構(gòu)建高效高質(zhì)“地下水水質(zhì)分析”實驗教學模式

劉 琦，陳永貴，楊 陽

（同濟大學 a.土木工程學院地下建筑與工程系；b.巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092）

地下水水質(zhì)分析是運用化學或其他檢測技術(shù)，測定地下水中各組分含量的方法，對于解決各種水文地質(zhì)理論和實際問題如工程勘察、建筑材料防腐、地下水資源管理與評價、地下水污染防治等都具有重要的作用［1-2］。“地下水水質(zhì)分析”實驗是地質(zhì)工程、地下水科學與工程、水文與水資源工程等專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程。通過該課程實驗的學習，使學生能夠按照儀器和設(shè)備的使用流程進行規(guī)范操作，并對地下水水質(zhì)指標進行綜合分析，運用水文地質(zhì)專業(yè)理論知識解決工程實際問題，培養(yǎng)工程實踐能力。

針對現(xiàn)有實驗教學中存在的問題，從教學模式和手段、教學設(shè)備和內(nèi)容、教學方法等方面進行優(yōu)化，采用問題驅(qū)動式教學（PBL教學法）［3-5］，促使學生在有限的學時內(nèi)通過自己動手并自我規(guī)劃實驗步驟，討論和匯報完成整個水質(zhì)分析全過程評價，引導(dǎo)學生樹立崇尚自然、尊重自然的理念，切實增強學生投身生態(tài)文明建設(shè)的責任感與使命感。

一、教學實驗中存在的突出問題

（一）教學內(nèi)容不連貫，缺乏系統(tǒng)性

以往的“地下水水質(zhì)分析”實驗教學僅單純對地下水中的離子進行測試和記錄，側(cè)重單個水質(zhì)指標分析技術(shù)的介紹，實驗內(nèi)容多為驗證性實驗。在實驗課程中，各項目之間的聯(lián)系不夠緊密，缺乏整體性與系統(tǒng)性，學生對地下水水質(zhì)和污染的了解僅僅局限于單個部分，沒有將現(xiàn)場水文地質(zhì)條件與水文地球化學系統(tǒng)綜合分析和評價，難以系統(tǒng)的理解地下水系統(tǒng)，難以深入認識和全面了解地下水水質(zhì)分析的全過程質(zhì)量保證體系，而且存在部分實驗環(huán)節(jié)與普通化學實驗重疊的現(xiàn)象。這些問題導(dǎo)致學生在實驗過程中主動參與的積極性不高，實驗時部分學生“依葫蘆畫瓢”，不動腦思考問題，不利于培養(yǎng)學生的思維能力和對水質(zhì)分析全過程綜合性、整體性內(nèi)涵的理解和應(yīng)用。

（二）實驗內(nèi)容較多，與課時設(shè)置不匹配

根據(jù)國家《地下水質(zhì)量標準》，地下水的物理性質(zhì)及其pH值、礦化度、總硬度、總?cè)芙夤腆wTDS值、COD、氨氮、總磷、總氮等都是必須評價的重要水質(zhì)指標，因此，在授課過程中，要求學生在有限的2～3個課時內(nèi)完成多個必測指標，并根據(jù)測試結(jié)果初步對地下水進行水質(zhì)評價和分類；而單人單項指標的測試需要40～60分鐘不等，每組學生需要完成6～8項測試指標，這對于實驗課程設(shè)計、教學方案優(yōu)化、學生分工及設(shè)備調(diào)配等具有較高的挑戰(zhàn)性。

（三）教學手段與方法存在的不夠科學

“地下水水質(zhì)分析”課程是圍繞水質(zhì)指標的測定而展開的，要求學生掌握水樣的采集、保存、測定方法、結(jié)果分析等全過程。地下水水樣采集不同于地表水那么直觀，需要借助鉆井、水泵等大型設(shè)備獲取，而且水質(zhì)分析化學講解內(nèi)容涉及大量的化學公式、圖表及儀器的構(gòu)造圖，難以通過板書直觀、快速地為學生演示化學變化過程及介紹不同儀器的構(gòu)成與操作方法［6］。此外，在傳統(tǒng)的教學方法實施過程中，學生一般在實驗室教師講解、演示之后按實驗操作步驟進行數(shù)據(jù)測試，學生在教師的指導(dǎo)下完成實驗報告。實際上，在整個教學過程中，學生僅按步驟機械地重復(fù)實驗操作，知其然而不知其所以然，導(dǎo)致學生在思想上不重視實驗，缺乏獨立思考，難以發(fā)揮潛能，不能有效提升自主能力和創(chuàng)新能力。在以往的實驗安排中，囿于實驗器材臺套數(shù)不足，每個實驗小組通常為8～10人，這樣的分組安排導(dǎo)致部分學生參與度不夠［7］。要想提升實驗教學效果，必須要通過改進教學手段和方法提高實驗課效率，同時實現(xiàn)最佳實驗小組組合，讓每一位學生都能夠參與到實驗環(huán)節(jié)中。

二、高質(zhì)高效實驗教學模式構(gòu)建措施

（一）PBL教學模式與數(shù)字化教學方法

PBL 教學法強調(diào)把學習設(shè)置到有意義的問題情境中，通過學習者合作解決真實性問題，學習隱含于問題背后的科學知識，加深對知識的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)解決問題的能力，形成自主學習的能力［8，9］。首先，要突出真實環(huán)境問題。如地下水水質(zhì)受什么因素影響，在一口井里采集的地下水水質(zhì)是否隨采集時間變化，并提出解決問題的需求，如什么樣的地下水可以作為生活飲用水，或作為工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水。采用地下水循環(huán)與水文地球化學系統(tǒng)相關(guān)的豐富、鮮活事例吸引學生，將地下水相關(guān)的前沿知識和國家重大需求引入課堂，激發(fā)學生的學習興趣，把學生的思維引導(dǎo)到更開闊的空間中。

其次，采用數(shù)字化教學手段。將地下水水樣的采集環(huán)境及采集過程進行動態(tài)演示，使用多媒體課件展示實驗流程，利用視聽感官刺激幫助學生加深理解，大大提高了教學效率和授課效果［10］。課后通過微信群進行討論和答疑，建立師生之間的密切聯(lián)系，形成線上線下聯(lián)合教學模式。

（二）優(yōu)化實驗教學方案

在“地下水水質(zhì)分析”實驗過程中，水樣的配制過程耗時較多，多數(shù)測試項目需要利用消解儀進行消解，一組樣品消解約半小時左右，而實驗室原有的3套多參數(shù)水質(zhì)檢測儀只配備了3個消解儀，遠遠無法滿足每班30人次上課配制水樣的需求，導(dǎo)致很多學生在消解過程中處于等待和排隊狀態(tài)，浪費了實驗時間且實驗效果較差。鑒于此，優(yōu)化了實驗方案：（1）通過配置消解儀等設(shè)備附件和化學試劑、移液管、試管等實驗材料增加了實驗器材臺套數(shù)，實現(xiàn)2～3人為一組的最佳實驗組合，讓所有學生能夠參與整個實驗環(huán)節(jié)。（2）實驗分組后，鼓勵學生聯(lián)系課堂所學知識，通過組內(nèi)討論，合作優(yōu)化實驗順序以提高檢測效率。（3）分組測試不同時間的地下水樣品，如10組學生分別測試5種水樣，每2組學生做平行樣本對比測試，一方面需要學生有所擔當，認真完成檢測任務(wù)；另一方面，有利于學生討論測試精度。同時在實驗過程中通過學生評議、教師總結(jié)的師生互動形式，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，提高學生的興趣，有助于使緊張而有序的實驗安排達到事半功倍的效果，讓學生感受到水質(zhì)測定工作的嚴謹氛圍。

（三）教學評價方式改革

在PBL教學理念的基礎(chǔ)上，各組學生根據(jù)實驗測試結(jié)果撰寫水質(zhì)分析報告，展開數(shù)據(jù)差異與準確性的討論，分析原因并對地下水的水質(zhì)進行分級和評價，結(jié)合現(xiàn)場水樣采集條件綜合分析地下水系統(tǒng)，最后小組派代表就每一種水樣測試結(jié)果進行口頭匯報和答辯。在匯報過程中，教師給出關(guān)鍵點提示，引導(dǎo)學生繼續(xù)鉆研的興趣，并給出與實驗內(nèi)容相關(guān)的主題小論文命題供學生進行下一步的創(chuàng)新性研究。最終成績根據(jù)學生平時實驗表現(xiàn)、提交報告及結(jié)果匯報綜合評定。通過這種形式，有利于活躍學生的思維，發(fā)揮學生的主動性，使學生在學習過程中保持較高的學習興趣和飽滿的狀態(tài)，積極主動地完成相關(guān)學習思考。

（四）課程思政融入實驗教學

在地下水采集和水質(zhì)測定方法介紹中，從我國地下水資源緊缺、開采地下水引起地面沉降、海水入侵等地質(zhì)災(zāi)害及地下水水質(zhì)污染危害講起，將綠水青山就是金山銀山的發(fā)展理念和習近平總書記關(guān)于生態(tài)文明的重要論述融入專業(yè)人才培養(yǎng)全過程，引導(dǎo)學生樹立崇尚自然、尊重自然的理念，切實增強學生投身生態(tài)文明建設(shè)的責任感與使命感［11-12］；通過介紹實驗儀器分析的重要性及實際操作，激發(fā)學生的學習積極性；對學生進行愛國主義教育及職業(yè)道德教育，培養(yǎng)學生在水質(zhì)分析檢測工作中嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和艱苦奮斗的科學精神［12-13］；要求學生在實驗過程中注意保持良好的工作環(huán)境，注意地面衛(wèi)生清潔、桌面整潔，有序擺放儀器藥品，用完的試劑不能隨便倒入水槽中，應(yīng)回收后統(tǒng)一由實驗教師集中處理，實驗完畢后各組學生要將所有器皿清洗干凈，按課前擺放位置放置好所有儀器［14］。實驗教學不僅能鞏固和加深學生對理論知識的理解，而且能有利于培養(yǎng)學生的觀察、分析、歸納總結(jié)能力，發(fā)展學生思維，訓練學生進行科學實驗，培養(yǎng)嚴肅認真的科學態(tài)度和工作作風，形成良好的科學素養(yǎng)。同時利于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、相互協(xié)作和創(chuàng)新開拓的精神，以及愛護國家財產(chǎn)、環(huán)境保護意識等。

以PBL教學模式為基礎(chǔ)，以學生為中心，采用數(shù)字化教學手段，通過優(yōu)化教學方案和評價方式等對“地下水水質(zhì)分析”實驗教學模式進行構(gòu)建，在原有實驗條件的基礎(chǔ)上，利用較少的教學經(jīng)費，將8～10人一組的實驗組合方式優(yōu)化為2～3人一組的最佳實驗組合方式，通過小組討論、口頭匯報及探究性問題導(dǎo)向、線上線下聯(lián)合教學等方式，充分調(diào)動了學生做實驗的積極性和主動性，激發(fā)了學生思考的積極性，使學生不僅掌握了知識，而且提升了創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學生團結(jié)協(xié)作和一絲不茍的科學精神，有效提高了“地下水水質(zhì)分析”實驗的教學質(zhì)量。