科研進展融入《大氣污染控制工程》教學初探*

祁志沖，馮彩霞，周艷梅，李德亮

(1 河南大學化學化工學院，河南 開封 475004；2河南省環(huán)境污染控制材料國際聯(lián)合實驗室，河南 開封 475004)

《大氣污染控制工程》是本科環(huán)境工程專業(yè)的主要課程之一[1]。該課程涉及的知識面很廣， 包含化學、數(shù)學、材料科學、物理學等多個學科的內容。現(xiàn)階段，大部分高校的環(huán)境工程專業(yè)中針對大氣污染控制教學使用的都是2010 年郝吉明、馬廣大、王書肖主編的《大氣污染控制工程》第三版教材。專業(yè)課教材本身具有一定滯后性的特點, 教材建設的速度遠遠跟不上科學研究的進展。隨著大氣污染控制領域前沿技術的發(fā)展和新型的大氣環(huán)境問題的出現(xiàn)，這種矛盾更加突出[2]。2018年10月教育部頒布了《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》。該文件指出要根據(jù)國家戰(zhàn)略的需要和科技發(fā)展的現(xiàn)狀創(chuàng)新教材呈現(xiàn)方式，更新教學內容，努力把新理論和新技術融合到教學中，為學生提供符合社會發(fā)展和時代要求的教學內容和課程體系[3]。這就要求任課教師在本科教學要主動引入相關課程中最新的研究進展。基于此，本文就《大氣污染控制工程》本科教學內容納入大氣相關的科學研究前沿進展的相關內容進探討。

1 科學研究前沿進展融入教學的必要性

環(huán)境科學已經成為現(xiàn)階段最活躍和最熱門的研究領域之一。同時環(huán)境科學也是一門典型的交叉學科，涉及到化學，數(shù)學，物理，生態(tài)等多個學科內容。任何一個領域的科技進步對環(huán)境科學都會產生很大的影響。而且隨著科技的發(fā)展，它含有的交叉專業(yè)領域正在擴大，理論和內容也在不斷更新，工程技術更是在不斷的提升。在環(huán)境科學如此迅速發(fā)展的背景下，如何讓學生不僅掌握基礎理論知識還同時對科學前沿有一定了解，需要任課老師將前沿知識融入到課堂。因此基于《大氣污染控制工程》這門課程的重要性，將前沿研究進展融入到本科教學勢在必行。

2 科學研究前沿進展的選取原則

現(xiàn)階段關于大氣方面的研究論文每年都會發(fā)表很多。但是考慮到課時限制、領域范圍、授課對象等多種因素，根據(jù)本人的教學經驗，認為應從研究領域、期刊來源和與課程內容的相關性等方面來進行選取。

2.1 研究領域

大氣科學包含的范圍非常廣泛，如大氣化學，大氣物理，氣象學等很多方面。針對本門課程，選取的研究領域應該重點放在與氣體污染物(如SO2和NOx)和顆粒態(tài)污染物(如PM2.5)的相關的新理論和新技術。譬如，在講述完第八章《硫氧化物污染控制》和第九章《固定源氮氧化物污染物控制》之后，給學生介紹了2016年發(fā)表在《Critical Reviews in Environmental Science and Technology》上一篇綜述：“Atmospheric new particle formation from sulfuric acid and amines in a Chinese megacity”[4]。通過該綜述講解，讓學生了解到廢氣中高濃度NOx和SO2的一些傳統(tǒng)的和新的去除技術(如射頻放電技術(radio-frequency discharge))。

2.2 期刊來源

將科學研究前沿進展融入《大氣污染控制工程》教學的一個前提就是對前沿研究的閱讀和掌握，因此期刊的來源很重要。一個基本的原則就是選取研究論文要來自于具有很高學術影響力的期刊，尤其是頂級期刊。比如《Nature》和《Science》及其子刊，環(huán)境領域最具影響力的期刊——《Environmental Science & Technology》，還有就是大氣科學領域的《Journal of Climate》、《Atmospheric Environment》和《Climatic Change》等業(yè)內比較認可的期刊。基于以上原則，我們重點選取以上期刊上發(fā)表的關于大氣污染物轉化和治理等方向的研究論文作為教學課程中的重要補充。同時選取期刊論文時“高被引論文”和“熱點論文”是需要重點關注的。另外一些普通期刊發(fā)表的綜述類的文章也需要適當?shù)年P注。比如，在介紹“臭氧層破壞問題”章節(jié)的時候，給學生介紹了Montzka 等人2018年發(fā)表在《Nature》上的論文“An unexpected and persistent increase in global emissions of ozone-depleting CFC-11”[5]，讓學生了解到2010年之后在北半球尤其是東亞地區(qū)氟利昂的排放又產生了增加的趨勢，遏制臭氧層空洞的趨勢依然很嚴峻，增強了學生的環(huán)境危機意識。

2.3 與課程內容的相關性

筆者認為“與課程內容的相關性”包含兩個方面：(1)緊扣課程內容的前沿進展，通過相關進展的講述使學生對科學問題有了更深層地的理解。比如在講述“溫室效應”章節(jié)的時候，介紹了中科院南土所朱春梧教授2018年發(fā)表在《Science Advances》上的研究成果“Carbon dioxide (CO2) levels this century will alter the protein, micronutrients, and vitamin content of rice grains with potential health consequences for the poorest rice-dependent countries”[6]，通過簡單的介紹讓同學們了解到大氣中CO2的升高引起了全球氣候的變化，進而降低稻米中蛋白質、鋅、鐵等營養(yǎng)物質含量，從而有引發(fā)潛在的“ 隱形饑餓” 危機的風險。(2)選取的研究內容對現(xiàn)有課程內容可以作為一種有效的擴充。通過這方面的進展的補充，讓學生對大氣污染控制等方面有了更為全面的認識。比如教材中介紹大氣污染物是著重介紹了SO2、NOx和VOCs等較為傳統(tǒng)的污染物，但是對一些新興污染物的沒有提及。針對這方面的不足，我們授課時選取了2017年發(fā)表在《Science of the Total Environment》上一篇綜述“Review on characteristics of PAHs in atmosphere, anthropogenic sources and control technologies”[7]，介紹了大氣中多環(huán)芳烴(PAHs)的來源、特征和危害等方面的內容。擴充了同學們對環(huán)境污染物的認識。

3 科學研究前沿進展融入教學的方式

3.1 教師導入

教師是學生學習的指導者，現(xiàn)階段我國高校的教學仍然是以教師為主體進行講述。在這種情況下，任課老師需要采用合理方式將科學研究前沿進展比較“巧妙”的融入教學中。比如筆者所在的學校在我國的北方地區(qū)，冬季霧霾問題比較嚴重。但是教材中涉及到的霧霾的知識點很少。2018年3月4日在我國內蒙古-陜西北部-京津冀地區(qū)發(fā)生一次很嚴重的沙塵天氣。所以筆者在那次課堂上結合相關的數(shù)據(jù)和圖表給學生著重介紹了南開大學馮銀廠教授對這次事件的詳細解讀。讓同學們對沙塵產生的原因、來源、運輸中的影響因素和影響等方面有了一個全面的了解。

3.2 學生講解

傳統(tǒng)的教學是以教師講解為主要的方式，這種情況下，學生只能被動接受老師講述的知識，不利于激發(fā)學生的學習主動性。目前，翻轉課堂和小班討論式教學等以學生為主體的教學方法受到了廣泛的關注和應用[8]。我們嘗試將這種方式運用到《大氣污染控制工程》本科教學中。比如學生分為若干小組，任課老師給每個小組安排一個課題(如SO2的最新處理技術；NOx在大氣中的遷移轉化行為；我國華北地區(qū)霧霾產生的來源和影響等)，讓學生自己去查詢最新的研究進展并制作成課件，在課堂上安排15分鐘讓學生自己講述，然后再用5分鐘的時間讓其他學生提問討論。這樣不僅讓每個學生都參與到課堂之中，同時也讓他們了解到了科研的最新動態(tài)。

3.3 互動式教學

在給學生講解最新的科研動態(tài)時，要經常提出科學問題讓學生進行思考和回答。同時也要主動要求學生向老師提出自己的想法，任課老師進行詳細的解答。這種互動式的教學方式更能讓學生參與到科學問題中來，鍛煉了他們的科學思維能力。比如在講到第五章《顆粒污染物控制技術基礎》時，有學生提到大氣顆粒物中主要成分這個問題時，筆者就將2018年復旦大學王琳教授課題組發(fā)表在《Science》上的研究成果——“Atmospheric New Particle Formation from Sulfuric Acid and Amines in a Chinese Megacity”[9]進行了簡單的講述，讓同學知道大氣顆粒物的成分很復雜，而且形成過程的機理也是其中的研究難點和熱點。

4 科學研究前沿進展融入教學的意義

4.1 對“以科研促教學，以教學帶科研”的實踐

“以科研促教學，以教學帶科研”的理念已經得到很多高校老師的認同。教學與科研是相互促進和相互提高的。筆者認為，其中的“科研”不僅僅包含任課老師自己的研究方向，更多是課程的研究進展。把所任課程中的最新研究進展融入到教學中，本身就能對教學的提高有很大的促進作用。在給學生教授前沿進展的同時，任課老師自己也能獲得最新的研究熱點，提高自己的科研素養(yǎng)。

4.2 活躍了課堂氛圍

相對于教材中枯燥的理論知識和計算公式，科研進展的融入更能吸引學生們的注意力。讓學生自己通過查閱文獻來了解本領域的研究熱點，增強了學生們學習的主動性。同時學生在講述研究進展的期間，同門們也會積極提出問題進行討論。

4.3 提高學生的科研興趣

“考研熱”的背后更多的是學生的盲從，很多本科生也是為考研而考研。通過把大氣相關領域前沿進展融入到《大氣污染控制工程》課程，讓學生對科研的內容、形式、過程等有一個初步的認知。在豐富理論課內容的同時，提高了同學們對科研的興趣。另外對英文文獻的閱讀和理解也提高學生的專業(yè)英語能力。這些都為以后學生進一步深造奠定了一定的基礎。

5 結 語

將科學研究前沿進展融入《大氣污染控制工程》本科教學具有重要現(xiàn)實意義。一方面使學生了解到更多的學科前沿知識；培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新性思維；激發(fā)了學生的科研興趣。另外一方面加強了學生對教材中的理論知識的認知；擴充了他們的知識面。另外需要注意的是這種教學方式給任課老師也帶來了較大的挑戰(zhàn)，需要一直跟蹤研究熱點和前沿。加強自己的知識儲備，做到把本領域最新的研究成果進行歸納整理，隨時回答學生提出的科學問題。同時如何將研究前沿以一種有效的、合理的和輕松的方式融入到教學中也是值得思索的問題。總之，聯(lián)系研究前沿完善《大氣污染控制工程》教學內容，建立一種符合新時代需求的教學方法，提高教學質量，提升教學水平，培養(yǎng)學生學習興趣，值得深入探索。