《水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)》課程中現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)教學(xué)研究

聶小保 隆院男 萬(wàn)俊力

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院 湖南·長(zhǎng)沙 410114）

《水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)》是給排水科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一，主要講述水環(huán)境一般性質(zhì)、水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)方法，包括水環(huán)境污染、水環(huán)境功能、水樣采集與保存、水質(zhì)指標(biāo)測(cè)試及評(píng)價(jià)分析等知識(shí)。該課程的教學(xué)目標(biāo)之一是“掌握水質(zhì)指標(biāo)的常規(guī)和現(xiàn)代測(cè)試分析方法”，教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)之一便是“現(xiàn)代化測(cè)試分析儀器工作原理”。

與水環(huán)境監(jiān)測(cè)密切相關(guān)的現(xiàn)代化測(cè)試分析技術(shù)包括光學(xué)類(lèi)、電化學(xué)類(lèi)、色譜類(lèi)及其它，主要涉及的儀器如熒光分光光度計(jì)、紫外—可見(jiàn)分光光度計(jì)、傅里葉紅外分光光度計(jì)、原子吸收分光光度計(jì)、高效液相色譜儀、氣相色譜儀、質(zhì)譜儀、離子色譜儀、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、X射線衍射儀、電位滴定儀、激光粒度儀、掃描電鏡、透射電鏡等。

我校2018年對(duì)給排水科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案進(jìn)行了修訂，將《水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)》課時(shí)由32學(xué)時(shí)壓縮到24課時(shí)。以此為契機(jī)，給排水系開(kāi)展了該課程的教學(xué)改革探索，嘗試調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)現(xiàn)代化測(cè)試分析技術(shù)。

1 強(qiáng)化現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)教學(xué)的必要性

1.1 現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中的廣泛應(yīng)用

目前，現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，檢測(cè)內(nèi)容涉及物質(zhì)組成成分、結(jié)構(gòu)和在水環(huán)境中的存在形式。對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)而言，了解被監(jiān)測(cè)物質(zhì)的微觀形態(tài)至關(guān)重要。如掃描探針顯微鏡利用探針尖端到達(dá)原子表面，從而觀察到水環(huán)境監(jiān)測(cè)物質(zhì)的原子、分子層面的形貌；傅里葉紅外光譜儀可以在紅外光照射到樣品時(shí)，通過(guò)監(jiān)測(cè)樣品表面電荷分布變化，對(duì)物質(zhì)表面官能團(tuán)定性分析。基于電磁輻射和粒子運(yùn)動(dòng)等性質(zhì)建立的現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)，也在水環(huán)境監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用。

以長(zhǎng)沙市為例，相關(guān)企事業(yè)單位、科研院所都建立了現(xiàn)代測(cè)試分析中心，如長(zhǎng)沙市猴子石水廠水質(zhì)檢測(cè)中心、鑫遠(yuǎn)環(huán)境集團(tuán)、湖南省水質(zhì)檢測(cè)中心、湖南省水文局、中南大學(xué)、湖南大學(xué)、長(zhǎng)沙理工大學(xué)等。大型分析儀器如電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、X射線衍射儀、TOC儀、高效液相色譜、離子色譜儀等取代了以四大滴定為核心的傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，在水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、修復(fù)與治理方面發(fā)揮了重要作用。

1.2 本科生創(chuàng)新性學(xué)習(xí)的需求

為了培養(yǎng)高層次理工科人才，許多學(xué)校都結(jié)合材料表征手段及設(shè)備開(kāi)設(shè)了現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)的課程，但是許多只采用單一的儀器原理講解或者儀器參觀的教學(xué)手段，不能滿足學(xué)生在教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自我創(chuàng)新的需求。大學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的目的旨在將自己培養(yǎng)扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，并適應(yīng)特定領(lǐng)域的應(yīng)用性人才，在該課程的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容及模式上均不能單一化，要根據(jù)不同教學(xué)情況設(shè)計(jì)具體方案，鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力和發(fā)散思維，加強(qiáng)動(dòng)手和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

1.3 水環(huán)境領(lǐng)域畢業(yè)生需求

近年來(lái)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)及保護(hù)領(lǐng)域保持了較快發(fā)展，各地環(huán)保企業(yè)都有所增多，因此，對(duì)水環(huán)境領(lǐng)域畢業(yè)生需求大增。不同企業(yè)對(duì)畢業(yè)生需求有共性也有差異，但總體趨勢(shì)上對(duì)水環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域人才專(zhuān)業(yè)技能要求提高，學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)牢固，具備扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能，實(shí)踐動(dòng)手能力強(qiáng)。因此，需要針對(duì)現(xiàn)有人才培養(yǎng)模式的優(yōu)點(diǎn)和不足，完善人才培養(yǎng)方案，更新教育理念，探索強(qiáng)化現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)教學(xué)改革思路，切實(shí)提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

2 我校加強(qiáng)現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)教學(xué)的可行性

2.1 大型分析設(shè)備齊全

近年來(lái)，隨著我校雙一流學(xué)科建設(shè)以及中央財(cái)政對(duì)地方高校能力建設(shè)工作的推進(jìn)，以及洞庭湖水環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南省環(huán)境保護(hù)河湖疏浚污染控制工程技術(shù)中心等省部級(jí)科研平臺(tái)的建設(shè)，我校大型分析測(cè)試儀器設(shè)備所占比重越來(lái)越高，種類(lèi)相對(duì)齊備、臺(tái)套數(shù)相對(duì)充足，能夠同時(shí)滿足教學(xué)和科研需求。其中洞庭湖研究中心在業(yè)務(wù)關(guān)系上隸屬于給排水系所在的水利工程學(xué)院，擁有熒光分光光度計(jì)、傅里葉紅外分光光度計(jì)、高效液相色譜儀、氣相色譜儀、質(zhì)譜儀、離子色譜儀、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、X射線衍射儀、電位滴定儀、激光粒度儀、Zeta電位儀和掃描電鏡等大型儀器，為加強(qiáng)現(xiàn)代測(cè)試分析技術(shù)教學(xué)提供了必要的硬件條件。

2.2 實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)職教師隊(duì)伍強(qiáng)大

洞庭湖中心現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室編制專(zhuān)職人員5人，其中高級(jí)實(shí)驗(yàn)師4人，中級(jí)實(shí)驗(yàn)師2人，均為市政工程或環(huán)境工程博士。上述專(zhuān)職教師積累了豐富的實(shí)驗(yàn)室工作經(jīng)驗(yàn)，并主持完成多項(xiàng)國(guó)家級(jí)課題，能夠有效引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)范使用大型分析測(cè)試儀器。

2.3 與設(shè)備廠家、供應(yīng)商擁有良好的長(zhǎng)期合作

我校長(zhǎng)期與各類(lèi)大型設(shè)備廠家、供應(yīng)商進(jìn)行廣泛合作，如湖南中儀公司、長(zhǎng)沙上?？萍脊尽步輦惞?、島津公司、瑞士萬(wàn)通公司等。上述設(shè)備廠家和供應(yīng)商均具有強(qiáng)大設(shè)備研發(fā)實(shí)力，有著完善的售后服務(wù)能力。其中中儀公司經(jīng)營(yíng)規(guī)模一直位于全國(guó)500家大型外貿(mào)企業(yè)前列，安捷倫科技有限公司是一家多元化的高科技公司，主要致力于通訊和生命科學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)銷(xiāo)售和技術(shù)服務(wù)。島津公司建立于1875年，以光技術(shù)、X射線技術(shù)、圖像處理技術(shù)這三大核心技術(shù)不斷推陳出新，使島津公司的產(chǎn)品在全世界都享有很高的評(píng)價(jià)。

我校與上述優(yōu)秀的設(shè)備廠家、供應(yīng)商建立長(zhǎng)期合作，使我校擁有規(guī)范的采購(gòu)設(shè)備流程以及完善的大型分析測(cè)試儀器的使用培訓(xùn)、維護(hù)保養(yǎng)能力，能夠更好的滿足教學(xué)與科研任務(wù)。

3 現(xiàn)代測(cè)試分析教學(xué)實(shí)施過(guò)程

3.1 教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

隨著水環(huán)境法規(guī)和水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的完善，更多污染物種類(lèi)被納入水環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，常規(guī)監(jiān)測(cè)方法和測(cè)試技術(shù)無(wú)法滿足需求，為培養(yǎng)學(xué)生對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的現(xiàn)代測(cè)試分析方法的能力，須對(duì)《水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)》實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整。

教學(xué)內(nèi)容調(diào)整如下：（1）增加2個(gè)課時(shí)現(xiàn)代測(cè)試分析方法操作培訓(xùn)（課外）；（2）原有12個(gè)課時(shí)的常規(guī)分析測(cè)試方法改為6個(gè)課時(shí)的現(xiàn)代測(cè)試分析方法。具體教學(xué)內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1：現(xiàn)代測(cè)試分析方法教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)分配

3.2 現(xiàn)代測(cè)試分析方法操作培訓(xùn)

現(xiàn)代測(cè)試分析方法操作培訓(xùn)在教學(xué)模式上，采用廠家與儀器供應(yīng)商聯(lián)合對(duì)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，其中安捷倫公司與島津公司負(fù)責(zé)高效液相色譜、FTIR、ICP-MS的操作培訓(xùn)，中儀公司與上?？萍脊緦?duì)Zeta電位儀、TOC、XRD的操作培訓(xùn)。

教學(xué)思路設(shè)計(jì)要求根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的特點(diǎn)，具體細(xì)化其教學(xué)內(nèi)容，在實(shí)際教學(xué)培訓(xùn)過(guò)程中可以通過(guò)介紹儀器的主要功能、實(shí)現(xiàn)方法、操作注意事項(xiàng)、影響因素等，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情；通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)儀器的操作方法視頻介紹實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)試分析過(guò)程；通過(guò)結(jié)合應(yīng)用實(shí)例來(lái)闡述現(xiàn)代分析測(cè)試方法在水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中的作用，并通過(guò)研討來(lái)加深對(duì)現(xiàn)代測(cè)試分析方法的理解。此外，培訓(xùn)過(guò)程中還須將現(xiàn)代測(cè)試分析方法與水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)發(fā)展趨勢(shì)聯(lián)系，提升學(xué)生對(duì)掌握測(cè)試分析方法的積極性。

3.3 大型儀器輪流演示教學(xué)方案

大型儀器輪流演示教學(xué)采用教師演示教學(xué)，學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和課后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的教學(xué)模式。其教學(xué)目標(biāo)主要是通過(guò)演示大型儀器對(duì)水環(huán)境指標(biāo)的測(cè)試流程，加深學(xué)生對(duì)儀器測(cè)試分析流程和操作注意事項(xiàng)的掌握。其具體教學(xué)方法為：（1）將學(xué)生分為6個(gè)小組，每組15人。（2）選擇六臺(tái)儀器進(jìn)行實(shí)操演示教學(xué)。（3）每種儀器的實(shí)驗(yàn)課時(shí)為1課時(shí)，其中10min為實(shí)驗(yàn)儀器準(zhǔn)備時(shí)間，20min實(shí)驗(yàn)儀器演示時(shí)間，15min實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄時(shí)間，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時(shí)間。

3.4 教學(xué)反思

自2019年開(kāi)始，我校已經(jīng)在《水環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)》課程中開(kāi)展現(xiàn)代測(cè)試分析方法教學(xué)2屆，教學(xué)效果顯著。其中有2名本科生畢業(yè)后就職于水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心，在大型分析儀器的操作方面上手快、儀器功能開(kāi)發(fā)能力強(qiáng)，收到用人單位的好評(píng)；在校學(xué)生有4人次采用大型分析儀器開(kāi)展創(chuàng)新性研究，在全國(guó)水利科技競(jìng)賽上取得一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。但實(shí)施過(guò)程中也暴露了一些問(wèn)題，主要是需要洞庭湖中心實(shí)驗(yàn)人員的全方位配合，在樣品準(zhǔn)備和預(yù)處理方面工作量較大。此外，相關(guān)耗材的費(fèi)用也暫時(shí)沒(méi)有著落，需要在教師的科研經(jīng)費(fèi)中支出。如果解決上述問(wèn)題，還需要進(jìn)一步進(jìn)行探索。