新形勢下環境儀器分析課程建設模式探索

張麗彬　郭淵明　陳顥明　江心白　沈錦優

［摘 要］在我國持續推進生態文明建設以及高校線上線下融合教學的新形勢下，文章對環境工程專業人才培養課程教學模式展開探索，針對環境儀器分析這一專業基礎課程，通過模塊化整合課程大綱章節、課程思政融入結合問題導向案例式引入、生動具象化原理講解和強化線上線下融合課程中的過程考核等舉措，提升課程建設質量、優化教學模式、助力環保人才培養。

［關鍵詞］環境儀器分析；模塊化；問題導向；具象化；過程考核

［中圖分類號］ G642.3 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）09-0020-03

一、環境儀器分析課程改革的基礎及問題

環境儀器分析課程是環境類專業本科生在具備無機、有機、分析化學等知識的基礎上必修的學科基礎課。課程對培養學生的獨立工作能力，使其掌握現代研究手段與方法起到重要作用。課程教學目標為有機結合環境儀器分析主線課程與相關實驗課程，立足于融合環境污染物檢測基本原理和應用技術等知識，培養學生具備較好的分析、解決問題能力，使其成為相關專業的復合型人才；培養學生解決實際環境污染問題的能力，使其樹立正確價值觀，積極踐行“工匠精神”；逐漸形成課堂形式多元化及模塊化、理論聯系實際、貫穿本科教學全過程的課程體系。

目前，環境儀器分析課程體系多以儀器結構組成、工作原理等理論知識的講授為主，并結合環境監測實驗的實踐教學，主要存在以下亟須解決的重點問題：一是本課程理論性較強。環境污染物檢測主要是化學分析與儀器分析方法的結合，對分析儀器工作原理的扎實掌握必不可少。然而，學習儀器分析原理需要大量的有機化學、物理化學、化工原理知識基礎，在課程學習中需對多學科知識點進行融會貫通。此外，知識點介紹理論性較強，一些學生對部分儀器原理的理解存在困難。二是課堂互動不足、反饋不及時。以往課程教學中缺乏教師與學生有效互動，學生的創新創造能力難以體現；傳統的多媒體教學方式難以充分發揮教師的引導作用，教師與學生互動交流的缺失使得信息反饋不及時。三是與相關課程的有機銜接性欠佳。學生在先修課程、專業基礎課程和后續實驗課程、專業課程的學習中，缺乏對環境工程專業課程的整體性認知[1]。

二、環境儀器分析課程改革方案

針對上述問題，課題組對環境儀器分析課程在教學大綱、課程建設模式和教學方式等方面進行了改革。

（一）模塊化整合課程大綱章節

將課程內容整合為色譜分析、光譜分析、質譜分析、電位分析及聯用技術幾大模塊，便于知識點類比，并突出重難點知識的串聯講解；同時，鑒于環境生物技術在水體、土壤污染治理技術中的廣泛應用，擬在課程中加入環境生物樣品分析的分子生物學實驗技術以及高通量測序分析原理相關內容。

進行模塊化整合后，課程的色譜分析模塊包括：氣相色譜分析法亞模塊，如色譜法概述及分類、氣相色譜分析；高效液相色譜分析法亞模塊，如高效液相色譜儀、高效液相色譜法的分類及分離原理、高效液相色譜法的應用。光譜分析模塊分為原子光譜法和分子光譜法亞模塊。原子光譜法包括：原子發射光譜分析法，如原子發射光譜分析的基本原理、原子發射光譜儀器、光譜定性分析及應用、光譜定量分析及應用；原子吸收光譜分析法，如原子吸收光譜的產生原理、原子吸收光譜測量的基本依據、原子吸收光譜儀器、干擾及消除方法、原子吸收光譜法的應用。分子光譜法亞模塊包括：紫外吸收光譜分析法，如分子光譜分析的分類及特點、紫外吸收光譜法；紅外吸收光譜分析法，如紅外吸收光譜法的分析原理、紅外光譜儀和實驗技術、紅外吸收光譜法的應用；分子熒光光譜法如熒光光譜法基本原理、熒光分析儀器。質譜分析和電位分析獨立形成模塊，包括：質譜分析法，如質譜分析法概述、有機化合物質譜峰、有機化合物質譜與分子結構關系、質譜儀器；電位分析法，如電化學分析法概述、電位分析法概述、電位滴定法、伏安分析法。

（二）課程思政融入結合問題導向案例式引入

課題組結合環境工程專業特點，圍繞國家《關于深入打好污染防治攻堅戰》《關于加快建立健全綠色低碳循環發展經濟體系的指導意見》等重要文件精神，在課程講授過程中通過思政元素融入培養學生的生態文明觀及工匠精神。同時，基于以問題為導向的教學模式（Problem-based Learning，PBL）[2]，通過案例引入教學模塊主體內容。

在色譜分析模塊，通過水體農藥污染、果蔬農殘污染的案例引入，引導學生在從發現問題到解決問題的過程中，認知、理解氣相色譜分析、高效液相色譜分析在環境污染中的應用及原理，同時融入有機污染防治任重道遠的理念、培養學生的環境保護責任感。在光譜分析模塊，原子光譜分析亞模塊以大氣鉛污染、土壤重金屬污染案例為引導進入章節學習，讓學生帶著問題學習重金屬測定使用的原子發射光譜分析法和原子吸收光譜分析法。在分子光譜亞模塊，紫外光譜章節通過水體富營養化案例引入，介紹氮磷檢測儀器的使用方法及其應用；紅外光譜章節通過海洋石油污染案例導入課程內容學習。在質譜分析模塊，以復雜廢水環境污染樣品的分析檢測為例引出液質聯用技術，導入章節學習內容。在電位分析模塊，通過自然水體水質指標的現場快速測定案例，引出章節學習中的重要知識點。另外，我國近年來在生態文明建設和生態環境治理方面取得了豐碩成果，在教學模塊中有機融入這些環境治理案例，可在提高學生學習興趣的同時，逐步樹立其生態文明理念[3]。

儀器分析知識要充分融入環境污染問題學習的“發現—分析—解決”全流程中。結合專業開設的新生研討課，在大一階段向學生展示儀器分析在環境污染問題發現中的應用需求，并使其貫穿后續相關基礎課程知識點的學習，以及環境污染治理技術課程、實驗課程的學習等全過程，從環境污染問題“發現”到環境污染問題“分析”直至環境污染問題“解決”全流程滲透、融入，以實現新工科課程建設背景下的人才培養目標[4]。

（三）生動具象化原理講解

在環境儀器分析課程中，儀器原理的介紹多為抽象化內容，學生理解較為困難。在授課過程中，可通過結合生活實際，將抽象化原理進行具象化解釋。如在課程的色譜分析模塊中，氣相色譜和高效液相色譜章節均涉及色譜分離中物質在固定相和流動相中的多次分配原理。結合日常生活實際引入具象化類比，有助于學生理解多次分配的原理。在原理講解過程中，可將課堂中的男同學和女同學比喻為進入色譜中的待分離組分、將色譜分離的過程比喻為全體同學一起去商業街購物的過程。全體同學在商業街中前行，街上人流就如同色譜流動相、街兩邊的各種店鋪就如同色譜固定相。通常，女同學傾向于多次進入店鋪選購商品且在店鋪中停留的時間較長，因而較晚到達商業街的盡頭；而男同學則相反，他們傾向于較少進入甚至不進入店鋪而直接隨著人流行進至商業街盡頭。這一過程中，女同學的行為模式類似于待分離組分中分配系數較大、與固定相作用較強，因而在柱中停留時間長，較晚流出色譜柱的組分，這些組分在色譜圖中出峰較晚。相反，男同學的行為模式則類似于分配系數較小、在柱中停留時間短、較早流出色譜柱的組分，這些組分在色譜圖中出峰較早。通過這樣具象化、生動化的類比講解，可使學生結合生活經驗，將色譜分離中復雜、晦澀的原理更好地進行吸收、理解，有利于其后續色譜分離相關知識點的學習。

又如，在光譜分析模塊中介紹，原子吸收之父沃爾什發明的銳線光源完美解決了原子吸收的測量難題，使該分析方法得以推廣應用。其中，關于銳線光源的峰值吸收代替連續光源的積分吸收的原理，學生在學習過程中通常較難直接理解。對于這一原理的講解，教師可結合生活經驗采用具象化的教學方式。采用連續光源時，可將原子吸收過程類比為一塊蛋糕被蚊子叮咬一口，若想求出這塊蛋糕被叮咬的部分占比多少，顯然是難以測算的。這個例子就類似于連續光源中由于被吸收的部分占比太小，采用現有分光技術無法實現測量的情況。然而，采用銳線光源的峰值吸收系數替代以后，相當于將蛋糕切成極薄的薄片后再被蚊子叮咬一口，此情形中由于被叮咬的部分在被切后的蛋糕中占比顯著提高，因而有望實現其測算。

（四）在線上線下混合式課程建設中強化過程考核

當前，線上線下混合式課程逐漸成為高校課程教學的新趨勢。形式多樣的多媒體技術構建的線上教學系統如超星學習通等，已被廣泛地應用于開放式線上教學中。環境儀器分析課程涉及的章節內容繁多，且儀器原理之間的聯系和差異容易引起學生對知識點的混淆。同時，受限于傳統課堂的容量，在規定課時內教師通常只能遵循課程進度安排將課程章節內容連貫講解，而難以將重難點進行反復、充分講解，部分學生對課程相關知識點的理解存在一定困難。

一方面，通過線上線下混合式課程，可有效擴大課程容量，將學習過程由“被動低效”轉化為“主動高效”。課題組基于線上教學平臺中教學資源的優點和特色，結合自身教學實際，針對課程章節的具體內容選擇重難點知識制作相應的視頻課件，將儀器工作原理的重難點內容以短視頻的方式在線上課程進行系統展示，有針對性地精講知識點。采用這種形式，可以提高學生學習的主動性，使其根據自身在線下課堂中存在的問題，利用碎片化時間進行選擇性學習、自主在線上課程系統中反復觀看學習。這樣可在保證學習時間的同時提高學生的學習興趣，促進學生對課程知識點的吸收、理解和掌握[5]。另一方面，在線上線下混合式課程中可以進行更為靈活的教學設計，設置線上作業、在線答疑、在線互動討論等多樣化的教學環節。線上線下混合式課程還可以在線下授課的基礎上，在線上對學生進行有針對性的教學輔導，解決學生學習的個性化問題。通過高效、多元化的線上線下混合課程的構建，可有效調動學生的學習積極性、提升課程教學效果[6]。教師根據在線互動討論、答疑等環節的反饋結果，進行課程反思及改進。此外，在線上線下混合式課程中，基于學習播放記錄、在線互動參與度等數據，通過合理分配考核成績的權重，可有效支持課程評價中過程性考核成績的科學性、客觀性。

為提高課程教學及學生培養質量，課題組根據《深化新時代教育評價改革總體方案》《教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》等有關文件精神，結合環境儀器分析課程特點，對課程考評方式進行優化，健全課程考核制度，客觀、公正、準確地檢驗課程教學質量。課程考評方式優化過程中要注重知識考核與能力考核相結合、理論與實踐相結合、過程性評價與結果性評價相結合。通常環境儀器分析課程考核主要采用“考試+平時成績”模式，即以期末閉卷考試成績為主、以章節作業成績為輔來評定最終成績，在當前線上線下融合的教學形式下有一定的局限性。針對課程的特點，可將課程考評分為偏重學生日常學習成果、形成持續性評價的過程性考核，以及偏重學生最終學習成果、形成總結性評價的結果性考核。兩部分考核評分可分別依據課堂表現、章節測驗、課程作業、隨堂測試、課程報告、課程論文等過程性考核，以及筆試、口試或者網絡考試等結果性考核來進行。通過過程性考核和結果性考核結合，特別是過程性考評比重的提升，全面發揮課程考核的檢測、診斷、導向、評價、反饋等功能。

三、結語

在生態文明建設及新工科背景下，開展科學合理的環境儀器分析教學模式改革極為必要。本文融合在線課程與傳統課堂教學，建設線上線下有機結合、模塊化知識整合、授課形式豐富的多元化課程教學系統；將主線課程與新生研討課、先修課程、實驗課程緊密連接，形成貫穿學生學習環境污染問題的“發現—分析—解決”全流程的環境儀器分析課程體系。上述舉措可有效提高學生的綜合素質及思維能力，為培養新形勢下的工程人才奠定堅實基礎。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 譚峰，張新.生態文明新時代下環境監測實驗教學改革[J].大學教育，2021（1）：69-71.

[2] 張彥琦，易東，伍亞舟，等.基于PBL教學模式的醫學統計學理論教學案例設計[J].重慶醫學，2016，45（11）：1574-1575.

[3] 郇慶治，李宏偉.生態文明建設十講[M].北京：商務印書館， 2014.

[4] 曾映旭，秦玉春，劉瑞娜，等.新工科背景下環境類儀器分析課程改革探索與教學效果分析[J].高教學刊，2021，7（S1）：126-129.

[5] 賈海浪，林麗霞.儀器分析線上線下混合式課程改革探討[J].化學教育（中英文），2022，43（8）：32-37.

[6] 孫彩麗.以增強實踐性為目的的《環境儀器分析》教學改革探討[J].廣東化工，2019，46（15）：227-228.

［責任編輯：劉鳳華］