环境科学专业实验课程整合探索

凌云 李娟英 彭自然 李玉清

摘 要 环境科学专业传统的实验课程安排强调实验和理论的同步结合，实验操作常有重复，实验准备、后续处理也都费时费力，另外受实验课时的限制，单门实验课程经费较少，难以做大做强。因此本文期望通过将环境化学类实验课程整合，建设单门的实验大课，使实验内容系统化、全面化，集中力量打造实验金课，结合翻转课堂、虚拟仿真、在线课程等多样化的教学手段，倒逼学生将实践与理论相结合，提升环境科学专业学生的实验实践能力。

关键词 环境科学 实验课程 整合

中图分类号：G642                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.03.013

Exploration on the Integration of Environmental Science Experiment Courses

LING Yun， LI Juanying， PENG Ziran， LI Yuqing

（College of Marine Ecology and Environment， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306）

Abstract The traditional experimental course arrangement of environmental science specialty emphasizes the synchronous combination of experiment and theory. The experimental operation is often repeated， and the experimental preparation and follow-up treatment are also time-consuming and laborious. In addition， due to the limitation of experimental hours， the single experimental course has less funds， which is difficult to be bigger and stronger. Therefore， through the integration of environmental chemistry experimental courses， this paper hopes to build a single experimental course， make the experimental content systematic and comprehensive， focus on building experimental gold course， combined with flipped classroom， virtual simulation， online courses and other diversified teaching methods， force students to combine practice and theory， and improve the experimental practice ability of environmental science students.

Keywords environmental science; experiment course; integration

環境科学专业作为交叉学科融合了化学、生物、物理、数学、人文等多个学科的知识内容，作为理工科专业，实验课程的开设是绕不开的话题，环境监测、环境化学、环境工程学都是教指委所规定的课程，也是大多数环境专业开设的课程。为了提高学生的动手能力，近年来相关的实验教学方法改进探索卓有成效，如王增宝[1]等构建了实验教学信息化平台，提高了学生自主学习能动性，刘兴华等[2]从实验室开放模式入手，改进实验开放的层次、内容和方法，提高学生的实践创新能力，而陶涛[3]等探索了“五位一体”的教学实验方法，将实验教学融入了创新课程、网络课程、实践课程之中，达到促成果，增效果的最终目的。但大多数的教学方法改革依然基于传统的实验安排，强调实验和理论的同步结合，理论课上到哪里，实验内容安排到哪里，教练结合。从传统教学思路来说，这种安排对于学生的记忆和动手能力确实是有效的。但在如今的信息化时代，学生对于知识的查阅翻找能力远高于以往，在翻转课堂、在线教学、虚拟仿真、金课建设等各种先进教学手段的激励下，我们越来越强调学生的学习主动性，而且环境科学的实验内容常常是涉及面广但并不深，不像化学、生物专业那样需要多级的层层递进，部分实验在不同的课程中会产生交叉，比如环境监测课程会涉及理化指标的检验，环境化学、环境工程课程依然要检验相关的理化指标，按照传统的思路根据理论课程的进度设立实验课程，也容易造成实验的重复设置，因此将实验内容进行整合，注重实验的系统性，配合学生的主动学习，反而能得到更好的效果。比如朱兰保等[4]开设了“环境科学专业综合实验”课程，将原来分散的污染物监测项目与自然环境要素结合，同时结合环境影响评价课程，整合成水质监测、空气质量监测和土壤重金属监测的实验内容并取得较好的成果。吴岩等[5]同样建议增加综合性实验内容，如开设底泥对苯酚的吸附、土壤中重金属形态分析、水体富营养化评价等实验项目以培养学生的综合实验素质。我们参考后在相应的实习课程中也有开设相关的内容，发现如果监测指标太少，实验过于简单;如果指标太多，占用课时又比较多;如果学生分指标做，每个学生得到的项目不一样，也不能得到全面的锻炼。另外从教改建设情况来看，单个的实验课程体量小，较难申请建设经费，一些探究型的实验受到经费制约难以充分开展，课程难以做大做强。

因此我们尝试将环境科学专业的实验课程和项目进行进一步的整合，将原来分散在环境监测、环境工程、环境化学、环境评价等课程中的化学类实验结合到一起，开设环境科学化学实验一门大课，按照由简到难的顺序开设多个学期，不再单纯依附于相关的理论课程，实验内容前后贯通，互有衔接。最终按照高阶性、创新性、挑战度这“两性一度”的金课标准开展实验金课建设。整合后一个学期可以安排64课时甚至更多学时，不会出现几门小课抢课时的情况。在具体的实验设置上，可以先锁定一个主要污染物，将属于不同课程的内容：污染物的产生（环境化学）、污染物性质（环境化学、环境毒理学）、污染物检测（环境监测）、污染物转化（环境化学）、污染物处理（环境工程学）整合成为一个完整的实验体系。如苯酚作为一种较为常见的环境污染物，传统的实验课中，苯酚浓度的测量属于环境监测课程，苯酚的降解属于环境工程学课程，苯酚的形态转化属于环境化学的内容，苯酚的毒性检测属于环境毒理学的内容。不同的实验放在不同学期，而苯酚本身又属于易氧化物质，每次学生实验之前都需要重新准备各种药剂耗材，实验之后又需要净化处理，每门课都有相应的药品储存量、处理量。而在整合实验内容之后，首先可以开展苯酚的配置和含量检测的内容，通过苯酚标准溶液的配置和浓度检测，让学生掌握溶液配置（尽管很简单，但依然需要强化的操作）、浓度的滴定（反过来检验学生配置溶液的能力）的能力，有条件的可以紧跟着开展苯酚毒性实验的内容，让学生对苯酚的毒性有一个明确的概念。之后可以开展环境工程学的苯酚降解实验，如用芬腾试剂、臭氧、活性炭吸附等各种手段处理苯酚，让学生直观的感受和比较各种处理方法对于苯酚的处理效果。有条件的可以在苯酚的降解工艺中让学生检测苯酚降解的中间产物，一方面完成污染物质监测的实验内容，另一方面可以完成环境化学的降解分析实验。教师也可以结合一些现场的样品让学生开展在复杂环境样品中的苯酚检测，脱离实验室的标准样品，更贴近实际应用。如果实验室条件允许，可以借助先进的仪器开设苯酚的仪器检测、高级降解处理等实验，让学生能与先进技术接触，得到科研型、创新性的上课效果。

相应的实验内容同样可以开设在常见的环境污染物质中，比如COD、氨氮、磷酸盐、重金属以及其他一些常见的有机或是无机污染物。在这些常规实验的基础上，结合实验课程高阶性和创新性的要求，可以吸收部分学有余力的学生参与到教师的科研课题之中，比如我校环境工程的教师在磷酸盐的吸收吸附中颇有建树，相应的本科生曾参与到相关研究之中并以第一作者发表论文，[6]让学生自行研究探讨新材料的吸收吸附性能，配置污染物溶液，设计实验方案，开展实验并进行总结，得到最优化的结果。在条件允许的情况下，甚至可以指导学生自行制备吸收吸附或是降解材料，增加实验的挑战度，得到创新性的结果。

由此可见，合并实验后主要的优势在于：

（1）实验设置更为系统，学生对污染物的了解更加全面，课程设置起点就具有“高阶性”。而且因为设置了足够的课时数，第一步实验的药品配置都可以让学生自行动手，并通过加标实验让学生自行检验配置的准确性，改变了原先实验员准备一切，学生只管部分操作的实验方法，对学生的训练能力大大增加。

（2）学时学分增加，课程更具有“创新型”。学时学分增加，教学经费安排也更为集中有序，我们可以结合环境学的前沿内容和时代热点，积极融入最新的环境处理方法，使得教学形式呈现先进性和互动性，学习结果具有探究性和个性化。如结合当下最新的大气污染监测问题，让学生去测定Pm2.5的控制及变化情况，甚至可以将生物、化学实验打通，利用空气采样器+特定颗粒物（微生物）测定口罩或是净化器对于颗粒物、微生物的阻隔、杀灭效果，抑或是结合当下流行的热点环境话题，让学生自行设计实验并进行验证。

（3）考核简化，但课程更具“挑战度”。每一套实验环节层层相扣，前后连贯，一旦前面步骤错误即影响后续实验结果，后续实验的开展即对前面实验的考核，看最后的结果即可看出整套实验的完成情况。

（4）实验准备更为简单，后续处理也更为方便。原来需要分开准备的实验项目通过整合之后可以省去多个步骤，比如苯酚、重金属、营养盐等都可以只配置一次，依次开展后续的各项实验内容。相应的，实验结束以后对于污染物的安全化處置也更为便捷，大部分污染物经过降解实验之后，有害成分大大减少，如果学生能进行合理的安排，甚至可以将所有的污染物全部降解以后排入下水管网，免去废液处理的步骤。

当然，实验内容整合最主要的困难和解决办法包括：

（1）实验连贯了，但与理论课程不能同步，需要及时的补充理论知识。我们可以结合虚拟仿真、翻转课堂等手段强化实验的基础教学，补充理论知识，尽量避免出现理论与实验脱节的情况。比如在实验设置中，可能出现（下转第34页）（上接第31页）学生没有接触环境化学的内容，对于苯酚的处理原理、降解过程理解不够深刻的现象，此时可以配合在线课程和网络作业，让学生慢慢理解芬腾试剂、臭氧氧化对苯酚降解的原理和反应过程，等到后续理论课程讲述的时候再以点到面，从实验内容引申到其他物质，最终把化学氧化处理的内容讲清楚讲透彻。

（2）对于学生的实验操作要求较高，如果前面实验操作失误，极易导致后续实验失败。因此首先要增强导师的作用，增加助教的设置，保证学生的操作规范，其次在实验课时设置中要留出一定量的重复实验课时，或是将实验分段开设，已经实验成功的同学可以进入下一阶段的实验项目，而实验不成功的需要反复重做直到得到满意的结果。对于动手能力较好，实验一路顺利的同学可以在最后的实验课程里面直接进入高阶的选修实验内容学习，甚至结合毕业论文的实验，省时省力。

参考文献

[1] 王增宝，赵修太，付帅师.改进实验教学方法，转变教学实验类型探索[J].实验科学与技术，2015（6）：169-172.

[2] 刘兴华，王方艳.以创新人才培养为核心的实验室开放模式探[J].实验技术与管理，2016（1）：9-12，20.

[3] 陶涛，于江华，黄琼，等.环境科学与工程“五位一体”实验教学方法刍议[J].教育教学研究，2016，30（10）：84-88.

[4] 朱兰保，盛蒂，李彤，等.环境科学专业综合实验教学改革与实践[J].长春师范大学学报，2017，36（4）：138-139，145.

[5] 吴岩，杜立宇，邹洪涛，等.本科环境科学与工程实验课程创新模式探讨[J].现代农业科技，2017（18）：276-277.

[6] 杨春懿，詹艳慧，林建伟，等.氢氧化镁对水体内源磷释放的控制作用[J].环境科学，2020，41（4）：1700-1708.