“双碳”背景下环境监测实验课程改革与探索

张 利 , 高桂兰 , 陈思邈 , 关 杰 , 于 伟

(1. 上海第二工业大学 资源与环境工程学院 , 上海 201209 ; 2.上海第二工业大学 能源与材料工程学院 , 上海 201209)

0 前言

自19世纪中叶人类步入工业文明以来,全球二氧化碳的排放量急剧上升引起了“温室效应”,导致了如气候极端化、海平面上升、土地荒漠化等诸多自然灾害。为了应对这种挑战,人类越来越重视生态修复与环境保护工作,特别是降低全球二氧化碳排放量,保护地球这个人类赖以生存的家园。“碳达峰”“碳中和”就是在这一背景下产生的。中国政府在2020年对国际社会作出了庄严承诺:“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。

当前,中国社会正处在工业转型和产业升级的重要阶段,“双碳”是我国生态文明建设中的一个重大课题,它将促进我国经济和社会全面、深入的改革。为实现“双碳”战略目标,国家及地方政府部门已经相继出台了一系列的政策法规,关系到国计民生的众多行业(如电力、石化、化工、建材、钢铁、造纸、航空等)都已经或即将被纳入碳市场,预计到“十四五”末,中国将建成规模超过千亿、世界上最大的碳交易市场[1]。如此规模巨大的市场对双碳人才的需求量也将非常巨大。然而目前高校中开设“双碳”相关的专业或者课程量还不够多,短期内将不能满足市场对专业人才的期待[2]。由于不同的行业具有不同的行业细分属性,对双碳知识的要求不尽相同,因此每个专业结合自己的行业特色,在现有培养方案上拓展学生的“双碳”知识。环境监测实验作为环境工程专业必修课,与碳的监测、计量等息息相关,现有的课程内容关于“双碳”的知识点涉及较少,因而必须在教学内容、方法、考核方式上做出改革,从而提高实验教学质量,适应国家的“双碳”战略需求。

1 环境监测实验课程教学的现状与问题

1.1 教学内容陈旧,缺少关于“双碳”的知识点

以清华大学环境学院环境监测实验课程为例,授课内容包括:水的感官物理性质测定、水中阴阳离子的测定、水中溶解氧的测定、高锰酸盐指数的测定、化学需氧量的测定、生化需氧量的测定、大气中二氧化氮的测定、固体中有害物质的测定,共八个实验[3]。其他高校也都大同小异,均缺少水环境或空气环境中碳的监测、计量等内容,这将导致学生无法与“双碳”这类当前环境热点问题产生联系,缺少对于“双碳”知识点的了解和掌握[4-5]。另外,由于环境中“三废”污染物大都含有碳元素,因此环境监测实验课程中缺少碳元素的检测方法,对于环境类专业学生的培养来说需要进一步完善的。

1.2 教学方法与考核方式不合理

目前,环境监测实验仍然是传统的实验课授课方式,实验前由老师讲解实验目的、实验原理、实验设备及其运用,由学生按照教材进行实验,并撰写实验报告。这种教学模式缺乏对学生发现和解决问题能力的培养。实验授课教师给出的成绩一般以课堂实验表现和实验报告为依据,且实验报告分数占比更高一些。在实验课程中,实验老师要对学生进行实验操作指导,同时还要对实验室的安全进行监控,所以很难对每个学生的实验操作表现进行客观准确的评价。而实验报告都是在课后进行的,可以参考教科书、网络及其他学生的内容,即使在课堂上表现不好、实验技巧较差的学生也可能得到不错的分数。这种传统的教学评价方式并不能真正反映出学生对实验技巧的掌握,也间接造成了学生对实验课的不重视,有的学生觉得只需要交一篇漂亮的报告就可以了,却忽视了环境监测的实验知识和操作技巧,从而影响了学生的学习效果。因此,多元化的教学方式和考核方式势在必行。

2 实验教学改革的思考与措施

2.1 增加课程思政授课内容

近年来,课程思政已被较多地融入到理论课程中,而将课程思政融入到实验课教学中并不多。任课教师可以修订课程大纲,增加课程思政内容,通过思政的讲授来向学生宣传“双碳”的意义,对相关的条例和措施进行举例解读,使学生理解“双碳”的内涵,做到入脑入心。课程思政所涉及的学科范围很广,与社会现实和学生的思想联系紧密,教师既要掌握自己的专业知识,又要具有更高层次的社会科学认识,从而激发学生的学习兴趣,培养学生的国际视野、职业精神、合作精神和社会责任感。

2.2 增加碳元素的监测、计量、核算等授课内容

以清华大学环境学院环境监测实验课程为例,其授课内容中的八个实验均不涉及环境中碳元素的监测[3]。因此授课教师在修订课程大纲时可以增加水样中污染物总有机碳(TOC)的测定、空气中二氧化碳浓度监测、固体废物中碳元素分析等实验,让学生可以详细掌握相关的碳元素监测方法,激发学生的创新性和自主性。环境类专业应根据专业基础课的要求,结合“双碳”大背景,制定具有特色的实验方案,将色谱、质谱、光谱等先进监测和分析工具应用于环境监测实验教学中。

碳的计量、核算与碳监测有较大关系。碳计量的计算方法可以分为基于实时监测和基于计算两种方法[6]。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2006年发布的《IPCC国家温室气体清单指南》是目前国际上一直广泛采纳的碳排放量计算标准,其中主要介绍了排放因子法、质量平衡法、实时监测法三种方法[7]。2020年12月中国生态环境部发布的《全国碳排放权交易管理办法(试行)》要求重点排放单位必须优先开展化石燃料的低位热值和含碳量实测。相比排放因子法和质量平衡法,实时在线监测显然更准确。因而,新修订大纲需要增加碳计量方面的实操训练内容,让学生更能理解和掌握碳元素在环境污染物中的迁移、转化和测量方法。

2.3 改革课程考核方式

传统实验教学中授课教师主要依据学生实验课上的表现和实验报告给分的考核方式,急需改变,采用多元化的考核方式。可以在课程大纲中增加以下环节的考核分数:①在课程考核中布置创新课题,如怎样建立校园碳排放的监测网格?如何对社会生活不同行为的碳排放量进行统一的度量(计量),如何建立统一的标准?如何建立学生的个人碳账户?学生通过开展创新课题,提高对环境监测实验课程的掌握。②分组开展一次课外碳监测、碳计量方面的科普宣传,从而得到相应的分数。③在实验表现方面,增加对学生在课程实验中节约用水、用电、使用耗材等情况的表现进行观察并打分,发生浪费行为的学生将扣除一定的分数,用实际行动强化降碳意识。

3 教学方法改革与创新

3.1 实验结合真实工作场景

为了有效地提高教学效果,让学生真正地掌握环境监测实验技术,就必须让学生到环境监测站、污水处理厂等场所进行实地考察,让学生认识到环境监测课程与实际的环境监测工作紧密联系,而不是单纯地将课程看成是修学分,这样就会在主观上激发学生的学习热情。另外,在教学设计与实施时,应以学生所关心的事件与情境为出发点,让学生对环境监测实验有更多直观、真切的体验,进而提高对该课程的热爱。比如,在进行实验设计时,可以考虑在学校内部,或在校园周边寻找取样地点;也可以让学生自行设计实验,以监测校园周边的环境问题。这样的实验,不仅能够激发学生的学习积极性,还能把理论知识带到现实中去实践,从而增强学生的工作自豪感。

3.2 灵活运用混合式教学手段

随着科学技术的进步,“学习通”“雨课堂”“腾讯课堂”“虚拟仿真实验”等线上教学软件逐渐成为一种有效的教学手段[8]。国内外许多大学都建立了自己的精品课程,把资源放到网上,供大家下载、学习。教师进行线上/线下混合式教学,可以有效地解决教师人员的短缺问题,并且通过互联网的方式线上云参观环境监测站、污水处理厂的环境监测工作,也是在践行绿色低碳的理念。

3.3 鼓励学科交叉,科研反哺教学

随着我国碳中和政策的逐步推行,环境行业将发生重大变化,并迅速发展。同时,各专业之间的交叉也会日益增多,培养学生的方式也会更加多元化。在本科生中实施“学业导师”制度,以鼓励更多的优秀学生在大学初期就开始从事“双碳”知识的研究和学习。鼓励老师根据自身专业领域,组织和指导学生参加环保社会实践、“双碳”创新创业大赛、节能减排大赛、挑战杯等学科竞赛,组织学生进行课题研究,并将新理论、新方法、新进展介绍给学生。

4 结语

“双碳”发展的方向是引领性和系统性的绿色低碳发展,能够为国家的环境质量和工业发展提供多种可能性,有助于促进我国经济的绿色转型,促进我国绿色生产模式的形成,促进我国经济和社会的高质量发展。在“双碳”的背景下,大学生不仅要具备一定的专业知识,良好的职业素质,还需要具备“双碳”相关的知识,才能适应时代的发展。环境监测实验与碳的监测、计量等息息相关,为培养学生基本操作能力、科研素质,激发创新思维提供了强大的平台。本文就“双碳”背景下环境监测实验课程大纲、课堂教学方式、考核方式的改革等进行思考和探索,做到以学生为中心并不断进行改进。通过知识体系的调整和拓展,提高环境类专业学生的业务素质和在未来职场的竞争力,满足“双碳”战略背景下环境保护事业对环境类专业人才的培养需求。