理论与实践结合的环境化学本科教学模式探索

侯磊 杨桂英

[摘 要]为解决环境化学研究对象广泛性和研究内容深入性对本科教学提出的挑战，并适应环境化学多学科交叉及不断发展的学科特点，本研究基于当前环境化学优秀本科理论及实验教材教学内容，结合笔者多年的环境化学教学经验，以不同环境介质中污染物的环境行为为线索，探讨一种理论与实践相结合的当代环境化学本科教學模式，以期为提升环境化学本科教学质量提供方法借鉴。

[关键词]环境化学;理论与实践教学;雨课堂;翻转课堂

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）06-0100-03

环境化学作为环境科学的重要分支，是环境科学与工程一级学科的核心专业课，在各大高等院校的教学任务中具有重要地位。环境化学探究污染物在环境介质中的存在、特性、行为和效应及控制的方法和原理[1]，其研究对象的广泛性和研究内容的深入性都给本科教学带来了难度和挑战。环境化学需要环境学概论、环境监测、有机与无机化学、物理化学和生物化学等多门课程知识点的支撑，同时课程设置了相应的实验教学课时，通过顶层设计合理地安排理论教学与实践教学布局，拆分教学难点，将知识要点具体化，对于有效提高环境化学的本科教学质量，提升本科生学习热情及对知识点的理解具有重要意义。为此，笔者基于当前环境化学的优秀本科理论及实验教材的教学内容、雨课堂教学工具，再结合自身多年的环境化学教学经验，探讨一种理论与实践相结合的当代环境化学本科教学方法。

一、环境化学的重要实践教学内容探讨

环境化学的主要教学内容围绕大气、水体、土壤和生物体环境介质中污染物的环境行为展开，因此本文将以环境介质作为逻辑线索，通过举例的方式论述各环境介质中可展开的实践教学内容、教学重点。

（一）大气环境化学

该部分内容重点关注污染物在大气环境介质中的迁移转化及由此引发的大气环境问题，如光化学烟雾、雾霾、酸雨等。结合当前我国大气环境质量现状，学生较为熟悉的内容为雾霾，但对光化学烟雾的了解较少。因此，本章实践教学考虑设置城市空气中氮氧化物浓度日变化规律和颗粒物中多环芳烃测定两个主体实验[2]，分别支撑光化学烟雾和雾霾形成机制两个知识点。这两个实验均涉及样点的布设、样品采集、前处理、仪器测试及数据处理分析五部分内容，相应的方法需参照环境监测教材内容[3]。

课程理论教学中光化学烟雾的形成条件及过程，大气颗粒物的组成、来源及危害均是本章的教学重点，光化学烟雾形成过程是教学难点。通过选取城市中适当的样点（如交通要道附近的居民活动区域、居住区、街心公园等），测定NO和NO2浓度的日变化可以帮助学生理解光化学烟雾链式反应的过程，明确NO2的光解引发整个反应，而NO的浓度峰值出现稍早于NO2，最终反应结束时，反应物浓度显著降低等较为抽象的过程需要清晰地展示给学生。分析颗粒物中多环芳烃的浓度特征，可对颗粒物粒径与其负载污染物浓度的关系形成很好的支撑，让学生深入理解颗粒物导致的雾霾污染为什么会导致城市居民患呼吸道及心血管疾病概率的升高。此外，这两个实验污染物浓度的检测需要分别使用紫外可见分光光度计和液相色谱，对于学生熟悉大型仪器设备，了解环境化学学科交叉的特性具有重要意义。

（二） 水环境化学

该部分内容涉及水体中无机重金属离子及有机污染物的环境行为特征、天然水体的基本性质——碱度、反映有机污染物疏水特性的正辛醇-水分配系数、有机污染物的生物降解速率和方式等，均为教学的重点内容，同时也是相对难以理解的知识点。可考虑分别设置天然水体的碱度测定、有机污染物的正辛醇水-分配系数测定、水体中硝基苯的微生物降解等实践教学内容，辅助学生对知识点的理解[4]。

水体的碱度是理解碳酸盐平衡的重要概念，水体pH的差别导致其碱度差异显著，可以通过采集不同类型的地表水样，采用滴定的方法分别测定水样碱度，分析贡献碱度的碳酸盐成分，帮助学生理解碳酸盐平衡中封闭体系和开放体系设置的条件，水体pH变化时应该如何考虑等量关系来开展计算。有机污染物的疏水性决定了其在水体中的归趋，是吸附在颗粒物上，溶解在水中，还是跨膜扩散进入生物体。可以通过选择极性（萘胺）和非极性（菲）的有机污染物，分配平衡后分别测定水相和正辛醇相有机污染物的浓度，从而计算其分配系数，让学生更加充分地理解这个全新且重要的概念，加深对污染物性质与其环境归趋间关系的认识。有机污染物与重金属的最大区别在于，有机污染物可以被生物降解。有机污染物的生物降解过程涉及生长代谢和共代谢一组概念，因有机污染物的性质和对微生物的毒性作用有区别，可通过选取葡萄糖和硝基苯一组有机物，采用相同的空气暴露后培养微生物，最终测定有机物的浓度，计算降解百分比，分析降解效率的差异，帮助学生深入理解生长代谢和共代谢的概念差异。实践教学中涉及有机污染物浓度的测定时需要用到液相色谱和总有机碳分析仪，让本科生接触大型仪器设备，并应用其解决实际环境化学问题，有助于提高其实践动手能力，同时调动其对枯燥知识学习的热情。

（三） 土壤环境化学

该部分内容的教学重点围绕土壤中重金属及有机污染物的环境行为展开，其中土壤对污染物的吸附作用与主导机理是教学难点。吸附的主导作用机制因土壤理化性质的变化而差别显著，相关的Henry、Freundlich、Langmuir等经典吸附模型使用条件的差异较难理解，同时，土壤有机质结构及其分级组分的差别对污染物在土壤/沉积物上的吸附作用影响较为显著，也是较难理解的内容。

为此，考虑设置土壤有机质的分离与分级、土壤对铜离子的吸附实验、沉积物对菲的吸附实验等实践教学内容[3， 5]，帮助学生理解土壤理化性质与组成对其吸附污染物特性的影响。土壤有机质包括富里酸、腐殖酸和腐黑物，其分子大小、所含官能团类型和数量、芳香化程度等均有显著差别，可依据土壤在酸、碱中的溶解特性对它们进行提取和分离，实验拟选择有机质较高的沉积物和云南典型红土作为对比，通过有机质的粗提取及浓度表征说明不同类型土壤有机质特性的差异。在此基础上，通过批实验手段分别探索无机铜离子和多环芳烃菲在土壤/沉积物上的吸附等温线，用吸附模型进行拟合，通过污染物浓度梯度的设置，得到Henry、Frendlich和Langmuir几种类型吸附模型的拟合结果，并对各模型的使用条件进行辨析。实验过程涉及有机质组分浓度测定、吸附平衡后溶解态铜离子、菲浓度的测定，分别需要用到总有机碳测定仪、原子吸收光谱仪和液相色谱，这使学生体会到土壤中污染物的环境行为研究也需要借助大型仪器设备。

（四） 污染物在生物体的富集与毒性

该部分内容重点考虑重金属和有机污染物在土壤介质中的迁移转化及生物效应，在生物体（植物和动物）中的积累趋势及有效性是讲解的重点内容。当前关注较多的是重金属污染土壤在农业耕作方面的影响，即重金属往作物迁移的趋势，可以采用植物修復手段，探测重金属在植物体内富集的程度及影响因素;同时关注农药、工业废物等污染导致的土壤有机物超标问题，关注有机污染物进入食物链的程度、趋势及主要影响因素。

为此，考虑设置典型作物（如小麦、叶类蔬菜）对污染土壤中Cd的迁移与富集特性、超积累植物（东南景天）对土壤Cd的富集特性、土壤动物（蚯蚓）对典型有机氯农药（林丹）的生物有效性等实践教学内容[3，6]。该部分实验内容需要配置不同污染程度的土壤样品，通过栽种植物或培养动物一段时间后，测定植物和动物体内污染物浓度的分布规律，对其风险进行评价。对于同一种重金属，如Cd，作物和超积累植物的富集特性及土壤中Cd的存在形态均有显著差异，可同时实验测定，让学生直观地对比两个体系中植物发挥作用的差异，同时认识到超积累植物在重金属污染土壤修复中的重要作用。污染土壤经过蚯蚓的肠道处理之后，使得蚯蚓体内有机污染物浓度明显提高，该实验有助于学生对生物可给性及生物有效性概念的理解，同时意识到土壤性质、蚯蚓个体差异、暴露时间等因素对于最终富集程度具有重要的决定性作用。实验过程涉及土壤、植物体中Cd、林丹浓度的测定，需要分别使用原子吸收光谱仪和气相色谱仪等大型仪器设备。

二、环境化学理论与实践教学的相互支撑作用

通过以上不同环境介质中污染物环境行为的实践教学内容论述发现，环境化学实践教学与理论教学之间具有较好的相互支撑作用，主要体现在以下两个方面：理论教学为实践教学奠定理论和方法基础，而实践教学为理论教学提供案例和机理分析素材，二者相辅相成，对于提高环境化学的本科教学效果缺一不可。针对本论文讨论的环境化学核心理论、拟选择的实验教学内容及对应的仪器分析方法总结如表1所示。

理论教学为实践教学奠定理论和方法基础。综合本文核心部分的论述，各环境介质中经典概念和理论的讲解为实践教学提供了可能。光化学烟雾的形成条件和反应过程、有机污染物的正辛醇水分配系数、土壤有机质组成与污染物吸附的关系、土壤重金属与有机污染物的生物有效性等内容的实践教学，均需要建立在掌握基本理论概念的基础上，同时需要对反映这些环境化学过程的指标及检测方法有一定了解，才能够有效地开展实践教学。为此，在实际教学过程中需要合理安排理论和实践教学的时间，需要在理论教学开展较为充分的条件下再开展实践教学，从而保证实践教学的效果。

实践教学为理论教学提供案例和机理分析素材。在本文前述内容中，已较为充分地论述了各环境介质中可考虑开展的实践教学内容。然而，因各高校硬件条件、教学课时的限制，加上有的环境化学实验本身较为复杂，可能难以有效地开展实践教学。可以考虑将某些特别复杂、耗时的实践教学内容转变为案例教学，或由教师预先完成实验，仅给学生介绍实验框架设置及主要结果分析，这样也可为理论教学提供较为实际的案例。此外，对于实践教学的结果需要在理论教学过程中适当地进行总结和升华，充分发挥和利用好理论与实践相结合教学模式的益处。

三、其他教学手段的辅助作用

除本文重点论述的理论与实践教学相结合的本科环境化学教学模式之外，当前先进教学工具（如雨课堂）的使用、新型教学方式（翻转课堂）的尝试，亦可为提升教学质量贡献力量。目前针对雨课堂在环境化学本科教学实践中的应用报道较为有限，但该工具已在文科、理科等多学科的高等教育教学实践中有大量应用报道[7-8]。雨课堂是基于微信客户端的公众微信号，同时在PPT中具有插入模块，可通过创建班级实现课堂的电子化，为课程的预习、课堂难点反馈、课后作业、测验等教学过程提供较好交流、监督手段。对于环境化学这门知识点较多，教学难点较为集中的课程而言，雨课堂的使用能够有效改善课程的教学环境，加强教师与学生间的互动，进而提高教学质量。

翻转课堂是当前讨论较多的教学模式，提倡学生转变角色，成为课堂教学的主动参与者[7， 9]。针对环境化学课程的特点，该模式的使用是必要的，但需要掌握好该模式的使用程度，因环境化学存在较多难以理解的知识点，如过多地将教学内容学习过程完全交给学生可能存在学习难度增加的问题。为此，需要有针对性地挑选各个章节中与学生生活关系密切，较为容易理解的内容，通过学生分组进行PPT展示、视频演示模拟实验、问题诱导式教学、故事或案例引入式教学等方式，辅助理论与实践相结合的教学模式，提升教学质量。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 戴树桂.环境化学（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 高士祥，顾雪元.环境化学实验[M].上海：华东理工大学出版社，2009.

[3] 奚旦立，孙裕生.环境监测（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[4] 邹洪涛，朱丽珺.环境化学实验教程[M].北京：中国林业出版社，2015.

[5] 顾雪元，毛亮.环境科学与工程实验教学系列教材：环境化学实验[M].南京：南京大学出版社，2012.

[6] 江锦花.环境化学实验[M].北京：化学工业出版社，2011.

[7] 李超超.基于雨课堂的翻转课堂“嵌入式一体化”教学模式设计研究：以三亚学院《马克思主义基本原理概论》为例[J].高教学刊，2018（9）：22-24.

[8] 冯艳斐.雨课堂在有机化学实验教学中的应用探究[J].广东化工，2018（7）：266-267.

[9] 张凤杰，欧晓霞，仉春华，等.基于翻转课堂教学模式的环境化学课程教学设计探讨[J].科技视界，2016（27）：168.

[责任编辑：钟 岚]