給排水儀器分析實驗專用周課程創新教學體系探索

趙晨 王崇臣 王鵬 付會芬

摘 ?要：給排水儀器分析實驗專用周是高校給排水專業開設的專業基礎課程。文章介紹了北京建筑大學環境與能源工程學院給排水儀器分析實驗專用周課程開設的基本情況，簡要分析了教學內容、教學方法、技術手段、儀器設備、課程評價等方面存在的問題。在此基礎上提出了幾點課程創新改革的建議，包括開設研究性實驗、結合專業軟件分析內容、引入“互聯網+”技術手段、強化實驗室開放、制定合理的考核方式、融入思政教育等，以期進一步提高教學質量，輻射并推動相關課程的建設。

關鍵詞：給排水科學與工程專業;儀器分析;教學改革

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0071-04

Abstract： Experiment Week for Instrumental Analysis is a professional basic course for water science and engineering in different universities. This paper introduced the basic situation of the course Experiment Week for Instrumental Analysis offered by School of Environment and Energy Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture. Furthermore， the existing problems in teaching contents， methods， technical means， instruments and equipment， course evaluation were briefly analyzed. On this basis， several suggestions on curriculum innovation and reform were put forward to improve the teaching quality， radiate， and promote the construction of the related courses， including setting up research experiments， combing professional software analysis， introducing Internet Plus technical means， strengthening laboratory opening， developing a reasonable evaluation mode and integrating into ideological and political education.

Keywords： water science and engineering; instrumental analysis; teaching reform

近二十年來，隨著我國工農業的迅速發展，水污染問題日益突出，并整體呈現出復雜化和復合化的特征。由于水質分析是監視與檢測水體中污染物的種類、濃度與變化趨勢，評價水質狀況的過程是制定污染治理方案的基礎，因此國家對水環境監測與分析人才的需求量逐年提高。給排水科學與工程專業具有較強的實踐性與應用性，旨在培養能夠解決突出水質問題的高質量創新型實踐人才[1-2]。特別是對于實驗教學來講，其是培養學生創新精神和工程實踐能力的重要途徑。其中，給排水儀器分析實驗專用周是北京建筑大學針對給排水科學與工程專業學生開展的專業必修實驗課程，旨在培養學生理解水質分析技術基本原理，掌握儀器的應用領域與基本操作方法，培養學生運用專業軟件分析與處理實驗數據的能力。為了適應新工科及“互聯網+”時代背景下社會發展的需求，進一步提高課程教學質量，針對目前給排水儀器分析實驗專用周課程存在的問題，本文從科教融合、教學方法、技術手段、實驗室開放共享、考核方式、思政教育等方面對如何提高給排水儀器分析實驗專用周課程質量提出了一些自己的設想與初步實踐，以期構建科學的創新教學體系。

一、給排水儀器分析實驗專用周課程實驗教學的特點與問題

（一）實驗教材陳舊，教學內容枯燥

給排水儀器分析實驗專用周課程的主要內容是運用各種現代分析儀器完成水質相關檢測目標，涵蓋光譜分析法、色譜分析法、電化學分析法和質譜分析法等十幾種分析方法。但每一類分析儀器工作原理差異較大，相互間沒有明顯的聯系，因此每一次課程的內容主要為儀器的基本原理、儀器構成、定性與定量分析方法等。教學內容龐雜且枯燥，缺乏邏輯性，儀器結構抽象，學生大多依靠教師的“填鴨式”教學完成對儀器理論知識的學習，重點不突出，嚴重降低了學生后續實驗學習的熱情，進而影響教學效果。同時，由于新的科技成就陸續引入到現代分析儀器中，新型分析儀器不斷涌現，其發展也體現出從常量到痕量、從總體到微區、從整體到表面、從靜態到動態的特點[3-4]。另一方面，為解決一些復雜的實際問題，必須充分發揮各種分析儀器的特長，實現不同類別儀器的聯用，例如色譜技術具有較高的分離效能，質譜技術可以確定樣品的結構，所以目前市場上有氣相色譜-質譜聯用儀、液相色譜-質譜聯用儀等。然而，目前的教材內容嚴重滯后，沒有體現出相關新技術與新方法的內容，與行業的發展相脫節，極大影響了學生的實踐能力和創新意識。

（二）授課模式單一，學生缺乏興趣

給排水儀器分析實驗專用周是一門實踐性強、實驗操作要求高的課程，但該課程主要體現為單一的“理論講解+實驗操作”授課模式，內容多為演示性、驗證性和操作性的實驗項目，缺乏能提高學生熱情和激發學生興趣的綜合性、研究性與創新性實驗項目，導致學生缺乏主體意識，積極性大打折扣。此外，該授課模式難以讓學生體會到樣品分析的全過程，包括樣品采集、樣品前處理、試劑配制、分析方法構建、儀器操作、數據處理與分析等，造成許多學生解決實際問題的能力不強，缺乏應有的科學素養。

（三）教學儀器設備有限，課程學時不足

由于大型分析儀器成本高昂，操作不當容易造成儀器損壞，維護成本高，這就導致普通高校用于實驗教學的先進分析儀器設備數量嚴重匱乏，教學大綱中的實驗項目只能選擇性地開展，且不能同時滿足每位同學都能獨立進行實驗操作。此外，由于實驗場地有限，給排水科學與工程專業學生人數較多，實驗教學不得不采取分組的形式進行，每組約4-6人。此情況會導致學生間分工不明確，影響學生對樣品分析全流程的學習。同時，小組人數過多很容易滋生實驗報告抄襲的問題，嚴重影響誠信科研觀念的塑造。

（四）評價體系不完善，難以調動學生的積極性

目前，該課程的總成績評價體系由課程出勤占40%，實驗操作占30%和實驗報告占30%組成。由于儀器自動化程度不斷提高，較多實驗項目進樣只需幾分鐘甚至是幾秒鐘，大量時間花費在了等待實驗結果上，這就造成一部分學生有了“濫竽充數”的心理，“看”實驗成為了常見現象，無法充分鍛煉學生的動手能力。另外，此評價體系中實驗報告成績的占比相對較低，造成學生對實驗報告的輕視，嚴重削弱了對學生數據處理能力與文字撰寫能力等方面的培養。

同時，該評價體系未加入對實驗預習的考察，課程前半部分學生只能被動地理解分析儀器的原理、構造與測試方法，難以培養學生獨立思考、課前查閱相關資料的能力。

二、給排水儀器分析實驗專用周課程創新教學體系的構建

（一）科教融合，引入研究性實驗，豐富實驗教學內容

任課教師在傳授儀器基礎原理與操作的基礎上，應持續關注并吸收國內外水質檢測的新知識和新技術，并結合自己的科研課題充實教學內容，以科研帶動教學水平的提高，激發學生學習熱情和創新意識，使該課程更具有前沿性、科學性與實用性[5-6]。具體而言，可以將水處理領域的新技術、新方法及新材料與水質分析結合起來。例如在“鐵基金屬-有機骨架材料光催化活化過硫酸鹽降解水中氟喹諾酮類抗生素研究”中，學生需在課前查閱相關文獻，了解氟喹諾酮類抗生素在水環境中的背景值與危害、鐵基金屬-有機骨架材料的化學組成與結構特點、抗生素的檢測方法及影響光催化活化過硫酸鹽技術的核心因素，包括但不限于光照強度、過硫酸鹽投加量、溶液初始pH值、共存離子等。該過程將學生參與實驗的過程向前延伸，并結合實驗過程中的樣品采集、試劑配制、儀器操作等具體步驟，提高了學生的創新意識，也能夠進一步鍛煉學生團隊協作的能力與解決實際問題的能力。

（二）結合專業分析軟件，引入案例分析

隨著高速數字計算機的發展，采用人工計算與處理所得實驗數據明顯是復雜與繁瑣的。對于大多數本科生而言，其尚未接受過系統的科研訓練，因此在實驗方案設計、數據處理與分析、規范制圖等關鍵環節顯得力不從心，往往事倍功半[7]。故在課堂內容設置方面，加入對專業分析軟件的教學勢在必行。教師在課堂教學中適當融入某些專業分析軟件的教學，如Origin、SPSS、Design Expert等，其有助于學生優化實驗方案，提高繪圖質量，最終使實驗報告撰寫更加規范。具體而言，教師可選擇已發表的科研論文案例講述具體軟件操作過程，如以“響應曲面法優化新型鋅基配位聚合物BUC-21光催化還原Cr（VI）污水”為例，詳細講述如何運用Design Expert進行因子設計、多種模型方差分析、相關系數綜合分析、模型置信度分析與獲得理論最優條件與結果。應用Origin軟件進行圖片繪制、擬合線性或非線性相關系數、斜率。還可利用SPSS軟件進行多元相關分析與聚類分析，計算變量之間的相關系數，進而有效判斷水質檢測指標可能與哪些因素有關。總體來講，學生通過學習專業分析軟件，增強了其對相關專業知識的理解，提高了其科研素養，進一步深化了科教融合的理念。

（三）引入“互聯網+”技術手段，提高學生的參與度

課題教學作為傳統教學終端，在教育資源共享、課題學習交流、學生積極性調動方面受到了一定程度上的限制。借助于“互聯網+”技術，特別是分析儀器模擬仿真軟件的應用，不僅可以使教師從枯燥的板書中解放出來，并且將一些抽象和復雜的教學內容[8]，如原子光譜法原理、X射線熒光的產生機理、色譜分離過程、質譜定性與定量原理等以視頻動態方式演示，使得學生更易理解和掌握所學內容。更為重要的是，利用模擬仿真系統解決了因實驗臺套數不足、實驗場地空間有限、學生人數過多等因素導致的教學效果不理想的問題，大幅度提高了學生的參與度。另外，本課程可與優質MOOC教學資源結合，特別是疫情常態化背景下，豐富的MOOC視頻教學資源為學生順利完成課程學習奠定了堅實的服務基礎，進一步提高本課程的教學維度。另一方面，學生通過參與MOOC全部學習環節培養了其從網絡上獲取新知識的能力，學生的主動性與積極性被充分調動，有益于進一步提高教學效果與質量。

（四）進一步強化實驗室開放，培養學生實踐與創新能力

為進一步鞏固課堂教學成果，鍛煉學生對教學內容進行反思的能力，進一步強化實驗室開放。設置開放性實驗能夠真正促進學習效果的提升，其也是我國高校實驗室發展與建設的重要內容[9-10]。具體措施是以教師的科研項目為基礎，擬定實驗項目。學生根據自己的專業方向與技能水平選擇并完成開放實驗項目。北京建筑大學新型環境修復材料與技術課題組積極踐行實驗室開放改革要求，開出了“新型金屬-有機骨架材料高效吸附水環境中砷污染物”“二維陽離子型MOF用于去除高錸酸根”“BUC-21光催化還原水環境中Cr（VI）離子”“TiO2基光催化材料降解雨水中溶解性有機物”“Eu-MOF比率檢測水中喹諾酮類抗生素”等20余項實驗項目。面對更為復雜的實際問題，只是掌握給排水分析儀器的使用與數據分析方法已經遠遠不能滿足科研需求，學生還需掌握更多的專業知識，自主檢索前沿科研文獻并設計實驗方案，與任課老師、研究生或高年級本科生共同研討，充分發揮學生的主體作用。進而做到在科學研究中培養學生應用基礎理論知識與解決科研問題的能力。

（五）完善課程管理及考核評價體系

給排水儀器分析實驗專用周作為一門實驗課程，其考核評價體系應包含課前預習、實驗操作、開放性實驗考查、實驗報告等多方面內容，量化各部分權重，綜合計算得出每位學生的最終成績。為了改變目前以學生課堂考勤為主的考核體系，扭轉學生輕視課前預習、實驗操作與實驗報告撰寫的錯誤學習觀念，未來需將以上4個指標全部納入考核評價體系，設置權重分別為5%、35%、25%和35%。特別是在實驗報告中加大思考題的難度及其在實驗報告成績中所占比例，學生需自主上網檢索當前最新文獻資料獲得相應答案，提高學生的參與度與主觀能動性，最終實現令人滿意的教學效果。

（六）思政教育有機融入整個課程教學

素質教育除了使學生擁有過硬的專業素質，還體現在具有強烈的愛國主義精神和正確的是非曲直觀念，因此思政教育就顯得至關重要[11-12]。對于給排水儀器分析實驗專用周這一課程而言，其具有鮮明的專業特色與豐富的思政教育資源。例如，原子熒光光譜儀是具有中國特色且具有自主知識產權的光譜分析儀器。相比于原子吸收光譜儀，原子熒光光譜儀在元素分析方面，特別在測試砷與汞元素時具有更高的靈敏度與更低的檢測限，堪稱是“國貨之光”。教師通過講解此案例激發學生的民族自豪感，但也客觀介紹我國大型精密分析儀器的開發工作起步較晚，與美國、日本、英國發達國家的差距仍然較大，面臨許多“卡脖子”難題，借此進一步激發學生的愛國熱情，讓其努力學習和鉆研，將來立志擔當民族的重任。另外，儀器分析相關課程均隸屬自然科學范疇，處處體現尊重客觀事實、理性推斷與分析的唯物主義思想。因此，在實驗操作環節，教師應反復提醒學生客觀、嚴格地記錄實驗數據，不得隨意篡改。整體實驗結束后再對獲得的實驗數據進行處理，分析與真值之間具有偏差的原因，也進一步培養了學生誠實守信的精神。最后，教師還可以結合實際案例介紹近年來嚴重的水環境污染事件，與學生互動討論所學儀器在污染物分析及水環境預警方面的應用，使得學生進一步了解所學知識在國家經濟發展與保障人民生活水平方面所發揮的巨大作用。

三、教學改革成效

總體而言，該課程的改革與探索獲得院內師生的一致好評。許多市政工程專業的研究生因為本科高校并未開設本課程而自行旁聽，對本課程較為認可。與此同時，教師會在課程結束后以調查問卷的方式獲得學生的反饋意見，進而不斷優化教學內容與方法。另外，作為給排水科學與工程專業的必修課程，給排水儀器分析實驗專用周課程的改革在人才培養方面取得了豐碩的成果。可以明顯感覺到學生的學習積極性被充分調動起來，實驗動手能力與文字撰寫能力得到了大幅提高。更為重要的是，思政教育在潛移默化中強化了學生對所學專業的價值認同感。近3年來，給排水科學與工程專業的學生以所學分析儀器為工具手段，不斷在國內核心期刊、SCI期刊上發表論文，獲得專利授權。在“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、“創青春”中國青年創新創業大賽、全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽、北京市大學生節能節水低碳減排社會實踐與科技競賽、北京市大學生化學實驗競賽等學科競賽中取得了優異成績，學生的實踐創新能力被充分挖掘出來。

四、結束語

通過教師團隊幾年來的辛勤努力，給排水儀器分析實驗專用周課程改革取得了一定的成效，我們欣慰地看到學生們實驗操作技能獲得了充分的鍛煉，團隊合作能力被充分挖掘，專業口語表達與科技寫作能力明顯改進，文獻檢索與相關專業軟件應用能力得到進一步提升。筆者認為，未來將會有更多的給排水專業的學生從事科學研究工作，因此課程的改革應重視與其他課程的有機結合，豐富教學內容，融入教學新技術，緊追科學研究前沿，以學生為主體，提高其創新與實踐能力。隨著課程改革的持續深入，給排水儀器分析實驗專用周課程在培養本專業高級專業人才方面將發揮更重要的作用。更為重要的是，該課程教學改革模式將為開設給排水專業的兄弟院校設置水質分析相關實驗課程提供有力的借鑒。

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