環(huán)境工程概論設計型案例教學在生態(tài)學專業(yè)中的應用探討

陳國華　劉立明　熊梓茜

【摘 要】生態(tài)學專業(yè)是適應社會經(jīng)濟發(fā)展引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題而出現(xiàn)的專業(yè)類型，生態(tài)環(huán)境問題的核心是環(huán)境污染。《環(huán)境工程概論》課程為生態(tài)學專業(yè)學生培養(yǎng)提供一種工程類知識，因此在授課過程中需要講授一些設計型內(nèi)容，而案例式教學是學生掌握工程設計的有效途徑。本文以磷化工廠尾氣氟回收凈化作為課程內(nèi)容中廢氣污染與治理對應部分，引導學生分組進入工程設計，以解決實際生產(chǎn)難題，拓展和深化了學生環(huán)境工程知識，完成了課程教學目標。

【關鍵詞】生態(tài)學專業(yè);環(huán)境工程概論課程;設計型案例教學;知識拓展與深化

中圖分類號： G642;F205-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）17-0131-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.062

生態(tài)學是以生物體、生物與其周圍環(huán)境（包括非生物環(huán)境和生物環(huán)境）相互關系為基礎的一門學科，研究領域涉及生物與環(huán)境之間的互作關系、過程與機理，以及生態(tài)系統(tǒng)的結構特征、功能表現(xiàn)及其優(yōu)化調控策略等內(nèi)容。全球性生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴重 （如全球變暖、生物多樣性減少、生態(tài)退化、環(huán)境污染等），2013年5月24日，習近平在中共中央政治局第六次集體學習時指出“生態(tài)環(huán)境保護是功在當代、利在千秋的事業(yè)”，生態(tài)學逐步肩負起保障資源環(huán)境安全與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的歷史使命。

生態(tài)學專業(yè)是一門新興的、多學科交叉滲透形成的專業(yè)，主干課程通常包含：普通生物學、生物化學、生態(tài)學、環(huán)境微生物學、環(huán)境工程概論等，以理學內(nèi)容為主導，包括教學實習、生產(chǎn)實踐、畢業(yè)論文等。生態(tài)學專業(yè)培養(yǎng)目標：掌握生態(tài)學基本概念、基本理論和基本技能，能夠運用生態(tài)學理論、方法與技術，分析和解決生態(tài)破壞、環(huán)境污染等實際問題，具體要求掌握生物學、生態(tài)學、環(huán)境學等方面的基礎知識，掌握生態(tài)規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護、生態(tài)功能、環(huán)境管理、監(jiān)測與評價等方面基礎研究與應用研究的基本技能，具有較好的科研創(chuàng)新能力和應用開發(fā)能力[1]。

生態(tài)環(huán)境是指人類生存和發(fā)展所必需的水資源、生物資源、氣候資源和土地資源等復合體，是經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展的重要基石。然而，隨著工業(yè)化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，我國的生態(tài)環(huán)境日趨惡化，自然環(huán)境的破壞和污染，危及人類自身的生存。水土流失嚴重，建國以來近幾千萬畝的耕地因沙土流失而散失生產(chǎn)能力;水資源污染且短缺，我國人均占有水資源量為世界平均水平的1/4，并且大量的可利用水資源污染嚴重;廢水、廢氣、廢渣污染逐漸蔓延;森林覆蓋率低、生物多樣性減少;自然災害頻發(fā)[2]。

改革開放以來，我國的經(jīng)濟發(fā)展取得了巨大的成就，環(huán)保事業(yè)得到了空前的重視，然而我國的環(huán)境污染依然非常嚴重，重點河流湖泊富營養(yǎng)化、城市空氣污染、工業(yè)危險廢物數(shù)量增加，從而引發(fā)了許多環(huán)境污染事故。因此，生態(tài)學專業(yè)開設環(huán)境類課程勢在必行，只有覆蓋環(huán)境學知識，才能全面地了解和掌握生態(tài)環(huán)境問題根源、應對措施和防治手段。一些學校開設的生態(tài)學課程門類很多，但沒有切中國家急需的環(huán)境污染與治理領域;有的學校又過于偏重生態(tài)學基礎，課堂理論教學太多;有的學校由于實踐教學經(jīng)費的不足等原因，實驗和實踐教學被壓縮。

“環(huán)境工程概論”是環(huán)境工程專業(yè)的基礎課，也是生態(tài)學專業(yè)的通識課程，理論性強的應用型課程，幫助學生了解環(huán)境科學領域的研究內(nèi)容，豐富學生的專業(yè)知識，但因其內(nèi)容抽象、復雜，造成學生理解和掌握基本理論和基礎知識比較困難，以課堂理論教學為主的授課方式，不能調動學生的積極性，引入理論和實踐相結合的案例式教學，可以激發(fā)學生學習興趣[3]。然而這些案例式教學往往只是列舉一些污染事件及其解決方案，并沒有觸及環(huán)境保護領域關鍵的污染物處理設計，使得學生沒有真正領會污染處理程序。本文探索環(huán)境工程概論設計型案例教學在生態(tài)學專業(yè)中的實施方法，增強學生對課程的理解和掌握，將理論知識與實際生產(chǎn)相結合，培養(yǎng)出更加優(yōu)秀的生態(tài)學專業(yè)學生。

下面以“磷酸萃取過程尾氣氟凈化系統(tǒng)設計”為案例講解培養(yǎng)學生環(huán)境工程知識的途徑。

1 設計型案例教學實施

1.1 學生查閱文獻了解本設計的背景與意義

磷礦石中一般含有1.5%-3.5%的氟，在磷酸萃取過程中，這些氟化物幾乎全部被釋放出來并轉化為其他存在形式。研究發(fā)現(xiàn)，磷礦石中的氟70%-80%進入稀磷酸中，15%-20%進入磷石膏中，3%-17%以氣相形式進入氟吸收系統(tǒng)中[4]。通常采用氟吸收系統(tǒng)對含氟尾氣進行洗滌吸收。目前磷酸萃取尾氣氟吸收系統(tǒng)采用“文丘里洗滌器—板框壓濾機—一級洗滌塔—二級洗滌塔—旋風塔—三級洗滌塔—煙囪”三級逆流洗滌方式，此洗滌設計中主要回收氟資源的方法是向文丘里洗滌器中噴淋清水，使尾氣中的氟轉變?yōu)闅浞幔浔锥酥饕袃商帲阂皇欠D化為氫氟酸的轉化率低。二是會有大量雜質離子混入氫氟酸中，使得獲取的氫氟酸純度降低，低純度的氟化物不利于下游企業(yè)加工。這樣不僅會造成氟資源的浪費，而且會對環(huán)境造成污染。因此，從環(huán)保及氟資源回收利用的角度考慮，研究磷酸萃取尾氣中氟資源回收利用技術具有非常重要的意義。

1.2 指導學生進行設計方案布局

本設計對磷酸萃取過程中的氟水進行了高純度的回收，變廢為寶。

本設計主要由氣液分離器、文丘里洗滌器和板框壓濾機組成。氣液分離器是一個加裝了電機的旋風塔，有強大的功率，可以將含氟尾氣中的液體雜質與氣體高效分離。液體物質進入塔底的收集池，氣體進入文丘里洗滌器進行洗滌。文丘里洗滌器采用NaOH溶液噴淋，可以快速地將尾氣中大部分氟轉化為氟化鈉固體和氟硅酸納固體，而其它雜質形成的鈉鹽成為水溶性物質。文丘里洗滌器下方設有循環(huán)槽，充分利用洗滌液中的NaOH。板框壓濾機可以將不溶于水的氟化鈉與氟硅酸鈉固體與其他液體雜質進行分離，固體收集在固體收集槽中，液體雜質則收集在液體收集槽中（圖 1）。剩下的氣體進入原有的濕法磷酸尾氣中氟收集系統(tǒng)，直到處理達標，進行排放。

本設計的創(chuàng)新點在于提高氟的純度，主要從以下兩個方面：（1）在文丘里洗滌器之前加裝氣液分離器用于分離含氟氣體和氣體中的液體雜質。液體在高速轉動的離心力作用下，拋向容器內(nèi)壁，因重力作用而向下沉降，而氣體從容器上方排出，達到氣液分離效果。（2）將文丘里洗滌器里的清水改為用NaOH溶液噴淋，氟轉化為非水溶性的氟化鈉和氟硅酸鈉，通過板框壓濾機，分離含氟固體和硫酸鹽、磷酸鹽等水溶性雜質。

該系統(tǒng)確保尾氣排放達標的同時，回收高品質的氟化物，充分利用氟資源，變廢為寶。改變了氟化工企業(yè)原有的螢石（含氟礦石）供應鏈，既避免了氟資源過度開挖又避免氟排放造成的環(huán)境污染。

2 設計型案例教學對學生的影響

2.1 認識工業(yè)污染的嚴重性與污染治理途徑

通過學生自己組隊進行工業(yè)污染物產(chǎn)生原因與治理方案的規(guī)劃，清醒認識到磷化工產(chǎn)業(yè)氟污染的危害，掌握了污染資源的回收利用方法，真正領會了環(huán)境工程領域的重要性與核心技能。明確了氟造成環(huán)境污染的根本原因：回收氟的濃度低，不利于綜合利用。

2.2 理解污染治理的系統(tǒng)過程

污染治理需要分類別、按流程逐級處理的原則。空氣污染治理、水污染治理、固體污染物處理都必須按照不同種類的污染源、不同的處理方式進行綜合考慮。物理方法、化學方法和生物方法相結合才能有效去除污染物，同時廢棄物回收利用是污染處理的有效途徑之一。通過這些教學，學生踴躍報名、積極參與，同時拿出了各自的優(yōu)秀作品，既豐富了學生的課程知識，也完善了學生解決實際問題的能力。

3 案例式教學特色

德國教育家瓦·根舍因和克拉夫基提出了案例教學法，基于情景學習、獨立思考為目的，不強求學生被動接收知識，旨在讓學生能夠運用所學知識遷移到其他方面，深化知識點，以改變學生的思維方法和行動的能力，激發(fā)學生探索科學和反思基本理論與技能。

通過案例講解，有利于學生舉一反三、觸類旁通。運用得當則可以減輕學習負擔，解決知識暴增與有限學習時間之間的矛盾。案例內(nèi)容包含三個因素：基本性、基礎性和示范性，遵循三個基本原則：教學與教育一致、解決問題能力與系統(tǒng)知識學習一致、掌握知識與運用能力相一致。因此，案例式教學需要通典型的、具體的、單個的案例闡述事物的特征與規(guī)律，以便于學生進行歸納、推斷，提升學習能力，理解和掌握事物發(fā)展的規(guī)律性，達到獨立解決實際問題的能力[5]。

案例教學法的具備幾個特色：（1）激發(fā)學生獨立思考。傳統(tǒng)的教學指德國教育家赫爾巴特及其學派的教育理論和教學模式，20世紀初傳入中國。該學派以課堂教學、教師主導、知識系統(tǒng)性與科學性為原則。隨著時代變遷、社會進步，傳統(tǒng)教育學派的保守性顯得過時、落后，符合客觀實際和社會發(fā)展的教學思維被加以肯定、繼承和發(fā)展。案例式教學一改傳統(tǒng)的傳授模式，引導學生自主思考，分析問題解決問題，獲得了很好的效果。（2）注重知識學習轉變?yōu)樽⒅啬芰ε囵B(yǎng)。學習知識的目的是以解決實際問題為宗旨，傳統(tǒng)的教學過分注重現(xiàn)有知識的傳輸，輕視接收知識個體的靈活運用能力。案例式教學督促學生以解決實際問題為導向，反向學習，加速能力提升。（3）師生雙向交流獲取系統(tǒng)性知識。傳統(tǒng)的教學方法是老師講-學生聽，學生動力不足，學習效率低下。案例教學需要學生參與到案例前期調查、問題分析、知識拓展、問題解決等，學生以小組為單位查閱各種必要的理論知識，解決問題的各種方法，加深了學生對知識的理解和運用。在獲取的理論知識基礎上，經(jīng)過縝密思考，解決實際問題，能力培養(yǎng)極大提升。然而，這種案例式教學需要花費學生大量的時間，因此選擇案例需要有代表性，課題布置不宜太多，同時教師需要補充知識的完整性與科學性，實現(xiàn)師生雙向互動。

案例教學法在工程類課程教學中的實施需要遵循幾個原則：（1）案例選擇原則。案例需要緊扣課程內(nèi)容，（2）案例具有代表性和典型性，（3）實際工程案例優(yōu)于學術刊物發(fā)表的內(nèi)容，（4）合理規(guī)劃案例教學實施步驟。生態(tài)學專業(yè)開設的《環(huán)境工程概論》，有利于學生更加全面的認識生態(tài)環(huán)境問題的形成機制，提高學生解決環(huán)境污染防治的能力。工程類課程教學，理論學習目的在于以理論為基礎有效解決實際問題，即理論學習必須緊密結合實際。因此，設計型案例教學貫穿整個理論教學過程，用解決實際問題的方式，深化實踐能力培養(yǎng)，能夠切實打造一批優(yōu)秀的生態(tài)學專業(yè)的畢業(yè)生。

4 結語

設計型案例教學能夠推動生態(tài)學專業(yè)知識拓展與深化，授課教師根據(jù)工程類課程性質進行理論階段教學，需要按照教學大綱系統(tǒng)地講授理論知識，期間穿插設計型案例資源，引入與理論內(nèi)容相關的工程實際案例，詳細介紹案例背景，督促學生以分組形式、團隊組合對案例進行全面地討論分析，發(fā)現(xiàn)案例在設計或運行過程中的關鍵點或實際應用階段存在的問題，提出解決方案。然后通過授課教師進行合理性評價，由案例反推到相關知識點。既能夠培養(yǎng)學生解決工程實踐能力，又能夠牢固掌握基礎理論知識，實現(xiàn)工程類課程教學目標[6]。

【參考文獻】

[1]章家恩，駱世明，秦鐘，葉延瓊，趙本良.我國高校生態(tài)學專業(yè)建設與人才培養(yǎng)方向探討[J].應用生態(tài)學報，2009，20 （7）：1630-1634.

[2]謝巧玲.淺談我國生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀和保護對策.資源節(jié)約與環(huán)保，2012，6：73-74.

[3]廖曉斌，馬紅芳，苑寶玲.案例教學法在“環(huán)境工程概論”課程教學中的應用.科教文匯（上旬刊），2016，349：42-43.

[4]項雙龍，吳有麗，趙井腥，安美華.磷酸萃取尾氣中氟資源回收利用工業(yè)化技術研究.硫磷設計與粉體工程，2017，5： 25-27（34）.

[5]劉佩貴，王麗娟，陶月贊.《環(huán)境工程概論》課程教學方法與內(nèi)容改革的實踐.安徽水利水電職業(yè)技術學院學報，12（3）：79-81.

[6]田立江，張潔，何士龍，王麗萍.案例教學法在工程類課程教學中的實踐.西部素質教育，2017，24：151-152（167）.