给排水仪器分析实验专用周课程创新教学体系探索

2021-01-10赵晨王崇臣王鹏付会芬

高教学刊 2021年37期

赵晨王崇臣王鹏付会芬

摘要：给排水仪器分析实验专用周是高校给排水专业开设的专业基础课程。文章介绍了北京建筑大学环境与能源工程学院给排水仪器分析实验专用周课程开设的基本情况，简要分析了教学内容、教学方法、技术手段、仪器设备、课程评价等方面存在的问题。在此基础上提出了几点课程创新改革的建议，包括开设研究性实验、结合专业软件分析内容、引入“互联网+”技术手段、强化实验室开放、制定合理的考核方式、融入思政教育等，以期进一步提高教学质量，辐射并推动相关课程的建设。

关键词：给排水科学与工程专业;仪器分析;教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）S1-0071-04

Abstract： Experiment Week for Instrumental Analysis is a professional basic course for water science and engineering in different universities. This paper introduced the basic situation of the course Experiment Week for Instrumental Analysis offered by School of Environment and Energy Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture. Furthermore， the existing problems in teaching contents， methods， technical means， instruments and equipment， course evaluation were briefly analyzed. On this basis， several suggestions on curriculum innovation and reform were put forward to improve the teaching quality， radiate， and promote the construction of the related courses， including setting up research experiments， combing professional software analysis， introducing Internet Plus technical means， strengthening laboratory opening， developing a reasonable evaluation mode and integrating into ideological and political education.

Keywords： water science and engineering; instrumental analysis; teaching reform

近二十年来，随着我国工农业的迅速发展，水污染问题日益突出，并整体呈现出复杂化和复合化的特征。由于水质分析是监视与检测水体中污染物的种类、浓度与变化趋势，评价水质状况的过程是制定污染治理方案的基础，因此国家对水环境监测与分析人才的需求量逐年提高。给排水科学与工程专业具有较强的实践性与应用性，旨在培养能够解决突出水质问题的高质量创新型实践人才[1-2]。特别是对于实验教学来讲，其是培养学生创新精神和工程实践能力的重要途径。其中，给排水仪器分析实验专用周是北京建筑大学针对给排水科学与工程专业学生开展的专业必修实验课程，旨在培养学生理解水质分析技术基本原理，掌握仪器的应用领域与基本操作方法，培养学生运用专业软件分析与处理实验数据的能力。为了适应新工科及“互联网+”时代背景下社会发展的需求，进一步提高课程教学质量，针对目前给排水仪器分析实验专用周课程存在的问题，本文从科教融合、教学方法、技术手段、实验室开放共享、考核方式、思政教育等方面对如何提高给排水仪器分析实验专用周课程质量提出了一些自己的设想与初步实践，以期构建科学的创新教学体系。

一、给排水仪器分析实验专用周课程实验教学的特点与问题

（一）实验教材陈旧，教学内容枯燥

给排水仪器分析实验专用周课程的主要内容是运用各种现代分析仪器完成水质相关检测目标，涵盖光谱分析法、色谱分析法、电化学分析法和质谱分析法等十几种分析方法。但每一类分析仪器工作原理差异较大，相互间没有明显的联系，因此每一次课程的内容主要为仪器的基本原理、仪器构成、定性与定量分析方法等。教学内容庞杂且枯燥，缺乏逻辑性，仪器结构抽象，学生大多依靠教师的“填鸭式”教学完成对仪器理论知识的学习，重点不突出，严重降低了学生后续实验学习的热情，进而影响教学效果。同时，由于新的科技成就陆续引入到现代分析仪器中，新型分析仪器不断涌现，其发展也体现出从常量到痕量、从总体到微区、从整体到表面、从静态到动态的特点[3-4]。另一方面，为解决一些复杂的实际问题，必须充分发挥各种分析仪器的特长，实现不同类别仪器的联用，例如色谱技术具有较高的分离效能，质谱技术可以确定样品的结构，所以目前市场上有气相色谱-质谱联用仪、液相色谱-质谱联用仪等。然而，目前的教材内容严重滞后，没有体现出相关新技术与新方法的内容，与行业的发展相脱节，极大影响了学生的实践能力和创新意识。

（二）授课模式单一，学生缺乏兴趣

给排水仪器分析实验专用周是一门实践性强、实验操作要求高的课程，但该课程主要体现为单一的“理论讲解+实验操作”授课模式，內容多为演示性、验证性和操作性的实验项目，缺乏能提高学生热情和激发学生兴趣的综合性、研究性与创新性实验项目，导致学生缺乏主体意识，积极性大打折扣。此外，该授课模式难以让学生体会到样品分析的全过程，包括样品采集、样品前处理、试剂配制、分析方法构建、仪器操作、数据处理与分析等，造成许多学生解决实际问题的能力不强，缺乏应有的科学素养。

（三）教学仪器设备有限，课程学时不足

由于大型分析仪器成本高昂，操作不当容易造成仪器损坏，维护成本高，这就导致普通高校用于实验教学的先进分析仪器设备数量严重匮乏，教学大纲中的实验项目只能选择性地开展，且不能同时满足每位同学都能独立进行实验操作。此外，由于实验场地有限，给排水科学与工程专业学生人数较多，实验教学不得不采取分组的形式进行，每组约4-6人。此情况会导致学生间分工不明确，影响学生对样品分析全流程的学习。同时，小组人数过多很容易滋生实验报告抄袭的问题，严重影响诚信科研观念的塑造。

（四）评价体系不完善，难以调动学生的积极性

目前，该课程的总成绩评价体系由课程出勤占40%，实验操作占30%和实验报告占30%组成。由于仪器自动化程度不断提高，较多实验项目进样只需几分钟甚至是几秒钟，大量时间花费在了等待实验结果上，这就造成一部分学生有了“滥竽充数”的心理，“看”实验成为了常见现象，无法充分锻炼学生的动手能力。另外，此评价体系中实验报告成绩的占比相对较低，造成学生对实验报告的轻视，严重削弱了对学生数据处理能力与文字撰写能力等方面的培养。

同时，该评价体系未加入对实验预习的考察，课程前半部分学生只能被动地理解分析仪器的原理、构造与测试方法，难以培养学生独立思考、课前查阅相关资料的能力。

二、给排水仪器分析实验专用周课程创新教学体系的构建

（一）科教融合，引入研究性实验，丰富实验教学内容

任课教师在传授仪器基础原理与操作的基础上，应持续关注并吸收国内外水质检测的新知识和新技术，并结合自己的科研课题充实教学内容，以科研带动教学水平的提高，激发学生学习热情和创新意识，使该课程更具有前沿性、科学性与实用性[5-6]。具体而言，可以将水处理领域的新技术、新方法及新材料与水质分析结合起来。例如在“铁基金属-有机骨架材料光催化活化过硫酸盐降解水中氟喹诺酮类抗生素研究”中，学生需在课前查阅相关文献，了解氟喹诺酮类抗生素在水环境中的背景值与危害、铁基金属-有机骨架材料的化学组成与结构特点、抗生素的检测方法及影响光催化活化过硫酸盐技术的核心因素，包括但不限于光照强度、过硫酸盐投加量、溶液初始pH值、共存离子等。该过程将学生参与实验的过程向前延伸，并结合实验过程中的样品采集、试剂配制、仪器操作等具体步骤，提高了学生的创新意识，也能够进一步锻炼学生团队协作的能力与解决实际问题的能力。

（二）结合专业分析软件，引入案例分析

随着高速数字计算机的发展，采用人工计算与处理所得实验数据明显是复杂与繁琐的。对于大多数本科生而言，其尚未接受过系统的科研训练，因此在实验方案设计、数据处理与分析、规范制图等关键环节显得力不从心，往往事倍功半[7]。故在课堂内容设置方面，加入对专业分析软件的教学势在必行。教师在课堂教学中适当融入某些专业分析软件的教学，如Origin、SPSS、Design Expert等，其有助于学生优化实验方案，提高绘图质量，最终使实验报告撰写更加规范。具体而言，教师可选择已发表的科研论文案例讲述具体软件操作过程，如以“响应曲面法优化新型锌基配位聚合物BUC-21光催化还原Cr（VI）污水”为例，详细讲述如何运用Design Expert进行因子设计、多种模型方差分析、相关系数综合分析、模型置信度分析与获得理论最优条件与结果。应用Origin软件进行图片绘制、拟合线性或非线性相关系数、斜率。还可利用SPSS软件进行多元相关分析与聚类分析，计算变量之间的相关系数，进而有效判断水质检测指标可能与哪些因素有关。总体来讲，学生通过学习专业分析软件，增强了其对相关专业知识的理解，提高了其科研素养，进一步深化了科教融合的理念。

（三）引入“互联网+”技术手段，提高学生的参与度

课题教学作为传统教学终端，在教育资源共享、课题学习交流、学生积极性调动方面受到了一定程度上的限制。借助于“互联网+”技术，特别是分析仪器模拟仿真软件的应用，不仅可以使教师从枯燥的板书中解放出来，并且将一些抽象和复杂的教学内容[8]，如原子光谱法原理、X射线荧光的产生机理、色谱分离过程、质谱定性与定量原理等以视频动态方式演示，使得学生更易理解和掌握所学内容。更为重要的是，利用模拟仿真系统解决了因实验台套数不足、实验场地空间有限、学生人数过多等因素导致的教学效果不理想的问题，大幅度提高了学生的参与度。另外，本课程可与优质MOOC教学资源结合，特别是疫情常态化背景下，丰富的MOOC视频教学资源为学生顺利完成课程学习奠定了坚实的服务基础，进一步提高本课程的教学维度。另一方面，学生通过参与MOOC全部学习环节培养了其从网络上获取新知识的能力，学生的主动性与积极性被充分调动，有益于进一步提高教学效果与质量。

（四）进一步强化实验室开放，培养学生实践与创新能力

为进一步巩固课堂教学成果，锻炼学生对教学内容进行反思的能力，进一步强化实验室开放。设置开放性实验能够真正促进学习效果的提升，其也是我国高校实验室发展与建设的重要内容[9-10]。具体措施是以教师的科研项目为基础，拟定实验项目。学生根据自己的专业方向与技能水平选择并完成开放实验项目。北京建筑大学新型环境修复材料与技术课题组积极践行实验室开放改革要求，开出了“新型金属-有机骨架材料高效吸附水环境中砷污染物”“二维阳离子型MOF用于去除高铼酸根”“BUC-21光催化还原水环境中Cr（VI）离子”“TiO2基光催化材料降解雨水中溶解性有机物”“Eu-MOF比率检测水中喹诺酮类抗生素”等20余項实验项目。面对更为复杂的实际问题，只是掌握给排水分析仪器的使用与数据分析方法已经远远不能满足科研需求，学生还需掌握更多的专业知识，自主检索前沿科研文献并设计实验方案，与任课老师、研究生或高年级本科生共同研讨，充分发挥学生的主体作用。进而做到在科学研究中培养学生应用基础理论知识与解决科研问题的能力。

（五）完善课程管理及考核评价体系

给排水仪器分析实验专用周作为一门实验课程，其考核评价体系应包含课前预习、实验操作、开放性实验考查、实验报告等多方面内容，量化各部分权重，综合计算得出每位学生的最终成绩。为了改变目前以学生课堂考勤为主的考核体系，扭转学生轻视课前预习、实验操作与实验报告撰写的错误学习观念，未来需将以上4个指标全部纳入考核评价体系，设置权重分别为5%、35%、25%和35%。特别是在实验报告中加大思考题的难度及其在实验报告成绩中所占比例，学生需自主上网检索当前最新文献资料获得相应答案，提高学生的参与度与主观能动性，最终实现令人满意的教学效果。

（六）思政教育有机融入整个课程教学

素质教育除了使学生拥有过硬的专业素质，还体现在具有强烈的爱国主义精神和正确的是非曲直观念，因此思政教育就显得至关重要[11-12]。对于给排水仪器分析实验专用周这一课程而言，其具有鲜明的专业特色与丰富的思政教育资源。例如，原子荧光光谱仪是具有中国特色且具有自主知识产权的光谱分析仪器。相比于原子吸收光谱仪，原子荧光光谱仪在元素分析方面，特别在测试砷与汞元素时具有更高的灵敏度与更低的检测限，堪称是“国货之光”。教师通过讲解此案例激发学生的民族自豪感，但也客观介绍我国大型精密分析仪器的开发工作起步较晚，与美国、日本、英国发达国家的差距仍然较大，面临许多“卡脖子”难题，借此进一步激发学生的爱国热情，让其努力学习和钻研，将来立志担当民族的重任。另外，仪器分析相关课程均隶属自然科学范畴，处处体现尊重客观事实、理性推断与分析的唯物主义思想。因此，在实验操作环节，教师应反复提醒学生客观、严格地记录实验数据，不得随意篡改。整体实验结束后再对获得的实验数据进行处理，分析与真值之间具有偏差的原因，也进一步培养了学生诚实守信的精神。最后，教师还可以结合实际案例介绍近年来严重的水环境污染事件，与学生互动讨论所学仪器在污染物分析及水环境预警方面的应用，使得学生进一步了解所学知识在国家经济发展与保障人民生活水平方面所发挥的巨大作用。

三、教学改革成效

总体而言，该课程的改革与探索获得院内师生的一致好评。许多市政工程专业的研究生因为本科高校并未开设本课程而自行旁听，对本课程较为认可。与此同时，教师会在课程结束后以调查问卷的方式获得学生的反馈意见，进而不断优化教学内容与方法。另外，作为给排水科学与工程专业的必修课程，给排水仪器分析实验专用周课程的改革在人才培养方面取得了丰硕的成果。可以明显感觉到学生的学习积极性被充分调动起来，实验动手能力与文字撰写能力得到了大幅提高。更为重要的是，思政教育在潜移默化中强化了学生对所学专业的价值认同感。近3年来，给排水科学与工程专业的学生以所学分析仪器为工具手段，不断在国内核心期刊、SCI期刊上发表论文，获得专利授权。在“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、“创青春”中国青年创新创业大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、北京市大学生节能节水低碳减排社会实践与科技竞赛、北京市大学生化学实验竞赛等学科竞赛中取得了优异成绩，学生的实践创新能力被充分挖掘出来。

四、结束语

通过教师团队几年来的辛勤努力，给排水仪器分析实验专用周课程改革取得了一定的成效，我们欣慰地看到学生们实验操作技能获得了充分的锻炼，团队合作能力被充分挖掘，专业口语表达与科技写作能力明显改进，文献检索与相关专业软件应用能力得到进一步提升。笔者认为，未来将会有更多的给排水专业的学生从事科学研究工作，因此课程的改革应重视与其他课程的有机结合，丰富教学内容，融入教学新技术，紧追科学研究前沿，以学生为主体，提高其创新与实践能力。随着课程改革的持续深入，给排水仪器分析实验专用周课程在培养本专业高级专业人才方面将发挥更重要的作用。更为重要的是，该课程教学改革模式将为开设给排水专业的兄弟院校设置水质分析相关实验课程提供有力的借鉴。

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