基于環(huán)境工程真實問題探究的分析化學(xué)理論與實踐教學(xué)

李秀麗, 邴乃慈

(上海第二工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與材料工程學(xué)院，上海 201209)

基于環(huán)境工程真實問題探究的分析化學(xué)理論與實踐教學(xué)

李秀麗, 邴乃慈

(上海第二工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與材料工程學(xué)院，上海 201209)

根據(jù)環(huán)境工程專業(yè)分析化學(xué)理論與實踐教學(xué)的特點，針對當(dāng)前基礎(chǔ)課程與專業(yè)知識銜接不夠緊密，理論課與實踐課脫節(jié)等問題，以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提高環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量為目的，提出基于環(huán)境工程真實問題探究的分析化學(xué)理論與實踐教學(xué)方法。該方法以環(huán)境工程專業(yè)實際問題為指引，帶領(lǐng)學(xué)生探究學(xué)習(xí)，學(xué)生通過問題剖析、文獻(xiàn)檢索、方法分析、實驗方案設(shè)計、實驗操作、實驗結(jié)果分析、總結(jié)報告撰寫等一系列教學(xué)活動，逐步深入學(xué)習(xí)，自主完成知識體系的構(gòu)建，并最終解決問題，形成學(xué)習(xí)能力。

環(huán)境工程； 分析化學(xué)； 實驗教學(xué)； 學(xué)習(xí)能力

0 引 言

環(huán)境工程專業(yè)是由多學(xué)科相互滲透、交叉的綜合性學(xué)科，需要扎實的化學(xué)基礎(chǔ)知識[1]。《分析化學(xué)》是一門理論性高、應(yīng)用性廣、實踐性強的課程，是高校環(huán)境類、化學(xué)化工類專業(yè)學(xué)生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[2]，實驗教學(xué)是分析化學(xué)教學(xué)的重要組成部分[3-4]。目前大部分高校基礎(chǔ)化學(xué)課程內(nèi)容仍未走出學(xué)科的框架，內(nèi)容的設(shè)置缺少與環(huán)境工程專業(yè)課程的銜接，課程的專業(yè)服務(wù)性不強導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)模糊。無機化學(xué)、有機化學(xué)及分析化學(xué)等化學(xué)系列基礎(chǔ)課程涉及的內(nèi)容龐雜、理論抽象，學(xué)生普遍感覺學(xué)習(xí)吃力，學(xué)習(xí)效率不高[5]。而理論課程與實驗內(nèi)容銜接不緊密的問題也較為突出，學(xué)生不能正確地應(yīng)用基礎(chǔ)化學(xué)理論知識解決實際問題，基礎(chǔ)化學(xué)實驗內(nèi)容零散，相互獨立分割，實驗教學(xué)中創(chuàng)新能力培養(yǎng)的源動力也不夠[6]。因此，采用理論與實踐貫通的教學(xué)方式，探索適應(yīng)于環(huán)境工程專業(yè)崗位需求的基礎(chǔ)化學(xué)理論與實踐課程教學(xué)模式對于提高環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的意義。

1 現(xiàn)狀分析

我校環(huán)境工程專業(yè)以電子廢棄物資源化為專業(yè)特色，為拓展學(xué)生就業(yè)方向，目前在保持原有專業(yè)特色的情況下，增加環(huán)境監(jiān)測類課程的設(shè)置。這對分析化學(xué)課程提出了更新的要求，因為分析化學(xué)是后續(xù)儀器分析、環(huán)境監(jiān)測、水污染控制工程、大氣污染控制工程等專業(yè)課程的基礎(chǔ)。作為一門重要的基礎(chǔ)課，有必要通過精心的課程設(shè)計來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

從2004年開設(shè)環(huán)境工程本科專業(yè)之始，該專業(yè)課程結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整優(yōu)化，但分析化學(xué)與實驗一直是環(huán)境工程專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課。在課程內(nèi)容設(shè)置上，以經(jīng)典的化學(xué)分析為主，主要是4類滴定分析，即酸堿滴定、氧化還原滴定、配位滴定和沉淀滴定分析，實驗課內(nèi)容也以經(jīng)典的操作練習(xí)類、驗證類實驗為主，較少涉及設(shè)計類實驗。有限的教學(xué)時數(shù)不可能把方方面面的內(nèi)容都講到，只能以點帶面地去講，但是如果只是簡單地闡述這些滴定的原理及其方法會有些枯燥，學(xué)生學(xué)完理論知識后，并不知道這些理論知識有什么作用，也不清楚分析化學(xué)與所學(xué)專業(yè)之間有什么樣的聯(lián)系，因此需要結(jié)合專業(yè)領(lǐng)域的實際問題豐富課堂教學(xué)內(nèi)容。

尤其從2015級本科生開始，學(xué)校開展學(xué)分制改革，本科各專業(yè)的總學(xué)分從原來的190～200削減到150左右，分析化學(xué)理論課也由48學(xué)時降為32學(xué)時。在較少的學(xué)時數(shù)內(nèi)如何把重點內(nèi)容講深講透，并保持住學(xué)生學(xué)習(xí)的好奇心；如何引入專業(yè)相關(guān)的實際問題，讓學(xué)生利用課外時間鉆研學(xué)習(xí)，最終達(dá)到理論與實際融會貫通；如何將理論知識融入實驗，真正做到理論指導(dǎo)實驗，實驗驗證理論，這些都是分析化學(xué)教學(xué)改革必須要思考的問題。

基于上述分析，提出了基于環(huán)境工程真實問題探究的分析化學(xué)理論與實踐教學(xué)方法。以建構(gòu)主義理論作為教學(xué)設(shè)計的指導(dǎo)思想，以專業(yè)實際問題為指引，帶領(lǐng)學(xué)生探究學(xué)習(xí)，提倡由學(xué)生自己建構(gòu)知識的過程，強調(diào)以學(xué)生的能力發(fā)展為本，不僅關(guān)注知識點的掌握，同時關(guān)注學(xué)習(xí)策略和分析問題、解決問題思路的掌握[7]。

2 基于真實問題探究的教學(xué)過程設(shè)計

環(huán)境專業(yè)中的分析化學(xué)問題其實有很多，對環(huán)境的大氣、水、土壤、固廢等質(zhì)量進(jìn)行檢測，所用檢測分析方法均由分析化學(xué)這門課程介紹[8]。如，天然水中鈣、鎂含量的測定；土壤中磷含量的測定；污水中化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)值的測定；污泥中氮含量測定；電子廢棄物中重金屬污染物含量的測定等。尤其污水COD值的測定，可以進(jìn)行化學(xué)分析法和儀器分析法對比，在一個項目里學(xué)習(xí)兩種不同的分析方法，對兩種方法進(jìn)行比較、總結(jié)，找出各自的優(yōu)缺點，也對儀器分析方法有所了解和學(xué)習(xí)，增長實驗技能。

COD作為常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測項目之一，是反映水體污染的重要指標(biāo)，也是水體污染物總量控制指標(biāo)。COD 的測定是環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生的必備技能，其測定方法主要有重鉻酸鉀回流法[9]和快速消解分光光度法[10]。在分析化學(xué)課堂教學(xué)中，“氧化還原滴定”一章就涉及到COD的測定，并分別介紹了高錳酸鉀氧化和重鉻酸鉀氧化兩種方法，但在傳統(tǒng)的教學(xué)過程中，一般將COD測定作為氧化還原滴定的一個應(yīng)用示例，在學(xué)時有限的情況下，甚至作為學(xué)生的一個課外閱讀內(nèi)容一筆帶過。而在后續(xù)的環(huán)境監(jiān)測課程中，一般只突出COD測定的應(yīng)用，較少涉及對其理論知識的分析和測試原理的討論，以至于高年級學(xué)生提到COD的測定，只知道按照COD測定儀的操作手冊機械的進(jìn)行操作，一旦在測試中遇到問題，不知道問題出在哪里，也不知道怎么解決，究其原因，還是缺乏對測試原理的基本認(rèn)識。基于真實問題探究的教學(xué)過程，就是要讓學(xué)生通過對真實問題的探究學(xué)習(xí)，掌握理論知識的同時，能將理論知識與實際問題結(jié)合起來，探討解決問題的基本原理，學(xué)會將理論應(yīng)用于實踐，知其然，也知其所以然。

COD測試的基本原理在于：采用定量強氧化劑(高錳酸鉀、重鉻酸鉀)氧化水樣中的有機物，再用還原劑標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定過量的氧化劑。由于高錳酸鉀和重鉻酸鉀本身帶有顏色，故也可用比色方法判斷過量氧化劑的量，這里就涉及到分光光度法的知識。因此可將COD測定作為一個綜合性問題，在完成“氧化還原滴定法”和“分光光度法”理論教學(xué)內(nèi)容后，提出來讓學(xué)生進(jìn)行探討學(xué)習(xí)。具體教學(xué)過程設(shè)計如圖1所示。

(1) 問題提出。以教師為主導(dǎo)提出問題。在學(xué)習(xí)了“氧化還原滴定法”和“分光光度法”后，試分析COD測定的幾種方法，重點思考以下問題：① 為什么我國國家標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均采用重鉻酸鉀作為氧化劑而不采用高錳酸鉀，即測試的是CODCr而非CODMn，其優(yōu)勢何在？② 滴定法和分光光度法在原理上是否存在區(qū)別，各自的優(yōu)勢在哪里？③滴定法和分光光度法在適用條件、檢出限、測試結(jié)果精密度上是否存在差異？

圖1 真實問提探究式教學(xué)過程設(shè)計

(2) 問題剖析。學(xué)生自主學(xué)習(xí)，分組討論開展問題剖析。首先查找文獻(xiàn)了解COD測定的不同方法。學(xué)生通過文獻(xiàn)的查閱會發(fā)現(xiàn)，目前COD的測定主要采用重鉻酸鉀氧化，分滴定法和分光光度法兩個大類[11]。而高錳酸鉀氧化的方法較少使用，原因是高錳酸鉀氧化法受Cl-的干擾較大，因此使用范圍受到限制，另外該方法必須嚴(yán)格控制加熱和沸騰的時間，因為KMnO4在酸性溶液中沸騰時不夠穩(wěn)定，所以使用起來也不夠方便，不適于工業(yè)上大批量分析[12]。重鉻酸鉀氧化滴定法以國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11914《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻酸鹽法》和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO6060《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定》為代表，其測定原理為：在硫酸酸性介質(zhì)中，以重鉻酸鉀為氧化劑，硫酸銀為催化劑，硫酸汞為氯離子的掩蔽劑，消解反應(yīng)液硫酸酸度為9 mol/L，加熱使消解反應(yīng)液沸騰，(148±2)℃的沸點溫度為消解溫度。以水冷卻回流加熱反應(yīng)2 h，消解液自然冷卻后，以試劑亞鐵靈為指示劑，以硫酸亞鐵銨溶液滴定剩余的重鉻酸鉀，根據(jù)硫酸亞鐵銨溶液的消耗量計算水樣的COD值。分光光度法以上述經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)方法為基礎(chǔ)，重鉻酸鉀氧化有機物質(zhì)，Cr6+生成Cr3+，通過Cr6+或Cr3+的吸光度值與水樣COD值建立的關(guān)系，來測定水樣COD值[13]。經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)方法需回流2 h消解，耗時太長，需使用汞鹽和大量的濃硫酸，分析費用高，且易造成二次污染。人們?yōu)樘岣叻治鏊俣龋岢龈鞣N快速分析方法[14-15]，主要有2種:① 提高消解反應(yīng)體系中氧化劑濃度，增加硫酸酸度，提高反應(yīng)溫度，增加助催化劑等條件來提高反應(yīng)速度；② 改變傳統(tǒng)的靠導(dǎo)熱輻射加熱消解的方式，而采用微波消解技術(shù)提高消解反應(yīng)速度的方法。基于此，國內(nèi)外很多儀器公司開發(fā)了各自的COD快速測定儀，一般配備特定的快速消解裝置、分光裝置和消解試劑、標(biāo)準(zhǔn)溶液，儀器內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)曲線，即便沒有專業(yè)背景的人員，也能快速上手使用。

其次對比不同COD測定方法的優(yōu)缺點和適用性。經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)方法的優(yōu)點是氧化率高，再現(xiàn)性好，準(zhǔn)確可靠，其不足之處在于回流裝置占用實驗空間大，水、電消耗較大，試劑用量大，操作不便，難以大批量快速測定，不能滿足環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的要求。分光光度法是對經(jīng)典標(biāo)準(zhǔn)方法的提高和改進(jìn)，利用分光光度儀直接對消解液進(jìn)行比色分析，減少了返滴定的步驟，相比于滴定時目視判斷滴定終點，儀器測定的結(jié)果也更為精確和穩(wěn)定。而COD快速測定儀則將標(biāo)準(zhǔn)曲線內(nèi)置于儀器內(nèi)，操作者只需按照廠家提供的反應(yīng)試劑配置溶液，消解后置于儀器內(nèi)測定直接得到COD結(jié)果，相比于分光光度法分析更為簡便，對操作者的專業(yè)要求也不高。

最后，學(xué)生需分組進(jìn)行課堂討論后，完成綜述報告。此過程大部分在課外時間進(jìn)行，教師負(fù)責(zé)學(xué)生完成進(jìn)度的把控和必要的答疑解惑。

(3) 實驗驗證。設(shè)計實驗方案，進(jìn)行實驗驗證。分析化學(xué)是一門實踐性很強的課程，實驗是驗證理論分析是否合理最好也是最直接的方法[16]。我校分析化學(xué)實驗課是獨立設(shè)置的，共24學(xué)時，一般由理論課授課老師和實驗室輔助老師共同承擔(dān)，因此理論課老師可以較好地把控實驗課和理論課的銜接和互補問題。

學(xué)生分組完成問題剖析后，再分別設(shè)計滴定法和分光光度法兩種實驗方案。要求學(xué)生明確所采用的實驗方法，列出實驗需要的藥品和儀器，寫出完整的實驗步驟，以及實驗的注意事項，然后由教師與學(xué)生一起討論實驗方案的可行性，確定實驗方案后方可進(jìn)入實驗室具體操作。本實驗作為《分析化學(xué)實驗》課程中的綜合性實驗，學(xué)生用自己設(shè)計的兩套實驗方案對同一實驗樣品進(jìn)行COD測定，并與COD快速測定儀的測定結(jié)果進(jìn)行對比，分析滴定法和分光光度法兩種實驗方案測定結(jié)果的差異。具體實驗實施方案如圖2所示。由于實驗采集實際水樣進(jìn)行測定，學(xué)生還需事先了解水樣采集和保存的方法，實驗過程中亦需根據(jù)水樣具體情況及時調(diào)整實驗方案，如指示劑用量的確定，硫酸酸度、氧化劑濃度的選擇，吸收曲線的繪制等。因此,該實驗?zāi)茌^好地鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力。

(4) 總結(jié)評價。教師對整個教學(xué)過程進(jìn)行回顧總結(jié)，教學(xué)過程記錄在案，過程中產(chǎn)生的文件存檔保留。根據(jù)學(xué)生分組討論和分組實驗結(jié)果，評價打分，記入學(xué)生平時成績。最后，及時總結(jié)教學(xué)得失，完善教學(xué)方法。在本門課程的教學(xué)過程中，類似于上述真實問題探究的教學(xué)案例可以設(shè)計多個，如酸堿滴定中可以引入凱氏定氮法測定水中氨氮的問題；配位滴定中，可以引入污泥中多糖和蛋白質(zhì)測定的問題。

圖2 COD測定實驗方案設(shè)計

3 結(jié) 語

本文以分析化學(xué)教學(xué)為例，探討基于真實問題探究的教學(xué)方法在環(huán)境工程專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用，對于其他相關(guān)基礎(chǔ)課程具有借鑒性。該教學(xué)方法以環(huán)境工程真實問題為切入點，引導(dǎo)學(xué)生探究學(xué)習(xí)。通過查閱資料，問題剖析，設(shè)計實驗方案，開展驗證實驗等一系列實踐操作，充分調(diào)動學(xué)生參與學(xué)習(xí)的主動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，體現(xiàn)學(xué)生在教學(xué)活動中的主體地位。在此過程中，能夠讓學(xué)生體驗分析問題、解決問題的樂趣和成就感，自主完成知識體系的構(gòu)建，并最終解決問題，有利于提高學(xué)習(xí)效率，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展和進(jìn)步。

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TheoreticalandPracticalTeachingofAnalyticalChemistryBasedonEnvironmentalEngineeringActualProblems

LIXiuli,BINGNaici

(School of Environmental and Materials Engineering, Shanghai Polytechnic University, Shanghai 201209, China)

In order to train the student’s autonomous learning ability and improve the cultivation quality of the environmental engineering students, a theoretical and practical teaching method of analytical chemistry based on the environmental engineering actual problem was proposed in this paper.The method was based on the theoretical and practical teaching characteristic of analytical chemistry of environmental engineering professional and also aimed at the problems that the connection of foundation course and specialty knowledge was loose and the course of theoretical and practical was disjointed.The method was guided the students exploring study by the actual problems of environmental engineering.The students were studied step-by-step followed by a series of teaching activities, such as problem analysis, information retrieval, method analysis, experimental scheme design, experimental operation, experimental results analysis and final report written.Finally, the knowledge system was structured by the students themselves and the learning ability was formed, the problems were solved else.

environmental engineering; analytical chemistry; experimental teaching; learning ability

G 642.0

A

1006-7167(2017)10-0223-04

2016-12-01

上海市重點課程建設(shè)《分析化學(xué)》；上海第二工業(yè)大學(xué)2017年度校基金-教育科研項目；上海第二工業(yè)大學(xué)培育學(xué)科建設(shè)(環(huán)境工程)(XXKPY1601)

李秀麗(1980-)，女，浙江杭州人，博士，講師，研究方向：固體廢物處理與處置技術(shù)，主要從事：環(huán)境工程化學(xué)類基礎(chǔ)課程理論與實驗教學(xué)。Tel.：021-50211231; E-mail：xlli@sspu.edu.cn