海洋資源化學教學內容和方法的探索*

胡耀強，陳法錦

(廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東 湛江 524088)

隨著人類社會的發展，人們對于生活幸福感的追求需要建立在對各類資源需求的基礎之上，使得人們對于“資源”二字本能的具有濃厚的興趣。人口日益增長，隨著大規模的持續的開采，陸地上不可再生的自然資源變的日益匱乏。海洋占了地球表面積的70.8%，其中多種礦產資源、生物資源、水及可溶鹽資源的儲量遠大于陸地上的儲量，對其有效的開發可緩解人類對資源需求的壓力。我國人口絕對數量多，大多數礦產資源的人均占有量不到世界平均水平的一半，十八大提出了海洋強國戰略，急需向海洋要資源。因此，研究海洋資源的開發對我國經濟社會的發展具有深遠的現實意義，這其中就涉及到較多的化學問題。

“資源”一詞自帶的吸引力使本門課程從名字上便讓學生產生較為濃厚的興趣，海水中溶解的5億億噸的無機鹽是食鹽的重要來源之一，麒麟菜等海藻提取的多糖-瓊脂是奶茶、布丁等食品的重要添加劑，我國深海科考在南海海底發現錳結核，我國在南海神狐海域可燃冰試驗性試采成功等等，這些理論知識與現實生活、科技進展緊密結合，使本課程的開設具有極高的現實意義和科學意義。海水鹽資源、生物資源、礦產資源在開發利用過程中面臨諸多的化學問題。

本校是一所以海洋和水產為特色、多學科協調發展的綜合性大學，所開設的海洋化學專業在編寫培養方案之初便將海洋資源化學定位為專業核心課程。海洋化學是研究海洋各部分的化學組成、物質分布、化學性質和化學過程，并研究海洋化學資源在開發利用中所涉及的化學問題的科學[1]，意味著海洋資源化學是海洋化學的一個重要組成部分。《海洋資源化學》這門課程有別于海洋資源概論，概論主要從物質資源和能量資源兩大方面講述，例如辛仁臣等人編著的《海洋資源》一書中從海洋生態學的角度介紹了海洋生物資源，以海水淡化為主講述了海洋水及水化學資源的技術現狀，按照礦產種類分別從成因、分布、開采的角度講述了濱海砂礦、海底熱液礦、多金屬結核等海底固體礦產資源的開發現狀，在海洋油氣資源中介紹了海底天然氣、石油、可燃冰的成因、分布和開采問題，同時書中還用大約1/4的篇幅介紹了海洋能資源、空間資源和旅游資源的開發[2]。而《海洋資源化學》重點關注海洋物質資源，是研究從海洋水體、海洋生物體和海洋沉積層中開發利用化學資源中的化學問題的學科。海洋資源與海洋資源化學的涵蓋范圍與側重點均不相同，相對而言，《海洋資源》涵蓋范圍更廣，海洋資源化學需專注于海洋物質資源在開發利用過程中的化學問題，海洋資源中的海洋能資源、空間資源和旅游資源不是資源化學的重點展開內容。本專業隸屬于海洋科學系，學科方向有別于化工與材料專業，本課程將內容定位在資源的成因、分布和開采等方面，而不引入資源的后續利用工藝等。

1 教材的貼合度

教材是系統展示較為成熟的理論成果，版本更迭慢、最新研究進展的引入節奏慢是專業教材較為普遍的特性[3]。市售的教材僅有1991年孫玉善編著的《海洋資源化學》與課程名稱完全對應，出版時間較早，已是將近三十年前的教材，缺少新的科技進展。目前與海洋資源化學匹配度高的教材不較少，其它相關教材主要有辛仁臣等編著的《海洋資源》、陳寧編著的《海洋藥物資源開發與利用》、阮國嶺等編著的《海水資源綜合利用裝備與材料》、許加超編著的《海藻化學與工藝學》等。這些教材的部分章節內容不能較好的契合課程要求，將這些教材中的章節內容進行篩選整合，可在一定程度上提升資源介紹的廣度和深度。海洋科學專業快速發展，海洋資源開發領域穩步推進，但部分海洋資源的開發尚不成熟，且行業科技進展多見諸于文獻報道中，還需以文獻資源為輔。

2 課程教學內容安排

隨著科學與技術發展進程的推進，各學科領域持續的探索研究，學科分支越來越細且多樣化，多學科交叉成為現代科學研究的重要特征之一，也是許多課程具有的特征[4]。海洋物質資源在開發過程中也普遍存在多學科交叉融合的特征，一種海洋物質資源的開發是系統性工程。首先，海洋中水資源及其中可溶鹽受海洋環流等多種形式的海水混合過程的影響，在整個大洋中分布較為均勻，從資源分離提取的角度分析，需研究其在海水中的存在形態、濃度和富集規律，研究其分布規律的意義相對較小，此過程涉及儀器分析、純化與分離、材料合成等分支學科。其次，海底礦產與油氣資源的成因、分布規律均涉及地質和地球化學范疇，涉及地質成礦過程、礦產開采過程、礦物加工過程等，既包括基礎的化學反應原理，又涉及海洋工程和化工工藝等學科。同樣石油產業鏈雖長，但石油開采和冶煉工藝不屬于本門課程的涵蓋范圍。最后，海洋生物資源同樣是綜合性非常強的內容，包括海洋生態學、水產養殖學、海藻資源化學等分支學科。整體而言，一種資源被成功開采，走向市場成為大宗商品，必然涉及工程技術問題。但本專業所屬的海洋科學具有理科地學屬性，海洋物質資源開發中涉及的地學和化學原理是本門課程需要深入講述的內容。作為本科生的專業課程，既要保證教材中知識面的涵蓋范圍，又要保證章節內容的介紹深度[5-6]。下面將詳細介紹本門課程內容的展開結構。本門課程根據海洋物質資源種類設置章節，優化課程教學內容的整體布局，展開課程內容，梳理章節主線，根據每種資源的特點及開發現狀設置每一章具體的小節結構和內容。

2.1 海水與鹽資源

其中海水鹽資源相關章節以元素或化合物的用途作引題，以元素離子特有的物理和化學性質、在海水中的賦存形態和濃度為基礎，從純化與分離的角度介紹分離工藝過程中的化學原理，將開發過程對環境的影響作為章節的結尾。從這一類資源中選取溴、碘、鋰、鈾元素和氯化鈉的開發過程展開詳細深入的講述，并根據每種資源的發展現狀調整章節結構。

(1)溴、碘：溴碘具有相似的物理、化學性質，其中溴作為海洋元素，空氣吹出法提溴的工藝具有一百多年的發展歷史，已十分成熟；海水中碘離子濃度較低，但海藻對碘素具有較好的富集效果，海藻中提碘的工藝也已經過數十年的發展，變得較為成熟。在這一章中加入溴、碘在海水中的賦存形態和濃度變化規律更符合海洋化學專業的定位。

(2)鋰：海水中鋰的儲量雖大，但較低的濃度使海水提鋰成本較高，限制了海水提鋰行業的發展。近些年來新能源鋰電池行業的迅猛發展大幅提升了市場對離子的需求，推動了提鋰行業的快速發展。海水中鋰離子濃度遠低于部分鹽湖老鹵中的濃度，加之鹽湖提鋰工藝已愈發成熟，使得目前鹽湖提鋰成為鋰鹽市場的重要貢獻力量。海水與鹽湖鹵水在組成上具有高度相似性，因此有必要借鑒鹽湖提鋰工藝展開從液相體系中分離提取鋰的化學原理的介紹。

(3)鈾：海水中鈾酰濃度雖遠低于鋰離子濃度，但鈾作為核燃料是重要的戰略元素，海水巨大的體量使其中鈾酰的儲量十分巨大，從海水中提鈾具有重大的科學及現實意義。海水提鈾涉及從復雜鹽溶液中分離微量的鈾酰離子，海水中鈾酰離子整體分布較為均勻，受限于其較低的濃度，海水提鈾產業的發展還很不成熟，研究熱點主要集中在提取材料的制備方面，屬于分離與純化化學和材料學方向。目前關于海水提鈾的相關書籍僅有1987年會議資料選編的《海水提鈾》和1980年出版的《海水提鈾》譯文集可供參考。《鈾提取工藝學》一書中系統介紹了鈾及其化合物的物理、化學性質，但提取工藝部分是以鈾礦石為對象進行介紹。因此老師需要帶領學生查閱相關文獻進一步了解海水提鈾方法的最新研究進展。

(4)氯化鈉：從海水中提取氯化鈉的路線中包含的化學原理較為簡單，采取鹽田日曬的方式進行蒸發結晶，重點介紹氯化鈉首先結晶析出的化學原理，以及沉淀法除雜、重結晶的反應原理。為豐富本章內容，可結合自貢地下鹵水蒸煮獲取井鹽、鹽湖鹵水鹽田日曬獲得的湖鹽分析不同地區根據自身環境條件開發的鹽田工藝的差異。

(5)海水淡化：海水淡化部分是本門課程中十分重要的章節，以淡水短缺引題，在介紹多種海水淡化方法的基礎上，圍繞反滲透法的基本原理，醋酸纖維素膜等常用反滲透膜的分子結構和膜空隙尺寸，以及這類膜對水分子的高通量和對鹽的高截留率機理深入介紹反滲透海水淡化的機理。以與生活貼近的家庭用反滲透凈水器為例，并結合反滲透工藝流程介紹反滲透工藝的前處理和后處理流程，利用反滲透的基本原理解釋不同反滲透工藝流程的特點。

2.2 海底礦產資源

目前比較受關注的海底礦產資源主要有錳結核、海底熱液礦床、海底磷礦、濱海砂礦、可燃冰、海底石油天然氣等類型，每種海底礦產資源的發現、結構組成、成因、分布、開采等均有自身獨有的特征。本門課程選取錳結核、海底熱液礦床、可燃冰、海底石油分別設立章節進行系統深入的介紹。

(1)錳結核：以錳結核的發現歷史為開端，按照錳結核的組成、結構、成因、分布、開采、加工、開發意義為主線編排章節結構。結合錳結核生長緩慢、形成周期長、分布于深海海底的特征，著重介紹錳結核的礦物學結構特征、形成機制。根據其分布在深海海底表層的特征，引領學生討論錳結核的開采方法。總結開發錳結核的意義，提升學生對這一資源開發的重視程度，并介紹我國在探索錳結核方面的成就提升學生的民族自豪感。

(2)海底熱液：從海底熱液的發現歷史開始，介紹海底熱液的成分及這些成分的來源，著重講述熱液的運移原因、通道和搬運礦物質的形式，進而介紹礦物質沉淀的原因和成礦，根據這些機制與學生討論海底熱液礦床的分布特征，總結研究海底熱液及其成礦的科學意義。

(3)可燃冰：從能源危機的角度分析開發可燃冰的必要性和緊迫性，來引起學生近一步了解可燃冰的興趣。結合可燃冰的結構分析其作為清潔能源的優點，著重講述可燃冰形成所需的熱力學條件、生物成因和熱成因機制，結合神狐海域的地質特征，分析動力學因素在可燃冰成礦過程中的影響機制。結合前導課程《海洋生態學》，討論可燃冰在全球的分布規律，從化學原理的角度分析可燃冰的開采方法。以今年我國在南海神狐海域可燃冰商業化試采中取得的重大突破為例，介紹可燃冰開采的最新進展，有助于提升學生的民族自豪感。分析開采可燃冰可能帶來的溫室效應和地質災害，反思海底資源開采的風險，提升學生保護海洋環境的意識。

(4)海底石油：日常生活中存在著多種多樣的石油衍生制品，通過這些衍生制品介紹石油的組成作為本章內容的開頭。重點講述石油的有機成因和適宜的形成條件，從壓實作用、內部異常高壓和擴散的角度解釋石油產生運移的原因，結合水與油的物理化學性質分析石油運移的形式，利用儲集層、蓋層的微觀孔隙特征和底層結構分析油藏。

2.3 海洋生物資源

海洋生物資源多樣性十足，辛仁臣等編著的《海洋資源》一書對海洋生物資源的介紹重點放在了海洋生態學的角度，而學生已進行了《海洋生態學》課程的學習。為避免課程知識點的較多重疊和多樣性帶來的復雜問題，個人認為可選取海藻資源為代表，系統性的深入介紹大型海藻提取瓊膠、卡拉膠及其它活性成分的方法路線，主要參考許加超等編寫的《海藻化學與工藝學》。章節主線從褐藻等大型藻類的一般成分出發，重點介紹食品添加劑瓊膠、卡拉膠的分子結構和提取工藝路線中所含的化學原理。其它酯類、氨基酸與多糖成分的提取可在老師的引領下利用課余時間完成。

3 課程實施方法

作為一門專業理論課，經常因為教學方法單一，而不能充分的調動學生的主觀能動性。本科課程既要保證基礎知識的輸出，又要保持較寬的知識面。受有限知識面的影響，對部分章節的展開效果不佳，但老師作為引導者，可選取章節的部分內容進行討論式教學。討論式教學基于學生完成章節內容的自學，有助于提升學生的學習積極性[7,8]。本門課程設置在大三時段，學生已有了一定的專業基礎，正處于迅速拓寬專業視野、加深專業理解的黃金階段。選擇開發技術尚未成熟的海洋資源，針對其研究熱點，引導學生通過查閱文獻，制作專題小報告在課堂進行講述，豐富課堂形式。亦或翻譯文獻，提交文獻閱讀筆記，以書面的形式或語言講解的形式介紹文獻的主要內容、部分研究細節。這既不占用有限的課堂時間，又鍛煉學生的專業語言表達能力、詞匯組織能力，比較深入的了解專業研究熱點，拓展專業英文詞匯。例如海水中鈾的提取技術仍不成熟，部分研究熱點集中在制備新型鈾分離材料方面，可通過給出檢索關鍵詞引導學生了解此類研究工作的思路和特點。

課程思政教育在教學體系的融合，是目前高校人才培養必不可少的重要內容[9]。利用知識點結合社會熱點案例，可以促進思政元素的滲透[10]。根據教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》文件精神的指導，在本門課程中引入思政教育內容。我國經過幾十年的潛心研究，在多種海洋物質資源的開發方面取得了大量的研究成果，通過分析開發各類海洋資源的意義、介紹我國的前沿研究成果，來增強學生的政治認同感、提升家國情懷。例如探索、開采錳結核的戰略意義，研究海底熱液的科學意義，我國在可燃冰商業化試采處于領先地位。

4 結 語

隨著海洋資源開發需求的愈發迫切和研究的持續性推進，海洋資源化學也在不斷的發展成熟。本文從課程定位、教材、開設內容和教學方法方面探討了筆者對《海洋資源化學》課程的認識，以期推動我校海洋科學學科中海洋資源利用方向的課程建設，為國家在海洋資源開發方向培養更多高素質的專業人才。