块中有机融入这些环境治理案例，可在提高学生学习兴趣的同时，逐步树立其生态文明理念[3]。

仪器分析知识要充分融入环境污染问题学习的“发现—分析—解决”全流程中。结合专业开设的新生研讨课，在大一阶段向学生展示仪器分析在环境污染问题发现中的应用需求，并使其贯穿后续相关基础课程知识点的学习，以及环境污染治理技术课程、实验课程的学习等全过程，从环境污染问题“发现”到环境污染问题“分析”直至环境污染问题“解决”全流程渗透、融入，以实现新工科课程建设背景下的人才培养目标[4]。

（三）生动具象化原理讲解

在环境仪器分析课程中，仪器原理的介绍多为抽象化内容，学生理解较为困难。在授课过程中，可通过结合生活实际，将抽象化原理进行具象化解释。如在课程的色谱分析模块中，气相色谱和高效液相色谱章节均涉及色谱分离中物质在固定相和流动相中的多次分配原理。结合日常生活实际引入具象化类比，有助于学生理解多次分配的原理。在原理讲解过程中，可将课堂中的男同学和女同学比喻为进入色谱中的待分离组分、将色谱分离的过程比喻为全体同学一起去商业街购物的过程。全体同学在商业街中前行，街上人流就如同色谱流动相、街两边的各种店铺就如同色谱固定相。通常，女同学倾向于多次进入店铺选購商品且在店铺中停留的时间较长，因而较晚到达商业街的尽头；而男同学则相反，他们倾向于较少进入甚至不进入店铺而直接随着人流行进至商业街尽头。这一过程中，女同学的行为模式类似于待分离组分中分配系数较大、与固定相作用较强，因而在柱中停留时间长，较晚流出色谱柱的组分，这些组分在色谱图中出峰较晚。相反，男同学的行为模式则类似于分配系数较小、在柱中停留时间短、较早流出色谱柱的组分，这些组分在色谱图中出峰较早。通过这样具象化、生动化的类比讲解，可使学生结合生活经验，将色谱分离中复杂、晦涩的原理更好地进行吸收、理解，有利于其后续色谱分离相关知识点的学习。

又如，在光谱分析模块中介绍，原子吸收之父沃尔什发明的锐线光源完美解决了原子吸收的测量难题，使该分析方法得以推广应用。其中，关于锐线光源的峰值吸收代替连续光源的积分吸收的原理，学生在学习过程中通常较难直接理解。对于这一原理的讲解，教师可结合生活经验采用具象化的教学方式。采用连续光源时，可将原子吸收过程类比为一块蛋糕被蚊子叮咬一口，若想求出这块蛋糕被叮咬的部分占比多少，显然是难以测算的。这个例子就类似于连续光源中由于被吸收的部分占比太小，采用现有分光技术无法实现测量的情况。然而，采用锐线光源的峰值吸收系数替代以后，相当于将蛋糕切成极薄的薄片后再被蚊子叮咬一口，此情形中由于被叮咬的部分在被切后的蛋糕中占比显著提高，因而有望实现其测算。

（四）在线上线下混合式课程建设中强化过程考核

当前，线上线下混合式课程逐渐成为高校课程教学的新趋势。形式多样的多媒体技术构建的线上教学系统如超星学习通等，已被广泛地应用于开放式线上教学中。环境仪器分析课程涉及的章节内容繁多，且仪器原理之间的联系和差异容易引起学生对知识点的混淆。同时，受限于传统课堂的容量，在规定课时内教师通常只能遵循课程进度安排将课程章节内容连贯讲解，而难以将重难点进行反复、充分讲解，部分学生对课程相关知识点的理解存在一定困难。

一方面，通过线上线下混合式课程，可有效扩大课程容量，将学习过程由“被动低效”转化为“主动高效”。课题组基于线上教学平台中教学资源的优点和特色，结合自身教学实际，针对课程章节的具体内容选择重难点知识制作相应的视频课件，将仪器工作原理的重难点内容以短视频的方式在线上课程进行系统展示，有针对性地精讲知识点。采用这种形式，可以提高学生学习的主动性，使其根据自身在线下课堂中存在的问题，利用碎片化时间进行选择性学习、自主在线上课程系统中反复观看学习。这样可在保证学习时间的同时提高学生的学习兴趣，促进学生对课程知识点的吸收、理解和掌握[5]。另一方面，在线上线下混合式课程中可以进行更为灵活的教学设计，设置线上作业、在线答疑、在线互动讨论等多样化的教学环节。线上线下混合式课程还可以在线下授课的基础上，在线上对学生进行有针对性的教学辅导，解决学生学习的个性化问题。通过高效、多元化的线上线下混合课程的构建，可有效调动学生的学习积极性、提升课程教学效果[6]。教师根据在线互动讨论、答疑等环节的反馈结果，进行课程反思及改进。此外，在线上线下混合式课程中，基于学习播放记录、在线互动参与度等数据，通过合理分配考核成绩的权重，可有效支持课程评价中过程性考核成绩的科学性、客观性。

为提高课程教学及学生培养质量，课题组根据《深化新时代教育评价改革总体方案》《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》等有关文件精神，结合环境仪器分析课程特点，对课程考评方式进行优化，健全课程考核制度，客观、公正、准确地检验课程教学质量。课程考评方式优化过程中要注重知识考核与能力考核相结合、理论与实践相结合、过程性评价与结果性评价相结合。通常环境仪器分析课程考核主要采用“考试+平时成绩”模式，即以期末闭卷考试成绩为主、以章节作业成绩为辅来评定最终成绩，在当前线上线下融合的教学形式下有一定的局限性。针对课程的特点，可将课程考评分为偏重学生日常学习成果、形成持续性评价的过程性考核，以及偏重学生最终学习成果、形成总结性评价的结果性考核。两部分考核评分可分别依据课堂表现、章节测验、课程作业、随堂测试、课程报告、课程论文等过程性考核，以及笔试、口试或者网络考试等结果性考核来进行。通过过程性考核和结果性考核结合，特别是过程性考评比重的提升，全面发挥课程考核的检测、诊断、导向、评价、反馈等功能。

三、结语

在生态文明建设及新工科背景下，开展科学合理的环境仪器分析教学模式改革极为必要。本文融合在线课程与传统课堂教学，建设线上线下有机结合、模块化知识整合、授课形式丰富的多元化课程教学系统；将主线课程与新生研讨课、先修课程、实验课程紧密连接，形成贯穿学生学习环境污染问题的“发现—分析—解决”全流程的环境仪器分析课程体系。上述举措可有效提高学生的综合素质及思维能力，为培养新形势下的工程人才奠定坚实基础。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 谭峰，张新.生态文明新时代下环境监测实验教学改革[J].大学教育，2021（1）：69-71.

[2] 张彦琦，易东，伍亚舟，等.基于PBL教学模式的医学统计学理论教学案例设计[J].重庆医学，2016，45（11）：1574-1575.

[3] 郇庆治，李宏伟.生态文明建设十讲[M].北京：商务印书馆， 2014.

[4] 曾映旭，秦玉春，刘瑞娜，等.新工科背景下环境类仪器分析课程改革探索与教学效果分析[J].高教学刊，2021，7（S1）：126-129.

[5] 贾海浪，林丽霞.仪器分析线上线下混合式课程改革探讨[J].化学教育（中英文），2022，43（8）：32-37.

[6] 孙彩丽.以增强实践性为目的的《环境仪器分析》教学改革探讨[J].广东化工，2019，46（15）：227-228.

［责任编辑：刘凤华］