淺談有機化學在環境基礎化學中的地位

沈舒蘇 張干偉 郭永福 劉大朋

【摘要】結合目前環境學科發展的需求，對原有環境類基礎化學課程進行改革。我校面向環境類本科生開設環境基礎化學課程已有三年，本文主要針對有機化學知識在環境基礎化學教學中的地位與重要性提出幾點探討。

【關鍵詞】有機化學? 環境類? 基礎化學? 教育

【基金項目】蘇州科技大學教學改革與研究專項項目（2019JGZ-07）。

【中圖分類號】G642 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）30-0181-02

習近平總書記強調要加強生態文明建設，共建人類命運共同體。2021年3月份發布的“十四五”規劃綱要中又一次指出了生態環保的重要性，生態環境的重要地位日漸凸顯。作為培養環境類人才的專業學校，我校環境科學與工程學院早在1985年開始首次招收環境工程類本科生，后陸續開設環境科學、給排水等相關環境類專業。

環境問題與化學密切相關，例如：分析環境參數時需要借助化學手段和儀器，大部分環境污染物為化學物質，解決環境污染問題時必需化學知識和技術等。化學知識在人類認識環境問題、制定環境保護政策時提供科學依據方面發揮著重要作用。因此，環境類專業人才應掌握一定的化學基礎知識。目前，大部分環境類院校均為本科生開設了如《普通化學》《分析化學》《物理化學》《有機化學》《環境化學》等相關化學課程[1]。但是，這些課程也是化學專業學生的必修課程，其在內容設置上偏重于理科，在一定程度上無法與環境類人才的培養目標緊密結合。因此，我校新設了《環境基礎化學》課程[2]，教學內容涵蓋了與環境現象和問題緊密聯系的物質結構、無機化學、有機化學和生物大分子等基礎知識點。課程目標是使學生具有扎實的化學知識，理解環境現象背后的化學原理，培養學生運用化學思維和科學手段來分析與解決環境問題;此外，該課程的開設也為后續環境類專業課程學習打下基礎。

一、有機化學的地位

有機化學又稱為碳化合物的化學，主要研究有機化合物的組成、結構、性質、制備方法與應用的科學，是化學中極重要的一個分支。其中，有機化合物是由碳、氫、氧等元素組成的化合物，如最簡單的有機物是甲烷（天然氣的主要成分）。大部分有機化合物與人類生產生活密切相關，為人類進步做出了巨大的貢獻。如維持生命體所必須的維生素、治愈各類疾病的合成藥物、提高農作物產量的有機肥料、為人類生活提供便利的各種新型材料等，均屬于有機化合物范疇。不可否認的是，部分有機化合物是有毒有害的，且易引起環境污染，環境中的污染物多為有機物。有些有機物進入環境中以后，發生長距離遷移并長期存在于環境中;它們具有長期殘留性、半揮發性和高毒性，易通過食物鏈轉移并進入生物體內，被稱為持久性有機污染物（POP），會對人類健康和環境造成嚴重的危害[3]。

因此，有機化學知識的學習，對于環境類學生來說非常重要。學生不僅需要認識有機物的基本結構特征，還應該學習有機化合物在環境中發生的常見化學反應及反應機理，尤其是應該加強環境中有機污染物的降解機理的學習。同時，還應該配備相應的有機化學實驗教學，提升學生的動手實踐能力。

二、環境類有機化學教學面臨的問題

雖然各大環境類院校開設了基礎化學的教學，但是其中涉及有機化學部分的講解較少，而分析化學和無機化學的知識所占比重過大。例如，在我校進行環境基礎化學課程改革之前，主要由化學系老師教授《普通化學》《物理化學》《分析化學》這三大課程。也有不少學校意識到有機化學的重要性，針對環境類學生開設了《有機化學》，但是教學內容往往過于深入繁雜，對于環境類學生來說難度較大。因此，面向環境類本科生所開設的基礎化學的教學中，應注重分配有機化學教學的學時，重新編排有機化學部分的教學內容，使其更易被環境類學生接受。

有機化學知識與其他類別化學知識相比，學習難度較大。主要體現在：（1）有機化合物的結構較為復雜，分類較多，化合物的名稱難記。如有機物往往存在同分異構體現象，且立體結構較多;化合物的命名規則除了系統命名法，還有IUPAC命名法等。（2）有機化學反應較多，反應條件多變，產物較難預測。與無機化學反應的最大不同是有機反應幾乎無法100%轉化，且產物結構不唯一。（3）有機反應的機理眾多，涉及許多熱力學知識和動力學知識等。（4）有機化學實驗多需要使用有危害的化學藥品，實驗裝置復雜，對實驗教學條件要求嚴格，且學生實驗失敗率高，易讓學生產生挫敗感等。因此，在面向環境類本科生進行有機化學教學過程中，應該注意避免教學內容的枯燥性，注重調動學生的積極性，盡量精簡教學內容。應該結合實際，分析目前環境中遇到的有機化學現象和實事問題。應該加強實驗教學，這不僅有利于學生加強對化學反應和機理的認知，同時還能提高學生的實驗能力。

三、措施與建議

我校環境科學與工程學院在2018年新設《環境基礎化學》課程，取消了原有的《普通化學》的教學。其主要變動為：在保留原有的部分無機化學和分析化學的基礎之上，增加了有機化學知識內容。該課程總學時為64學時，其中理論學時為40學時，實驗學時為24學時。有機化學分配的學時為24學時，由16學時的理論教學和8學時的實驗教學組成，合計占總學時的38%，即有機化學在環境類基礎化學中的占比大大提高。

（1）優化師資隊伍。本課程教學團隊梯度合理，包括教授、副教授、講師和實驗員，團隊主要成員均博士畢業于國內外有機化學或高分子化學等專業，專業知識功底扎實。作者系新加坡南洋理工大學有機化學博士畢業，有超過10年的有機化學研究經歷，熟練掌握有機化學知識中的難點和重點。團隊教學成員均任職于我校環境科學與工程學院，研究領域主要集中在環境工程和環境科學方向，能夠實時了解環境專業前沿動態，能將化學教學與環境需求緊密結合，做到有的放矢。

（2）豐富教學內容。結合環境類專業特點，課程簡單地介紹不同有機物的結構特點和其在人類生活中的重要作用，重點講解環境有機污染物的有機反應及其在環境治理過程中的降解與轉化機理。例如，在學習芳香烴化合物時，通過向學生介紹環境有機污染物多氯聯苯（PCB）的結構多樣性，分析其污染來源及在環境中會產生什么樣的危害，讓學生知道目前PCB的處理難度主要是由其化學結構穩定所導致的，加強學生對芳烴化合物結構的認知。適時地讓學生了解相關污染物的處理技術。此外，結合目前市面上無相關《環境基礎化學》教材，教學團隊已在積極整理教學資料，為環境類專業學生編寫合適的教材。

（3）教學手段多樣性。教師課堂授課注重線上線下相結合，教學團隊開發小規模限制性在線課程（SPOC）課程，為本校環境類學生提供多種學習渠道。除了理論教學方式的豐富，本課程為有機化學教學增加了實驗學時。如開設了“芬頓試劑氧化法處理模擬有機廢水”的自主性實驗教學。讓學生自己探究芬頓法降解有機廢水的實驗條件，如調節溶液pH值、反應溫度、反應時間等。通過自主探究實驗，學生可以充分了解芬頓反應的原理和影響因素;通過分析廢水中有機物的去除機理，可以加強學生對有機物自由基反應的認知。通過“纖維素的水解實驗”，可以強化學生對聚合物分子的認識，了解環境中有機物或聚合物等的降解過程和轉化機理。此外，還可通過文獻調研、提交調研報告等形式，讓學生了解環境中的有機化學學科的發展前沿問題，讓學生自主討論，提高學生課外自主學習的能力。

（4）加強學生的思想政治教育。如通過有機化合物應用實例（新型環境污染物等）的引入，讓學生知道環境保護的重要性。例如，在學習鹵代烴化合物時，通過學習二氯二苯三氯乙烷（DDT）的結構，向學生講解DDT的發展歷史。它在二戰時期治療瘧疾、痢疾等疾病方面發揮了重大的作用，同時，由于其優異的殺蟲性能被廣泛用作殺蟲劑。但是，隨著時間的推移，DDT對物種的毀滅性危害也逐漸顯現。告訴學生事物都具有兩面性，要學會辯證地看待事物。培養學生樹立正確的科學觀、人生觀和價值觀。例如在學習有機高分子材料時，結合目前中國在禁塑方面做出的努力，向學生介紹可降解高分子材料的發展近況，培養學生人與自然和諧統一的理念;同時，培養文化認同，增強民族自信。

以上僅是目前我院《環境基礎化學》教學團隊在強化有機化學教學過程中所做的初步試探，但仍存在一定的不足。例如，學時相對較少，在有限的學時內增加有機化學的知識，對于學生來說，可能學起來略顯吃力，教學內容上無法做到全面覆蓋。因此，我們仍在不斷努力完善教學內容的簡練和提升。

需要指出的是，無論是面向環境類本科生，還是其他學科的學生，都應掌握一定的化學知識。其中，有機化學在化學教學中的地位應該引起重視。

參考文獻：

[1]于瑞蓮，胡恭任，劉賢榮. 面向環境類本科生的環境化學教學改革探索[J].廣東化工 2017，44：178-179.

[2]張干偉，沈舒蘇，劉大朋，王俊霞，吳友誼. 高校環境專業基礎化學課程教學改革思路探索[J].教育教學論壇 2019，37：139-140.

[3]王云海，陳慶云，趙景聯.環境有機化學[M].西安交通大學出版社， 2015.

作者簡介：

沈舒蘇（1984年-），女，漢族，江蘇連云港人，有機化學博士，副教授，研究方向為環境工程與材料。

郭永福（1973年-），男，漢族，山西人，環境工程博士，教授，研究方向為給水及廢水處理技術。