新工科背景下环境专业创新人才培养模式探索——以“水分析化学”为例

龚建宇

(华中科技大学环境科学与工程学院，武汉 430074)

新工科立足于产业发展与经济发展[1]，其内涵是以立德树人为主旨，以新兴产业发展需求为导向，以传承与革新、交叉与融合、开放与交流为建设途径，培养兼具专业知识与家国情怀的创新工程人才[2]。因而新工科为高校工科专业教育改革指明了新方向，致力于提升人才培养水平以达到行业发展需求[3-4]。其中，环境类工科专业人才培养需以能力培养为导向，重视其解决实际问题的工程实践能力、开发新技术的创新能力以及家国情怀培养[5]。本文以“水分析化学”课程教学为例，针对目前存在的传统工科教学模式无法很好地满足新工科背景下人才培养需求的问题，通过对实验课程改革，探索开拓新工科发展背景下的新型教学模式。

1 “水分析化学”课程实践改革的背景与意义

1.1 “水分析化学”课程概述

“水分析化学”课程是环境科学与给排水本科专业教学中的一门专业核心基础课，主要分为理论课与综合实验课两部分，分别有40和32个学时。其中，实验课程是在理论教学的基础上进一步延伸与拓展，通过实验实践引导学生由浅入深，理解水的化学性质和组成成分，掌握水的采样、处理和分析方法，熟悉水中常见的无机和有机污染物的检测方法，理解水质检测标准和水处理技术，培养其实验操作能力和数据分析能力，增强环境保护意识和社会责任感。

目前笔者教学使用的是笔者所在学院专业教师团队联合主编的普通高等教育“十三五”规划教材《水质分析化学(第3版)》，华中科技大学出版社出版，该教材是在第1版与第2版的基础上进行了进一步的改进与完善，教材修订内容紧跟化学专业领域发展前沿，关注水质安全与环境健康等相关社会热点，结合化学原理实际应用场景案例，推动了绿色发展背景下的生态文明课程思政改革。

1.2 “水分析化学”课程教学存在的问题

由于课程本身难度较大，涉及知识面极为广泛，导致水分析化学课程在教学过程中面临诸多问题。1)考核侧重于理论。授课内容中包含大量专业相关理论及推导公式，计算量大且计算过程复杂，以考试为单一考核方式的传统教学模式仅能对学生的理论知识掌握情况做出评价，却不能同时对学生的实践操作能力进行考核。2)学生缺乏主动性。学生在学习过程中往往将通过考试作为学习目的，缺乏对专业知识重要性以及对课程学习目标的正确认识，故而以对理论知识的记忆为学习重点，而忽略了对专业知识的深入理解与灵活运用，以及在实验实践过程的独立思考能力培养[6]。3)教学内容与实际联系不足。传统的环境专业教育与环保行业激增的发展需求之间存在较大差距，目前环境创新人才工程实践能力的培养水平与环保行业的发展水平并不相符。

1.3 “水分析化学”课程实践改革措施

为改变传统教学模式下实践教学多局限于课本的窘境，提出通过以能力培养为目的的课程实践教学模式改革(图1)，加强学生自主创新能力培养，提高理论教学成果应用于工程实践的可行性，促进专业教育与行业发展步调一致。1)公式推导，追根溯源：在教学过程前期，对实验原理涉及的相关专业公式进行示范性推导，注重知识点的溯源与延伸，为学生搭建系统化的知识框架；2)应用拓展，内化原理：避免实验教学方式局限于单向输出，培养学生理论联系实际、独立分析问题和解决问题的能力，实现对专业知识的灵活运用[7]；3)案例分析，价值塑造：实验教学摆脱“教材”束缚，与实际应用案例相结合，加强学生实践创新能力培养，迎合生态文明建设总需求，树立绿色发展的系统观与生态观，为建设美丽中国培养一批兼具工程实践创新能力与家国情怀的环境创新人才[8]。从而实现知识传授、能力培养、思政引领的三维度育人目标，为新工科人才培养夯实化学专业基础。

图1 水分析化学课程实践改革

2 “水分析化学”课程实践改革实例

2.1 草酸分子量测定实验设计

为避免传统实验教学中单一的“照本宣科”式授课方式，提出让学生自主设计实验并实操验证的新型教学模式。基于理论课程的教学进度，同时为满足工程实践中常见的未知物质分子量测定的需要，“草酸分子量测定实验设计”课程既能帮助学生对前期理论课和实验课学习的知识点进一步巩固加强，又能更加灵活地评估学生的知识掌握情况以及独立思考能力。该设计实验要求同学们自行设法求得某未知物质(草酸)的相对分子质量。需要依据所学的课程知识进行方案比选，再在满足最小误差要求的基础上计算所需的溶质质量、溶液体积，并进行合规操作，最终求得物质的分子量。“草酸分子量测定实验设计”思维导图如图2所示。

图2 草酸分子量测定实验设计思维导图

在方法比选阶段，要求学生对可行的多种实验方案进行比选，从实验原理到实验操作等多方面进行优劣比较，考察学生对相关专业知识的整体把握，以及是否具备独立分析问题和解决问题的能力。理论上可用于测定草酸分子量的实验方案包括络合滴定、氧化还原滴定、酸碱滴定等。其中，络合滴定实验设计相对复杂，原因在于无法直接测定草酸分子量，必须先得到草酸钙沉淀，再在强酸环境中用高锰酸盐溶解，再返滴定剩余的高锰酸盐而最终得到草酸分子量。可见，过程太多容易造成更大的误差，不能采用。氧化还原滴定则需要外加热源和催化剂从而促使反应快速进行，实验操作繁琐，也不易采用。酸碱滴定相关原理简单易理解，实验操作同样简便易行，但学生们需要首先判断草酸分子中的两个氢质子是否能被同时滴定，然后再计算得到每个过程滴定终点的溶液pH值，依次选择合适的指示剂，均需要给出确切的计算过程，继而开展实验。

在实验设计阶段，要求学生对于实验方案中包括仪器选择、器皿准备、步骤设计、数据处理以及结果验收等环节进行宏观把控，考察其是否具备将理论知识应用于解决实际问题的专业能力，同时还需从此前的实验课程中总结经验，对实验方案进行合理设计与不断优化。

在实践考核阶段，首先需由教师对学生的实验方案设计进行评价，判断是否可行并对不足之处给出完善建议。教师还需在学生实验操作过程中进行全程指导建议，督促学生规范操作，确保实验室安全。最后对实验结果进行验收评价，鼓励学生积极思考实验设计与实践操作过程中存在的问题与解决方法。

2.2 金属离子共存下的络合滴定实验设计

从工程应用案例出发，络合滴定法常被用于含杂质金属矿石中目标金属的定量测定，结合实际需求，设置“金属离子共存下的络合滴定实验设计”课程教学，培养学生的工程实践能力，加强专业教育与行业发展的联系，提升学生的自主创新能力，推动环境创新人才培养满足建设美丽中国重大使命的需求，全力培养环境领域高层次复合型拔尖人才。“金属离子共存下的络合滴定实验设计”思维导图如图3所示。

图3 多金属离子共存下的络合滴定实验设计思维导图

本实验设计课程针对现实工业废水中往往同时存在多种复杂重金属离子的情况，以Pb2+、Bi3+离子共存为例，要求学生运用络合滴定的相关知识，合理设计实验，以实现分步测定溶液中不同重金属离子浓度为实验目的。设计的目的在于帮助同学们更好地理解络合体系中副反应的影响因素，巧妙利用酸度对不同金属离子平衡常数的影响程度实现分步滴定。

首先针对Bi3+、Pb2+离子共存情况，根据两种离子的平衡常数差值判断能否被分别滴定，其中，lgKpbY=18.04，lgKBiY=27.94，ΔlgK≥6，Pb2+的存在不影响Bi3+滴定。由Bi3+、Pb2+离子浓度与平衡常数计算确定滴定酸度范围，其中Bi3+滴定酸度范围为pH=0.3～4.5，Pb2+滴定酸度范围为pH=3.1～7.38，为排除Pb2+影响，确定最终滴定范围pH=0.3～3.1。

Bi3+滴定：选择HNO3作为缓冲液，调pH=1.0～2.0，此时Pb2+的存在不影响Bi3+滴定。以XO作为指示剂，EDTA为络合剂，溶液颜色从红色滴至亮黄色。

Pb2+滴定：加入足量六次甲基四胺，使Pb2+与XO显稳定的红色，再过量 5 mL，然后再用 0.2 mol/L EDTA滴定至亮黄色。

评估考核仍可分为三个部分，教师首先需对学生的实验设计进行可行性评估，并给出完善意见，然后全程监督考察学生的实践操作是否规范，最后验收是否达到两种金属离子分步滴定的实验目的，并结合工程实际需求进一步讲解实验方法与现行工艺存在的差距。

3 结论

以上两个具体案例是对“水分析化学”课程的教学模式的一次创新式改革，将专业教学与实际案例相结合，鼓励学生灵活运用课程专业知识，培养其独立分析问题和解决问题以及实践创新能力，贯彻知识传授、能力培养、思政引领的三维度育人目标导向的授课理念，推动环境专业人才教育与生态文明建设总需求更加契合。同时是新工科发展背景下，对以能力培养及行业实际需求为导向的创新型人才培养模式的一次深入探索，更好地为相关行业发展与国家建设需求培养兼具扎实理论知识与创新实践能力的创新型人才。