《水环境监测与评价》课程中现代测试分析技术教学研究

聂小保 隆院男 万俊力

（长沙理工大学水利工程学院 湖南·长沙 410114）

《水环境监测与评价》是给排水科学与工程专业的核心专业基础课程之一，主要讲述水环境一般性质、水环境监测与评价技术方法，包括水环境污染、水环境功能、水样采集与保存、水质指标测试及评价分析等知识。该课程的教学目标之一是“掌握水质指标的常规和现代测试分析方法”，教学重点和难点之一便是“现代化测试分析仪器工作原理”。

与水环境监测密切相关的现代化测试分析技术包括光学类、电化学类、色谱类及其它，主要涉及的仪器如荧光分光光度计、紫外—可见分光光度计、傅里叶红外分光光度计、原子吸收分光光度计、高效液相色谱仪、气相色谱仪、质谱仪、离子色谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、X射线衍射仪、电位滴定仪、激光粒度仪、扫描电镜、透射电镜等。

我校2018年对给排水科学与工程专业培养方案进行了修订，将《水环境监测与评价》课时由32学时压缩到24课时。以此为契机，给排水系开展了该课程的教学改革探索，尝试调整教学内容，加强现代化测试分析技术。

1 强化现代测试分析技术教学的必要性

1.1 现代测试分析技术在水环境监测中的广泛应用

目前，现代测试分析技术在水环境监测领域得到广泛应用，检测内容涉及物质组成成分、结构和在水环境中的存在形式。对水环境监测而言，了解被监测物质的微观形态至关重要。如扫描探针显微镜利用探针尖端到达原子表面，从而观察到水环境监测物质的原子、分子层面的形貌；傅里叶红外光谱仪可以在红外光照射到样品时，通过监测样品表面电荷分布变化，对物质表面官能团定性分析。基于电磁辐射和粒子运动等性质建立的现代测试分析技术，也在水环境监测中被广泛应用。

以长沙市为例，相关企事业单位、科研院所都建立了现代测试分析中心，如长沙市猴子石水厂水质检测中心、鑫远环境集团、湖南省水质检测中心、湖南省水文局、中南大学、湖南大学、长沙理工大学等。大型分析仪器如电感耦合等离子体质谱仪、X射线衍射仪、TOC仪、高效液相色谱、离子色谱仪等取代了以四大滴定为核心的传统水质监测方法，在水环境监测与评价、修复与治理方面发挥了重要作用。

1.2 本科生创新性学习的需求

为了培养高层次理工科人才，许多学校都结合材料表征手段及设备开设了现代测试分析技术的课程，但是许多只采用单一的仪器原理讲解或者仪器参观的教学手段，不能满足学生在教学实践相结合并进一步实现自我创新的需求。大学生学习本课程的目的旨在将自己培养扎实的理论基础，并适应特定领域的应用性人才，在该课程的教学方法、教学内容及模式上均不能单一化，要根据不同教学情况设计具体方案，锻炼学生创新能力和发散思维，加强动手和实践能力的培养。

1.3 水环境领域毕业生需求

近年来的水环境监测及保护领域保持了较快发展，各地环保企业都有所增多，因此，对水环境领域毕业生需求大增。不同企业对毕业生需求有共性也有差异，但总体趋势上对水环境检测领域人才专业技能要求提高，学科基础知识牢固，具备扎实的专业知识和技能，实践动手能力强。因此，需要针对现有人才培养模式的优点和不足，完善人才培养方案，更新教育理念，探索强化现代测试分析技术教学改革思路，切实提高人才培养质量。

2 我校加强现代测试分析技术教学的可行性

2.1 大型分析设备齐全

近年来，随着我校双一流学科建设以及中央财政对地方高校能力建设工作的推进，以及洞庭湖水环境保护与生态修复湖南省重点实验室，水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南省环境保护河湖疏浚污染控制工程技术中心等省部级科研平台的建设，我校大型分析测试仪器设备所占比重越来越高，种类相对齐备、台套数相对充足，能够同时满足教学和科研需求。其中洞庭湖研究中心在业务关系上隶属于给排水系所在的水利工程学院，拥有荧光分光光度计、傅里叶红外分光光度计、高效液相色谱仪、气相色谱仪、质谱仪、离子色谱仪、电感耦合等离子体质谱仪、X射线衍射仪、电位滴定仪、激光粒度仪、Zeta电位仪和扫描电镜等大型仪器，为加强现代测试分析技术教学提供了必要的硬件条件。

2.2 实验室专职教师队伍强大

洞庭湖中心现有实验室编制专职人员5人，其中高级实验师4人，中级实验师2人，均为市政工程或环境工程博士。上述专职教师积累了丰富的实验室工作经验，并主持完成多项国家级课题，能够有效引导学生学习规范使用大型分析测试仪器。

2.3 与设备厂家、供应商拥有良好的长期合作

我校长期与各类大型设备厂家、供应商进行广泛合作，如湖南中仪公司、长沙上睿科技公司、安捷伦公司、岛津公司、瑞士万通公司等。上述设备厂家和供应商均具有强大设备研发实力，有着完善的售后服务能力。其中中仪公司经营规模一直位于全国500家大型外贸企业前列，安捷伦科技有限公司是一家多元化的高科技公司，主要致力于通讯和生命科学两个领域内产品的研发、生产销售和技术服务。岛津公司建立于1875年，以光技术、X射线技术、图像处理技术这三大核心技术不断推陈出新，使岛津公司的产品在全世界都享有很高的评价。

我校与上述优秀的设备厂家、供应商建立长期合作，使我校拥有规范的采购设备流程以及完善的大型分析测试仪器的使用培训、维护保养能力，能够更好的满足教学与科研任务。

3 现代测试分析教学实施过程

3.1 教学大纲和教学内容调整

随着水环境法规和水环境质量标准的完善，更多污染物种类被纳入水环境评价指标，常规监测方法和测试技术无法满足需求，为培养学生对水质指标的现代测试分析方法的能力，须对《水环境监测与评价》实验课程的教学大纲和教学内容进行调整。

教学内容调整如下：（1）增加2个课时现代测试分析方法操作培训（课外）；（2）原有12个课时的常规分析测试方法改为6个课时的现代测试分析方法。具体教学内容见表1。

表1：现代测试分析方法教学内容与学时分配

3.2 现代测试分析方法操作培训

现代测试分析方法操作培训在教学模式上，采用厂家与仪器供应商联合对学生进行培训，其中安捷伦公司与岛津公司负责高效液相色谱、FTIR、ICP-MS的操作培训，中仪公司与上睿科技公司对Zeta电位仪、TOC、XRD的操作培训。

教学思路设计要求根据实验仪器的特点，具体细化其教学内容，在实际教学培训过程中可以通过介绍仪器的主要功能、实现方法、操作注意事项、影响因素等，激发学生学习热情；通过演示实验仪器的操作方法视频介绍实验仪器对水质指标的测试分析过程；通过结合应用实例来阐述现代分析测试方法在水环境监测与评价中的作用，并通过研讨来加深对现代测试分析方法的理解。此外，培训过程中还须将现代测试分析方法与水环境监测与评价发展趋势联系，提升学生对掌握测试分析方法的积极性。

3.3 大型仪器轮流演示教学方案

大型仪器轮流演示教学采用教师演示教学，学生现场学习以及实验数据整理和课后实验数据分析的教学模式。其教学目标主要是通过演示大型仪器对水环境指标的测试流程，加深学生对仪器测试分析流程和操作注意事项的掌握。其具体教学方法为：（1）将学生分为6个小组，每组15人。（2）选择六台仪器进行实操演示教学。（3）每种仪器的实验课时为1课时，其中10min为实验仪器准备时间，20min实验仪器演示时间，15min实验数据记录时间，以及实验数据分析时间。

3.4 教学反思

自2019年开始，我校已经在《水环境监测与评价》课程中开展现代测试分析方法教学2届，教学效果显著。其中有2名本科生毕业后就职于水质监测中心，在大型分析仪器的操作方面上手快、仪器功能开发能力强，收到用人单位的好评；在校学生有4人次采用大型分析仪器开展创新性研究，在全国水利科技竞赛上取得一等奖2项、二等奖1项。但实施过程中也暴露了一些问题，主要是需要洞庭湖中心实验人员的全方位配合，在样品准备和预处理方面工作量较大。此外，相关耗材的费用也暂时没有着落，需要在教师的科研经费中支出。如果解决上述问题，还需要进一步进行探索。