農(nóng)業(yè)院校環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)課程改革與實(shí)踐

萬田英，熊雙蓮，邱國紅，劉名茗，張麗梅，張 琳

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著環(huán)境問題日益突出，我國先后有200多所高等院校開設(shè)了環(huán)境類專業(yè)。環(huán)境監(jiān)測(cè)是一門綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)、技術(shù)更新快迅速的環(huán)境類必修課程[1]。以能力培養(yǎng)為核心的環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，涉及的知識(shí)面寬，實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、科研能力及創(chuàng)新能力非常重要[2-3]。筆者所在學(xué)校環(huán)境監(jiān)測(cè)課程于2011年被評(píng)為湖北省精品課程，2018年我們開始制作環(huán)境監(jiān)測(cè)課程慕課、基于“原子吸收光譜儀”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本文指出傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，并結(jié)合學(xué)校采取的一系列措施探討環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)課程的改革，探索如何在我國生態(tài)文明建設(shè)中，建設(shè)具有農(nóng)業(yè)院校特色的新時(shí)代生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系[3]。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際監(jiān)測(cè)工作脫節(jié)

在實(shí)際的環(huán)境樣品監(jiān)測(cè)工作中，樣品中經(jīng)常含有很多干擾物質(zhì)[4]，需要根據(jù)干擾物質(zhì)的不同做相應(yīng)的預(yù)處理，而教學(xué)實(shí)驗(yàn)中所使用的待測(cè)樣品通常是實(shí)驗(yàn)室配制的模擬樣品，由于模擬樣品與實(shí)際樣品相差較大，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作與環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際工作存在較大的差別。如水中硝酸鹽氮測(cè)定前，需根據(jù)水樣的實(shí)際情況判斷是否需要進(jìn)行脫色、去除氯離子以及將亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽等預(yù)處理。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)常采用實(shí)驗(yàn)室配制的水樣，基本不存在干擾物質(zhì)，大多不經(jīng)過預(yù)處理而直接測(cè)定。

1.2 綜合性實(shí)驗(yàn)少

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按照性質(zhì)可以分為驗(yàn)證性、綜合性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在于正確培養(yǎng)學(xué)生的基本操作技能，缺點(diǎn)是學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的步驟進(jìn)行操作，缺乏獨(dú)立思考；綜合性實(shí)驗(yàn)一般是較為復(fù)雜、大型的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)，應(yīng)用多種實(shí)驗(yàn)技能[5]。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)多數(shù)設(shè)置為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這種教學(xué)模式不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。而綜合性實(shí)驗(yàn)由于課時(shí)、師資等條件所限，開設(shè)較少，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容覆蓋不全面，實(shí)驗(yàn)效果較差。

1.3 教學(xué)方法單一

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是老師按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書講述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理、步驟、注意事項(xiàng)等后，學(xué)生根據(jù)操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告[6]，這種教學(xué)方法單一。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，更多的教學(xué)方法如MOOC、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、翻轉(zhuǎn)課堂等被證實(shí)有著很好的教學(xué)效果。

2 教學(xué)方式的探索與改革

2.1 合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，我國環(huán)境監(jiān)測(cè)體系中測(cè)試項(xiàng)目很多[7]。結(jié)合農(nóng)業(yè)院校的特點(diǎn)，采用《環(huán)境監(jiān)測(cè)綜合實(shí)驗(yàn)》[8]作為教學(xué)用書。結(jié)合農(nóng)業(yè)院校的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇具體見表1。

表1 環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目

2.2 校園環(huán)境的多方位監(jiān)測(cè)

作為學(xué)習(xí)和生活的主要場(chǎng)所，校園環(huán)境質(zhì)量如何是每一名在校師生非常關(guān)心的問題，因此，結(jié)合校園環(huán)境開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)將提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目涵蓋了土、水、氣、植物、噪聲五類環(huán)境介質(zhì)。學(xué)生在校園及周邊現(xiàn)場(chǎng)采樣，采樣內(nèi)容包括校內(nèi)湖泊水樣、試驗(yàn)田土壤、校園噪聲、校內(nèi)大氣環(huán)境等。校園環(huán)境監(jiān)測(cè)增強(qiáng)了學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)解決問題的信心以及對(duì)環(huán)境污染治理的責(zé)任心。

例如，校園噪聲實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境專業(yè)分組分別做校園環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)和校園交通噪聲監(jiān)測(cè)，學(xué)生首先根據(jù)校園建筑物分布、地形地貌等特征進(jìn)行布點(diǎn)采樣，將傳聲器對(duì)準(zhǔn)聲源方向，每隔5秒鐘測(cè)一個(gè)瞬時(shí)A聲級(jí)，連續(xù)讀取100個(gè)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步將瞬時(shí)A聲級(jí)轉(zhuǎn)換為等效聲級(jí)及累計(jì)分布值L10、L50、L90，并將其與城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，正確評(píng)價(jià)校園環(huán)境。

2.3 結(jié)合校園環(huán)境開展綜合性實(shí)驗(yàn)

綜合性實(shí)驗(yàn)將環(huán)境監(jiān)測(cè)中的實(shí)際工作引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，全部實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)整體(見圖1)，而不是若干個(gè)分散的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生以小組為單位，獨(dú)立完成全過程，包括查閱資料，制定環(huán)境監(jiān)測(cè)方案，確定采樣點(diǎn)、采樣方法、測(cè)試項(xiàng)目，進(jìn)而測(cè)試分析樣品及處理數(shù)據(jù)，最后匯總?cè)嗟膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)報(bào)告，在此過程中實(shí)驗(yàn)教師只起到指導(dǎo)的作用。這樣既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、自主性，又培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

如我校南湖水體環(huán)境監(jiān)測(cè)綜合性實(shí)驗(yàn)，先于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水樣的采集、溶解氧的固定，然后將水樣帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其COD、DO、BOD5、硝態(tài)氮、TP等水質(zhì)參數(shù)，系統(tǒng)分析南湖水質(zhì)。另外，土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生分組分別在學(xué)校各個(gè)試驗(yàn)田采樣，測(cè)試項(xiàng)目包括有機(jī)質(zhì)、速效鉀、緩效鉀及重金屬Hg、As，最終匯總各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)校園土壤的營養(yǎng)狀況及重金屬污染程度。

2.4 MOOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)

MOOC即大規(guī)模開放在線課程，是“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的產(chǎn)物[9]。筆者所在學(xué)校《環(huán)境監(jiān)測(cè)》MOOC于2020年春季在“中國大學(xué)MOOC”上線(https://www.icourse163.org/course/HZAU-1454467170)。將慕課應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)，觀看實(shí)驗(yàn)視頻演示,從而突破課時(shí)限制，拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目范圍。環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中有很多耗時(shí)較長(zhǎng)導(dǎo)致學(xué)生無法在課時(shí)有限的實(shí)驗(yàn)課堂上親自操作的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，如在土壤樣品重金屬含量分析項(xiàng)目中，前處理環(huán)節(jié)常規(guī)電熱板消解需3～5天，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法完成，通過MOOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)則可以較好地解決這類問題。同時(shí)MOOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)過程，并規(guī)范操作、完善細(xì)節(jié)。

2.5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可以為學(xué)生搭建類似于實(shí)際實(shí)驗(yàn)的虛擬環(huán)境[10]。大型精密儀器設(shè)備如原子熒光光譜儀、原子吸收光譜儀等對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力具有重要作用，在重金屬的測(cè)定項(xiàng)目中經(jīng)常要用。因經(jīng)費(fèi)有限，學(xué)院用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的原子吸收光譜儀只有1臺(tái)。針對(duì)儀器數(shù)量少、學(xué)生數(shù)量多產(chǎn)生的教學(xué)效果差的問題，我們將制作的“原子吸收光譜虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”引入環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬和演示，作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)必要的補(bǔ)充，讓部分不能實(shí)際操作儀器的學(xué)生也能掌握儀器的原理、結(jié)構(gòu)及使用步驟等。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)一步了解環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的前沿技術(shù)和方法，從而激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情[11]。

2.6 實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)考核

作為學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，考試成績(jī)需要能夠反映學(xué)生在方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、結(jié)果分析等環(huán)節(jié)的綜合能力[12]。為此，我們對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考試進(jìn)行了改革嘗試，設(shè)置實(shí)驗(yàn)操作考試環(huán)節(jié)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定包括實(shí)驗(yàn)操作考試(50%)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告書寫與規(guī)范(30%)和其他(20%)三部分。

實(shí)驗(yàn)操作考試項(xiàng)目選擇土壤中砷元素的測(cè)定，土樣經(jīng)硫酸-硝酸-高氯酸氧化體系消解，土壤中各種形態(tài)的砷轉(zhuǎn)化為五價(jià)可溶態(tài)的砷，并在碘化鉀、氯化亞錫、鋅粒及酸的進(jìn)一步作用下形成砷化氫，最終測(cè)定樣品的吸光度以確定土樣中砷的濃度。實(shí)驗(yàn)時(shí)須確保砷吸收液的配制、轉(zhuǎn)移及比色過程不能有水分。另外因砷化氫為劇毒氣體，要求學(xué)生在通風(fēng)柜內(nèi)操作。

2.7 開設(shè)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)技能大賽

在環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)上，設(shè)置“環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)技能大賽”，并設(shè)立若干獎(jiǎng)項(xiàng)，鼓勵(lì)同學(xué)積極參與。課程結(jié)束后，環(huán)境類專業(yè)的同學(xué)可結(jié)合自身興趣和所學(xué)知識(shí)，參加“環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)技能大賽”。同學(xué)們繼續(xù)在實(shí)驗(yàn)室自主實(shí)踐探索，從而進(jìn)一步提高環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)技能。

3 結(jié)語

環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)課程改革對(duì)于拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍、提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能及創(chuàng)新能力、提高學(xué)生的積極性等方面具有十分重要的作用。我們根據(jù)農(nóng)業(yè)院校的特點(diǎn)和學(xué)校具體情況，實(shí)施了一系列環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施，包括合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、校園環(huán)境的多方位監(jiān)測(cè)、結(jié)合校園環(huán)境開展綜合性實(shí)驗(yàn)、MOOC實(shí)驗(yàn)教學(xué)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)考核及開設(shè)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)技能大賽，取得了一定成效。這些改革的措施對(duì)于農(nóng)業(yè)院校環(huán)境類專業(yè)的環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)踐教學(xué)具有一定的借鑒意義。