環保人才培養模式下的大型分析儀器的實驗教學改革探索*

李娜 王璟 周玉央 陳婷

（1.浙江工商大學；2.浙江省水利河口研究院）

生態文明建設，培養環保人才是核心。生態環境保護，要加強環保人才隊伍的建設，加大專業型、復合型人才的培養力度，提高其業務水平，讓其能夠適應新時代環保工作的新要求，熟練掌握現代環保技術手段。環境工程專業儀器分析實驗教學作為其實踐能力培養的重要環節，在培養環境保護人才專業理論水平、工程實踐能力和解決問題能力等方面有著舉足輕重的作用。對環保人才的培養，重點在培養他們具有創新意識、發現問題的能力和多學科交叉應用的能力，熟練使用現代化分析儀器工具的能力?，F代的大型分析儀器集數學、物理、生物、化學、電子學、自動化、數據采集于一身，因此，環境工程專業的“儀器分析實驗”教學是實現學科交叉融合的一個有效的突破口。

近年來，我國理工科高校及研究院所已經在“儀器分析實驗”的課程內容上進行了階段性的改進[1,2]，在實驗過程中趨向于全過程管理[3]，在教學過程中采用多資源整合[4]，逐步向新工科人才培養和應用創新轉變。例如上海某高?；W院的實驗教學中心經過連續幾年的建設，在支持復合型人才的培養上進行改革，一方面在實驗設計上堅持創新[5,6]，另一方面則緊抓其他相關融合學科的教學內容改革[7,8],目前已經取得了不錯的效果。

為進一步加強環境工程專業相關基礎理論的應用，須進一步強化綜合的、先進的、精密的大型儀器分析實驗的教學內容改革和教學實踐，從而實現鍛煉學生融合貫通和解決實際問題能力的目標：（1）結合地區環境和經濟發展需要，在教學過程中合理設置能夠反映環境工程學科領域的新發現、新技術的實驗課題，激發學生的創造性思維，發揮實驗課程在教學中的重要地位；（2）開展環境工程專業相關的“探究式”和“開放式”創新實驗，重視培養學生探究問題、思考問題和獨立解決問題的能力；（3）增加現代化仿真實驗教學手段，拓展環境工程領域中的工藝要求復雜、占地面積大、實驗周期長、有毒有害風險高或存在二次污染的實驗課題。

一、環境工程專業實驗教學的不足

在傳統的環境工程專業教學模式和理念下，學生在校多以理論學習為主，儀器分析課程的實驗教學內容固定且更新不及時，實驗教學過程較為單一且不與時俱進，對儀器的使用和分析功能開發不足，學生缺乏對儀器分析實驗的能動性和控制性。儀器設施陳舊、課程內容固定和教師授課方式單一等方面的不足會導致儀器分析實驗教學不能完全滿足新時代對環保人才培養的要求，具體表現在如下4個方面。

（1）與國內成熟的科研院所相比，精密、先進的大型分析儀器在高校中屬于稀缺資源，無法保證學生有足夠的上機操作時間，且在實驗教學過程中，教師多以講授大型儀器的分析原理和使用方法為主，學生基本上處于聽講和觀摩狀態。加之大部分精密科研儀器承擔著院內或校內外的科研工作和社會技術服務工作。若盲目提高大型儀器學生操作用時占比，會極大地影響正常的科研工作的開展。再加上現有基礎實驗儀器型號陳舊，維修率高，不能滿足卓越環保人才培養對學生的新要求。

（2）環境工程儀器分析實驗課程目前多數仍采用傳統的分組式實驗，實驗內容過時、老套，缺乏自主性、開放性、創新性、研究性和前沿性的實驗設計，缺少對環境工程學生實踐能力和創新能力的訓練，難以調動學生對儀器分析課程的主觀能動性。

（3）教師的課程教學手段和實驗考核方式單一。目前儀器分析實驗課的教學流程為：講解儀器原理、分析實驗內容和方法，學生實驗，提交實驗報告。以上授課和考核方式僅停留在儀器最初級的學習和理解層面，難以考察學生是否完全掌握儀器的使用和操作，缺乏綜合性和探索性的實驗設計，更難以考察學生對儀器分析的掌握情況，更無從談起學生的綜合應用能力和創新能力培養。

（4）隨著國家培養環保領域實際需要的應用型人才的要求，儀器分析課程訓練是卓越環保人才培養的重要一環，且面臨著儀器分析技術的不斷更新、專業基礎知識的不斷深化和拓展，這對于一線教師提出了更高的要求，指導教師的理論知識、實驗技能和儀器功能的開發能力等都亟待提升。

二、多維度大型儀器分析實驗教學的改革措施

針對上述提出的高校中存在的儀器分析課的問題，如儀器臺套數少、實驗設備陳舊、課程設置系統性、教學模式陳舊、考核方式落后等，國內不少高校已進行了初步的課程教學改革和實踐探索，更新了陳舊的實驗內容，升級了部分落后的實驗設備，改進了傳統的教學模式，使整個課程體系更新穎、豐富、連貫、完整，得到了任課教師和學生的一致肯定[10,11]。參考部分成功的改革舉措和案例，為了進一步提升高校儀器分析實驗的課程質量，提出以下改革措施：

（一）合理分配現有儀器資源，逐步加大實驗室儀器設備的投入力度

目前，部分高校都設有分析測試中心，測試中心的大型分析儀器種類較為齊全，型號較為先進，配有專人管理，儀器狀態良好，可以考慮制訂相關的制度與高校的實驗教學設備協調使用。儀器分析實驗課程所必須的理論知識講授和簡單易操作的操作使用可以考慮在相對較舊/較低檔的儀器上完成，在學生對儀器的分析原理、硬件構造、操作流程等熟練掌握后，可在較新/功能復雜的儀器上開展深入的儀器使用培訓。此外，學校針對自身情況制訂較為完善的儀器預約共享制度和激勵制度，以鼓勵大型儀器專管教師在保障儀器供科研和社會服務用時之余，盡可能地開展學生上機操作的實驗課程，以達到合理分配和安排大型儀器的科研、社會服務和教學的時間，既有利于降低先進儀器的閑置故障率，也大大提高了大型分析儀器的共享使用效率。

針對儀器使用臺套數不能滿足學生上課使用的問題，建議高校增加專用教學儀器的專項購置計劃，通過實驗室設備及軟件的增加與完善，從硬件上全面提升儀器分析教學質量，使每個學生能夠參與儀器操作和使用，鞏固對理論知識的理解和應用。同時，在教學儀器閑置期間，提供科研和社會服務，全面提高儀器的共享和服務功能。

（二）以“卓越環保人才”培養目標為導向，優化和改寫實驗教學大綱

為提升環境工程專業學生的主觀能動性和解決實際工程問題的能力，提高學生的主觀動手能力和解決復雜工程問題能力，在保留儀器理論教學內容的基礎上，將固定課堂實驗內容調整為開放式實驗選題，例如根據學生的興趣選擇不同的研究方向，劃分成獨立的工程實驗小課題組，在老師的輔助下設計實驗內容，做到實驗方法和實驗報告設計的全過程覆蓋，以鍛煉學生解決復雜工程問題的能力，深化學生對理論課程教學內容的認識，使學生能更全面、更扎實地掌握實驗操作流程，更深入地了解和掌握實驗方法和相關軟件的使用，課程教學和實驗操作同時進行，有利于形成綜合性實驗教學，提高實驗教學質量。

在原有課題內容的基礎上，引進和學習先進的分析技術，綜合加入實際工程課題，在原有課堂實驗設計的基礎上，開發具有研究性和前瞻性的綜合性大實驗，也可以設計實際工程實驗，提升環境工程專業學生對儀器分析課程的積極性，采用團隊寫作方式，經過一段時間查閱資料、設計方案、試驗操作、結果分析得出研究結論，學生處于主導地位,教師只在關鍵步驟中給學生提供適當幫助，以取得更好的教學效果。

（三）虛實結合，全面提升學生面向產業化的大型工程操作技能

環境實際工程項目中，大量的構筑物微觀結構與反應過程無法實現演示，學生在復雜的理論模型和實際的實驗現象之間難以建立直觀聯系，限制了理論教學效果和質量。還有些環境工程學實驗需在高溫、高壓、有毒、有害等條件下進行, 而普通本科教學實驗室無法滿足需要的實驗條件或者難以對大批量學生實施安全教學；同時,部分精密的大型實驗儀器運行成本高，無法提供給學生使用，嚴重制約了學生動手實踐能力的培養，而且實驗室提供的動手崗位只有幾個，不可能人人操作,常規實驗教學無法接受。虛擬仿真實驗技術的引入，豐富了實驗教學內容，消除了實驗危險性，增加學生操作儀器和獨立思考的空間，有助于對學生進行更深入、更系統的實踐和訓練，并顯著降低了實驗教學的成本和風險。

環境工程作為理工學科，培養的學生要求具有一定的工程能力，很多環境類工程實驗過程復雜、工藝流程長，有些實驗過程要耗時幾天, 實驗過程有較長的等待時間，而實驗教學有課時限制，常規教學只能設置少數甚至不能設置大型的工程類實驗。環境治理的工程類項目在實際進行過程中存在不同的參與對象(包括建設方、設計方、施工方、監理方等等)，在課堂教學的過程中,往往局限學生參與的工作內容，無法體驗不同參與方的感受和經歷，為今后的工作打下基礎。輔助虛擬仿真實驗演示和實驗訓練，可以引導學生深入了解環境工程專業課程的相關理論知識，加深對抽象理論模型和現實工程的全局認識，鞏固課堂和書本中的理論教學知識，提高主觀能動性，增強綜合運用理論知識的能力。

（四）加強師資隊伍保障建設，健全一線教師發展體系

為進一步加強學校各項實驗課程的有序進行，持續深化實驗教學建設和改革，優化實驗教師隊伍的結構，促進實驗教學水平的不斷提高，高校應結合實際，制訂一系列保障實驗教學師資的激勵獎勵制度，進行實驗教室師資隊伍管理的改革，包括建立實驗教師管理制度、建立實驗教師隊伍激勵機制和健全實驗教師隊伍培養發展等，保障實驗教學的順利進行和教師的個人成長。

學校可組織校外分析測試中心的高級應用工程師或專業學者對一線儀器管理老師和教學老師進行專題性的培訓，結合實際案例進行儀器功能介紹和開發，并對儀器分析主講老師進行儀器專業知識和科研實踐操作考核。高水平的教學和儀器管理老師是保障大型精密性儀器使用壽命的最大前提，也是提高實驗教學改革的關鍵力量。因此，制訂合理的教師培訓和技能提升制度，積極安排教師參與校內外的儀器操作高級應用培訓，鼓勵和保障一線教師申請儀器功能開發類、分析測試類、社會服務類的科研項目，參加校外高水平的技術交流和學術會議，能有效提升教師的工作和實際操作能力。

三、大型儀器分析課程實驗教學案例

科研積累為綜合實驗的教學內容設計提供了基礎條件,我們可以從中挑選出了部分內容并對其改造使之適合于實驗教學,實驗內容設計的原則是:較易理解、趣味性強、實現多學科交叉、教學可實施。

（一）原子分光光度法測定污染土壤中重金屬含量

原子吸收分光光度法根據激發態原子蒸汽對特征光吸收的作用進行重金屬元素濃度分析。它能夠靈敏可靠地測定微量或痕量重金屬元素。在實驗中,每個學生可選取不同重金屬污染土壤或混合物，根據查閱相關材料確定實驗目的，確定重金屬提取方法，可以直接提取總量或提取不同形態重金屬含量，根據操作規程進行重金屬提取過濾，配置系列重金屬標準曲線。按照儀器開機程序開啟儀器，完成樣品測定、儀器清洗維護。將所得數據進行分析整理，得到研究結論，撰寫研究報告。每組學生可以根據各組的情況，選取不同的研究方向進行實驗，鞏固加深對土壤中重金屬測定的理論知識的理解和應用。

（二）氣質聯用法測定農作物農藥的殘留

氣質聯用儀是指結合氣相色譜儀和質譜儀進行復雜有機物定性和定量分析的精密儀器。色譜法是根據不同有機化合物的沸點進行的一種有效的分離分析方法，在復雜有機物分離的基礎上采用質譜法進行有效定性分析和定量分析。不同小組選取不同的農藥污染的農作物，小組內通過討論確定實驗目的，根據查閱相關文獻或檢測標準，對樣品進行預處理、萃取、濃縮、凈化、上機、檢測條件摸索、結果分析、譜圖對比，最終得出實驗結論。每組學生根據實驗目的撰寫不同的研究報告，也可以兩組或三組相互配合，得出更為深入的研究結論，鞏固加深對有機物污染物測定的理論知識的理解和應用。

（三）激光共聚焦顯微鏡測定污染物降解過程中的微生物定植情況

激光共聚焦顯微鏡相對于普通熒光顯微鏡的優勢在于可以得到更高分辨率的光學切片，主要是由于激光共聚焦顯微鏡的檢測針孔和光源針孔始終聚焦于同一點，使聚焦平面以外被激發的熒光不能進入檢測針孔，且將固態熒光升級為激光，由于激光的強穿透力，可實現對樣品一定厚度的掃描和觀察，進而獲得樣品的三維影像。將過夜培養的活性污泥接種污染物高效降解菌，利用死活細胞染色法進行激光共聚焦顯微鏡觀察活死細菌比例、生物膜生長情況等。學生可根據現有的實驗材料，設計具體的實驗目的，查閱相關資料進行樣品分離、染色、清洗、上機、觀察、拍照，最終得出結論。每組學生根據實驗目的撰寫不同的研究報告，也可以兩組或三組相互配合得出更為深入的研究結論，鞏固加深對微生物活性測定的理論知識的理解和應用。

四、結語

“大型儀器分析實驗”是環境工程專業學生必修的專業課程。隨著我國環保事業的大力發展，國內外先進科研儀器的不斷涌現，開放性、綜合性和多學科知識有效交叉的儀器分析實驗已成為高校環境工程專業學生學習的必要條件。學生自主設計實驗，協調合作、探究科學問題、設計實驗解決科學問題的科研路徑，理解和應用課程的理論知識，為研究型人才的培養找到了一個新的方向，更有助于培養學生的科研創新能力、觸類旁通的能力，為后續的畢業論文乃至更深層次的學習和科研工作打下堅實的基礎。