環境類專業實驗教學改革與探索

陳　雯, 徐建強

(南京信息工程大學 環境科學與工程學院, 江蘇 南京　210044)

?

環境類專業實驗教學改革與探索

陳雯, 徐建強

(南京信息工程大學 環境科學與工程學院, 江蘇 南京210044)

著眼于本科院校環境類專業實驗課程教學現狀,對實驗教學方案、實驗教學過程進行改革探索,提出了“三會一熟悉”的教學要求,并將這一要求貫穿于課前講解、課中考查和課后評價整個教學過程,取得了比較好的教學效果。

環境類專業； 實驗教學； 改革與探索

根據中國教育在線統計數據,截至2013年,全國共有近300所本科院校設有工科專業環境工程專業,其中只有60多所院校隸屬于“211工程”重點建設院校,近80%的院校屬于地方本科院校[1]。隨著社會對環境保護問題的日益重視,對環境類專業學生的理論知識和實踐能力要求也越來越高。多所高校進行了一系列實驗教學改革工作,例如：結合實驗室儀器設備的條件和實驗教學的特點開展設計性實驗、綜合性實驗的教學實踐探索[2-4],根據卓越工程師培養目標的要求對實驗教學體系構建進行改革和研究[5-6],結合不同專業的特色進行實驗教學體系改革[7],探索不同的實驗教學模式鍛煉和提高學生的綜合能力[8-12],以及從教學內容、教學方法和考核評價體系等方面進行改革探索[13-15],都取得了一定的成效。

我校環境科學與工程學院設置的環境類專業有環境科學、環境工程、大氣環境和給水排水工程等專業,基本上都設置了“分析化學實驗”、“儀器分析實驗”和“環境監測實驗”等定量分析實驗課程。在10多年的實驗課程建設過程中,提出了“三會一熟悉”的教學要求,并將這一要求應用于實驗教學內容的選擇、實驗指導材料的編寫、實驗課程的講解以及實驗課程的考核等諸多教學環節。

1　實驗教學普遍存在的問題

1.1實驗教材問題

目前實驗教材基本上都是按照實驗目的、實驗原理、儀器和試劑、實驗內容以及思考題這5部分來組織編寫。其中實驗原理和實驗內容都為大段的、詳細的文字描述,學生看了之后覺得索然無味,根本提不起預習和學習興趣,許多學生認為只要按照書上步驟就可以完成實驗,致使學生實驗效率低下,實驗效果達不到預期目標。

1.2實驗準備問題

目前實驗準備中的儀器選擇和試劑配制基本上無需學生參與,由實驗課程任課教師或實驗員事先準備好,處于包辦狀態。致使學生對實驗缺少主動思考過程,同時增強了學生對教師的依賴。

在實驗教學過程中以及和學生接觸過程中,發現并了解到有些學生連實驗室常用儀器都說不上名稱,進入畢業論文實驗期間還出現了無法順利說出需借用儀器的正確名稱[16],甚至有學生向實驗室工作人員申領1∶1HCl溶液的奇怪現象。

1.3實驗課程的考核問題

目前實驗課程成績大多根據實驗報告和出勤等進行判分,少數學生則有意識地將精力投注在實驗報告書寫上,不重視實驗操作和實驗技能的提高,實驗結束之后編造數據,甚至出現投機取巧抄襲他人實驗數據的現象。即使再增加卷面考試環節,也大多只出現一些較為簡單的實驗原理、簡單實驗操作方面的題目,不能客觀公正地評價學生的實驗技能。

因實驗教學各環節存在的問題以及相互影響和協同作用,使學生對于實驗課的積極主動性不高,在本科學習階段結束時,對于實驗課上所做的實驗項目能說出一二的并不多,能留下深刻印象的就更是微乎其微了,這就對學生走上工作崗位快速完成角色轉換造成了某種程度上的困難。

2　“三會一熟悉”實驗教學要求的確立

針對以上實驗教學普遍存在的問題,我校實驗指導教師結合我校環境類專業實驗教學實際情況,提出了“三會一熟悉”的實驗教學要求,即“會配制試劑、會選擇儀器、會進行計算和熟悉相關儀器設備”。“會配試劑”，要求學生了解實驗中所涉及試劑的2種配制方法；“會選擇儀器”，要求學生弄清實驗準備階段以及實驗過程中有關儀器的正確選擇；“會進行計算”，包括實驗準備階段的計算以及實驗結束后的數據處理；“一熟悉”，要求學生掌握相關儀器設備的用途、基本結構和定性定量分析方法。“三會一熟悉”就是通過學生課前預習、教師講解和學生實驗,使學生參與實驗教學全過程。

3　實驗教學改革

我校對環境科學與工程學院開設的多門實驗課程進行了改革、探索與實踐。在此以“環境監測實驗”課程為例,闡述探索過程和實踐經驗。

3.1實驗指導資料形式內容創新

環境監測實驗項目大多為一些定量分析實驗,這些實驗項目都有國家標準或相應的實驗教材。首先根據本校各專業實際情況,對實驗項目進行有效選擇,確定實驗項目后,從社會效益、經濟效益和時間效益最大化出發編寫實驗指導材料,遵循的原則是：減少對環境有害的實驗,花費少量經費做好實驗,選擇既節省學生時間又可以達到培養目標的實驗內容。

在編寫實驗指導資料時,充分利用專業背景知識,在理解實驗原理的基礎上,將國家標準或實驗教材中的內容轉化成表格或流程圖的形式,一目了然,便于學生去理解實驗過程,了解和掌握實驗原理。例如 “水體化學需氧量(COD)的測定(重鉻酸鉀法)”這一實驗項目,現有教材一般截取國家標準GB/T11914中的相關內容進行編寫。表1是我校教師編寫的實驗過程,采取表格形式,將復雜步驟簡單明了地展現。

表1　化學需氧量測定實驗過程

3.2實驗講解內容創新

3.2.1實驗課程體系完善化,技能培養更全面

實驗課程啟動之后,都有一堂實驗預備知識課,課上向學生介紹環境監測實驗課程目的、實驗程序、實驗預備知識、環境監測相關實驗技術。突出強調環境監測實驗課程目的是驗證環境監測基本原理,鞏固、加深和拓展理論知識,掌握實驗的基本技能和基本操作,培養分析問題和解決問題的能力,提出達到“三會一熟悉”的教學理念,激發學生學習興趣。

實驗預備知識內容包括環境監測的定義、分類、方法、環境樣品濃度表示方法以及環境監測相關實驗技術。主要包括體積測量儀器、稱量儀器、酸度計、紫外-可見分光光度計、氣相色譜儀和液相色譜儀、樣品采集制備與預處理的簡要介紹,重點介紹數據記錄與處理、試劑配制(體積測量/控制儀器和稱量儀器選擇問題)。

第一堂課程結束時,根據學生的知識背景并結合課堂內容,給學生布置一道思考題,如分光光度法測定生活飲用水中鐵含量的相關實驗,要求學生回答有關問題或完成相關任務,內容涉及到原理問題、某種試劑配制流程(包括方法、需使用的稱量儀器和體積控制儀器)、試劑使用目的、配制過程中的計算、標準曲線制作和使用。通過書面的形式從準備到結果計算完成一次實驗,以便了解學生的狀況,為有針對性地組織教學做好準備。

3.2.2實驗項目講解內容合理化,學生受益最大化

合理確定實驗項目是達成實驗課程預期目標和完成預期效果的首要環節,而實驗教學過程則是至關重要的一步。

開始實驗之前,用45min左右的時間講解實驗原理和實驗內容(實驗步驟),堅持和貫徹實施“學生參與全過程”理念。仍以“水體化學需氧量(COD)的測定(重鉻酸鉀法)”這一實驗項目為例,首先講解什么是化學需氧量,強調化學需氧量的3方面含義；然后仔細講解實驗內容。講解過程并非是單純梳理實驗步驟,而是穿插一些實驗必備知識以及實驗意識培養,如過量重鉻酸鉀和沸石的作用、硫酸-硫酸銀溶液的配制及2種試劑的作用、試亞鐵靈指示液的作用、硫酸亞鐵銨標準溶液滴定過程中顏色的變化和原因；最后向學生解釋實驗定量原理,推導重鉻酸鉀法的COD計算過程。這種講解使學生不僅僅按部就班、照方抓藥地完成實驗,而是對實驗內容真正理解、掌握、分析和拓展。

實驗試劑雖然不需要學生親自配制,但是需要通過講解、啟發、引導,使學生明白試劑配制過程、需要使用什么量具等。另外，實驗裝置也不會在實驗之前準備好,而是著重說明實驗裝置搭建過程,特別強調了安全穩妥和美觀大方的要求,并隨時提問所用儀器、配件名稱,讓學生回顧以前的實驗知識,同時也增強學生的動手能力。

4　實驗課程考核創新

實驗課程考核由平時實驗操作(依據原始數據)、實驗報告和期末書面考試成績3部分組成,其中實驗操作占20%、實驗報告占20%、期末書面考試占60%。書面考試在課程考核中比重的加大可以激發學生平時實驗的積極性、主動性,同時也對書面考試試卷的命題提出了更高的要求。為此我們首先確立了命題的指導思想,即平時實驗中強調的“三會一熟悉”思想,然后確定命題內容,要求選擇一些學生雖未做過但可以運用已有實驗知識完成的實驗材料。下面以一份某專業期末考試試卷題型為例來說明實驗考核內容創新之處。

4.1明確考核要求

提出考核要求：以下是GB13580.6—92“大氣降水中硫酸鹽測定——鉻酸鋇二苯碳酰二肼光度法”的有關原理和方法,利用實驗室可提供的試劑(所有試劑皆為分析純)和儀器,選擇最合理的方案(包括儀器選擇、試劑配制、操作步驟等),尋找最合理的答案,完成下列任務或回答有關問題。同時試卷中列出可提供學生選擇的試劑(12種)和儀器(15種)。

4.2實驗原理介紹

針對實驗原理設計了以下任務：要求寫出硫酸根離子與鉻酸鋇的交換反應,并就交換反應說明硫酸鋇與鉻酸鋇溶解度大小的關系。

針對分光光度法的原理提出了如下問題：若標準曲線超過線性范圍出現向下偏轉情況,未知溶液濃度測定結果將產生正誤差還是負誤差？

4.3試劑準備

傳統的學生實驗都是由實驗室實驗人員來完成準備工作,為了考查學生的實驗技能,試卷中針對實驗中用到的試劑設計了以下8項任務：

(3) 試卷中設計了制備鉻酸鋇的實驗流程,要求學生寫出有關的制備反應并計算理論產量；

(4) 要求寫出鉻酸鋇制備中所用6mol·L-1氨水溶液的配制流程并指出所用儀器名稱；

(5) 要求確定鉻酸鋇懸浮液的制備流程中所使用的儀器名稱；

(6) 要求確定氨-氯化鈣溶液的制備流程中所使用的儀器名稱；

(7) 要求寫出2mol·L-1鹽酸溶液的配制流程并指出所用儀器名稱；

(8) 要求寫出5g·L-1二苯碳酰二肼酒精溶液的配制流程并指出所用儀器名稱。

4.4實驗內容

4.4.1標準曲線的繪制

試卷以表格的形式呈現分光光度法中標準曲線的制作過程(見表2),針對標準曲線法的原理設計了以下任務：

針對表1中的1號溶液,要求學生給出溶液的名稱及配制該溶液的目的。

表2　標準曲線的制作(樣卷)

4.4.2大氣降水樣品分析

試卷設計了大氣降水樣品分析的流程：

針對這一流程要求學生完成如下2項任務：第一,要求學生填寫該試驗流程中步驟①②③④中所使用的體積測量儀器名稱；第二,要求學生水樣計算水樣中硫酸根離子的含量。

試卷中要求學生回答：分光光度法實驗中,在完成標準曲線的測定后,強調在同等條件下測定試樣的吸光度,其中“同等條件”的含義是什么。

總之,通過設計一系列的任務和問題,可以比較全面地考查學生的實驗技能以及相關知識的掌握情況,也為今后教師在進行實驗教學時有針對性地組織教學提供參考。這種通過筆試的形式來完成一次實驗,不僅減少了實驗操作考試所帶來的教學成本,也體現了課程考核的公平性。

5　改革效果

在每一門實驗課程結束之后都向學生布置撰寫實驗總結的任務,讓學生梳理實驗課程的收獲、感受并提出意見、建議等。可以從這些意見和建議中感受到“三會一熟悉”教學改革產生的效果。

我院組織學生參加每2年舉辦一次的江蘇省大學生化學化工實驗競賽,參賽者獲得優異成績,每次競賽都有學生獲得二、三等獎。為了進一步提高學生對化學類課程的學習興趣,培養學生在化學實驗中的動手能力,提高大學生分析解決問題的能力,培養大學生的實踐能力、創新精神、團隊合作精神,我院已經成功承辦了4屆學校化學實驗技能大賽。我院各專業學生積極申報各級大學生實踐創新訓練項目,近幾年來獲得國家級大學生實踐創新訓練項目10余項、省級大學生實踐創新訓練項目30余項、校級大學生實踐創新訓練項目20余項。

6　結語

我校進行的環境類專業“三會一熟悉”實驗教學改革優化了實踐教學內容,強化了實踐教學。注重學生綜合能力的培養,著重培養學生實驗操作和數據處理技能,夯實學生基本操作技能和水平,增強學生的應用能力,全面提高學生的綜合素質,力求滿足學生實踐能力發展需要,趨近“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質”的人才培養要求。

References)

[1] 朱延美,王仁亮,張慶樂,等.應用型環境工程本科環境監測綜合實驗教學改革探討[J].中國電力教育,2014(6):129-130.

[2] 劉艷,魏洽.環境工程專業綜合性設計性實驗教學的改革與實踐[J].實驗技術與管理,2007,24(11):131-133.

[3] 嵇雅穎,蔣曉鳳,盛梅.環境工程專業實驗改革與實踐[J].化工高等教育,2009(6):53-56.

[4] 周洪英,陳文賓,賈海紅,等.環境監測設計性實驗教學改革研究[J].甘肅科技,2010,26(22):184-185.

[5] 牛顯春,周建敏,陳梅芹,等.卓越工程師培養下的環境監測實踐教學研究[J].廣東化工,2011,38(8):183-184.

[6] 魏祥東,鄒慧玲,鐵柏清,等.基于卓越計劃的新型實驗實踐教學體系構建[J].教育與教學研究,2014,28(12):74-77,100.

[7] 章穎.化工與環境類專業實驗教學體系建設研究[J].實驗室科學,2013,16(6):87-90.

[8] 毛旭輝,胡將軍,劉惠龍,等.環境工程專業的“探究式”創新實驗教學[J].科教文匯:上旬刊,2013(1):76-77.

[9] 王書敏,鄭士遠,于洪衛,等.環境工程專業模型嵌入式實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理,2015,32(4):200-203.

[10] 周際海.環境工程專業實驗教學的改革與創新[J].安徽農業科學,2013,41(14):6545-6547.

[11] 柏彥超,單玉華,趙海濤,等.基于環境科學類專業研究性實驗教學平臺的研究性實驗教學模式初探[J].教育教學論壇 ,2014(51):138-139.

[12] 雷靈琰,王麗萍,王立章,等.環境專業“多層次遞進式”實驗教學模式構建[J].煤炭高等教育,2014,32(4):122-125.

[13] 曾楚杰.地方本科院校儀器分析實驗教學改革與探討[J].玉林師范學院學報,2013(5):49-51.

[14] 賈昌梅,盧誠,牛顯春,等.環境工程專業實驗教學對學生考評方式的創新[J].廣東化工,2014,41(2):137-138.

[15] 關共湊,廖麗萍,韋華,等.優化實驗教學,培養環境工程專業應用型人才[J].實驗科學與技術,2013,11(2):137-140.

[16] 高俊,徐建強,郭彥.分析化學實驗教學的考核方法探索[J].廣州化工,2012,39(9):199-200.

Reformandexplorationofexperimentalteachingforenvironmentalprotectionspecialties

ChenWen,XuJianqiang

(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China)

Aimingattheexistingexperimentalteachingsituationoftheenvironmentalprotectionspecialtiesfromundergraduatecolleges,thereformandexplorationarecarriedoutontheexperimentalteachingplanandprocess.The“Threeskillsandonefamiliarization”ideaisclearlyputforward,andtheconceptispenetratedintotheentireprocessincludingtheexplanationbeforetheexperiment,theinspectionintheexperimentandtheevaluationaftertheexperiment.

environmentalprotectionspecialty;experimentalteaching;reformandexploration

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.052

2015- 10- 13修改日期：2015- 12- 25

江蘇省“十二五”高等學校重點專業類環境科學與工程類建設項目(蘇教高[2012]23號-167)

陳雯(1973—),女,四川彭州,碩士,助理研究員,主要從事環境工程、教學高等教育管理.

E-mail：chenchen1973@163.com

G642.0

B

1002-4956(2016)5- 0197- 04