基于拓展數學思維與學習深度的環境分析類課程改革探索

摘 "要：新時代社會經濟技術的快速發展急需具有創新能力的新型人才。為落實面向未來、面向世界、面向需求的新型人才培養的新工科教學改革，天津大學環境分析監測教學團隊開展針對環境分析監測課程的多方位改革實踐。該文介紹環境分析監測課程中環境分析化學部分的課程改革實踐，引入水化學的數學計算強化數學思維的訓練，所有章節設置實踐拓展案例和思政案例，開展項目式教學和多樣化考核方法。這些改革可提高學生的綜合能力，為該類課程的教學改革提供參考。

關鍵詞：環境分析監測；環境分析；思政教育；新工科；教學改革

中圖分類號：G640 " " "文獻標志碼：A " " " " 文章編號：2096-000X（2025）10-0036-04

Abstract： Fast development of social economics and technology need new outstanding talents. To carry out the teaching reformation of new engineering of cultivating outstanding talents who are competent in future， world and needing development， the teaching team of Environmental Analysis and Monitoring of Tianjin University has practiced multiple teaching content reformation. In this study， the teaching reformation in the environmental analysis chemistry part of environmental analysis and monitoring course was introduced. To enhance the mathematical training， related water chemistry content was added. Specified practical application cases and ideological and political education cases were supplied in each chapters. Project studying and multi-angle examine was carried out. These teaching reformation improve the all-round ability of students. This study provides important reference for cultivating innovative talents in new engineering education.

Keywords： Environmental Analysis and Monitoring; environmental analysis; ideological and political education; new engineering; teaching reformation

根據《中國教育現代化2035年》遠景目標綱要，我國亟需加快推進高質量教育體系建設，革新人才培養模式，重視素質教育和學思結合。為了培養符合當前及未來科技、產業和經濟發展需求的卓越工程創新人才，工科教育改革與發展的方向正聚焦于持續創新能力的培養[1]，因此，面向未來、面向世界、面向需求的工程教育成為當前教育工作的關鍵。目前全國高校多開展了創新人才培養的改革和實踐[2-4]。天津大學作為新工科建設的倡導者和引領者之一，于2020年發布了《天津大學新工科建設方案2.0》，在新工科人才培養平臺建設、項目式課程改革、教學質量管理及教育共同體構建等方面進行了卓有成效的探索和實踐，不斷推動新工科教育模式的深入實施[5-7]。

在此背景下，天津大學環境分析監測教學團隊結合環境工程學科的特點和人才培養需求，開展了教學內容和教學方法的改革與創新實踐。環境分析監測是環境工程專業的核心基礎課，具有高度的綜合性和實踐性，是一門兼具理論與方法的基礎課。自1980年天津大學成立環境工程專業以來，該校就開設了環境分析監測課程。該課程分為上下兩部分：環境分析監測（上），主要涵蓋環境分析化學和部分儀器分析內容；環境分析監測（下），則側重于高級儀器分析和環境要素監測等內容。2021年，該課程獲批天津市一流本科建設課程。

本文介紹了環境分析監測課程中環境分析化學部分的課程改革實踐，重點探討了通過強化數學思維、拓展教學實踐案例與思政案例，以及多樣化的教學與考核模式等方面的課程改革探索，為相關專業的教學改革提供了重要參考。

一 "課程介紹

本課程不僅全面介紹了分析化學的基礎知識，還緊密結合國內外科技、經濟和環境問題的發展，貫徹國家政策動態，融入工程實際，是一門既重視基礎知識積累又注重能力培養的核心課程。本文主要介紹環境分析監測（上）課程中環境分析化學部分的教學改革實踐。該課程包括44學時的課堂教學和20學時的實驗課程。由表1可知，課程內容包括概述、誤差和數據處理、酸堿滴定法及其在環境監測中的應用、絡合滴定法及其在環境監測中的應用、沉淀滴定法及其在環境監測中的應用、氧化還原滴定法及其在環境監測中的應用、紫外-可見分光光度法及其在環境監測中的應用，傳統的重點知識點為滴定分析曲線和測試方法。

在傳統教學過程中，教學目標是掌握和應用分析技術，教學重點是以四種滴定反應為基本原理，開展某化學元素或物質的定量分析。因此傳統上，該門課程開展的目的主要是讓學生學習原理、掌握技術。這種教學目標和內容實際上過于保守和片面，“技術”教育并不適合創新人才的培養。

二 "課程改革實踐

（一） "調整教學重點，增加數學思維的訓練培養

如表1所示，環境分析化學的內容雖然包括了水中酸堿的定義及各種離子的化學反應平衡計算，但其側重點在于滴定定量分析及相關分析方法的操作。例如，在酸堿反應部分，課程介紹了酸堿的定義和不同體系的pH計算等知識點，這些內容的主要目標是支撐后續的滴定曲線分析，實現定量的濃度分析?？傮w而言，這類知識點屬于“記憶型”和“技術型”，學生只需按部就班地操作即可獲得較好的成績，然而這種教學方式缺乏對學生深度思考能力的訓練。

因此，本課程借鑒并融合了水化學課程中的平衡計算內容。水化學（Water Aquatic Chemistry）是一門研究水中主要化學物質形態及其遷移轉化的課程，涵蓋了酸堿反應、絡合反應、沉淀反應、氧化還原反應中反應平衡計算、化合物形態分布等內容[8-10]。水化學和環境分析化學的知識點重合度較高，但與傳統環境分析化學不同，水化學更加強調水中反應的平衡計算，例如水中酸堿不同形態的平衡計算，氣-液、固-液反應平衡計算。教學目標是通過化學計算使同學能夠定量推斷化合物的存在形態和數量特征，判斷化合物的反應形態。這些數學計算過程不僅能有效訓練學生的數學思維和推演能力，還能結合數學模擬或模型，提升學生對不同化合物形態變化規律的認識，為未來水污染遷移轉化模型研究奠定基礎。

在融合了水化學部分內容后，新的教學內容和重點知識點見表2，反應平衡計算、繪圖被列入重點知識點中，增加課堂計算推演學時，課后作業也增加計算、繪圖訓練內容。課堂上對特定的化學分析技術（例如堿度分析、硬度分析、氯離子分析和溶解氧分析等）的授課學時則相應縮減，通過課堂簡介、實驗課提前預習及實驗課現場操作等進行學習和訓練。

（二） "拓展應用案例

如表2所示，結合該課程和水污染化學與控制工程領域的緊密聯系，每一個章節都設置了專題案例學習，通過課堂討論、課下作業和自習等方式幫助學生深入理解相關內容。例如，在第三章中，以碳酸鹽平衡計算為出發點，結合碳酸鹽在地表水、地下水中的形態轉化，氣-液（CO2氣體與碳酸鹽）和固液（CaCO3與碳酸鹽）的平衡關系，探討碳酸鹽對酸雨的緩沖作用及其在CO2氣體吸納與釋放中的作用，并結合碳排放與碳捕集開展擴展討論[10]。例如第六章中，以氯消毒劑不同pH、分子形態下氧化還原能力的變化為出發點，討論其消毒效果的強弱，結合現實日常生活、流行病發生期間消毒效率，探討環境健康等問題。這些案例學習不僅有效調動了學生的學習興趣，還拓展了學生的知識面，從而提升了教學效果。

（三） "豐富思政教育案例

環境分析監測課程與我國的環境問題、社會發展、科學探索緊密相關。為此，課程在每個章節中都設置了思政教育案例，并將思政案例與實踐案例相結合（表2）。以化學原理與實際問題作為載體，融入科學信念、科研誠信、國家發展進步、國家未來需求、科研自信、熱愛學校和專業等方面的思政教育內容。例如第三章，由碳酸鹽的平衡理論延伸到我國和世界上的“雙碳”控制目標、我國低碳減排政策和技術發展、天津大學“碳捕集”科研動態。第四章，從絡合反應特征延伸到水中重金屬歸趨特征，進而延伸到城鄉建設和環境保護領域的“美麗鄉村建設”中關于農村地區重金屬污染和防治問題。第五章，從沉淀反應出發，介紹管網沉淀和水質問題，從而延伸到我國新的飲用水國標，我國飲用水安全保障方面的進步。第六章，化學需氧量（COD）是一個重要的水質指標，在學習COD分析的過程中，給學生分享“COD去除劑”法制新聞，通過事實新聞讓學生了解工作誠信的重要性。第七章，通過介紹我國環境監測網絡建設、天津大學精密儀器的研發和應用等，增強學生的國家認同感、學校認同感。這些和教學內容深度契合、接地氣的思政教育，能夠幫助學生樹立正確的價值觀和人生觀，培養他們的責任感與使命感。

（四） "開展項目式教學

項目式教學通過自主實踐學習和沉浸式學習，使學生能夠將專業知識與實際應用相結合。項目式教學的開展方式是：學生以團隊的方式參加某個項目，自主選題、自由組隊；在教師與學生協商后，結合環境領域的前沿熱點問題及相關專業課程知識點，落實項目題目，開展自主文獻查閱和擬定項目計劃，主動和導師討論協商項目工作方案，自主式開展項目采樣、監測和數據處理，并在項目中期和結題中完成書面報告和口頭報告[7]。例如，有些學生關注校園食堂不規范排放對校園河湖的影響，開展了校園河湖水質狀況的“體檢”，該項目包括水體堿度、氨氮、溶解氧和化學需氧量等多項分析過程，以及布點采樣、樣品保存等技術步驟。有的項目是讓學生對環境中微生物污染問題、大氣或水中條件致病菌、抗生素抗性菌等進行監測的項目。圖1展示了以《自來水中揮發性消毒副產物的分析和暴露風險評估》為題目的項目式訓練的工作內容，每項工作內容不僅結合了課內知識點，拓展了知識面，讓學生在新概念學習、信息收集、實驗設計和實施、儀器操作和數據分析、書面和口頭表達方面都得到了鍛煉。項目式教學打破了課堂、書本的局限，不僅鍛煉了學生綜合運用多學科知識和工具解決實際問題的能力，還培養了他們自主學習、團隊協作和創新實踐的能力。項目式教學讓學生走出教室，拓展了教學的場所與時間。

（五） "考核方式多樣化

為了改善傳統的“出勤+作業+實驗+期末考試”考核模式，本課程建立了“個人過程考核+團體考核+實驗+期末考核”的多重考核模式。個人過程考核包括2～3次隨堂測試、作業和課堂表現，旨在評估學生的個人學習情況。其中，隨堂測試不僅包括有標準答案的內容，還增設了非標準化的內容，以提高學生的思考能力和解決問題的能力。在新的考核模式下，學生成績分布得到了優化，避免了傳統期末考試占比過大的局限性。具體分數分布為：個人過程考核占10%～15%，團體考核占2%～5%，實驗占20%～30%，期末考核占50%～60%。圖2展示了某學期綜合成績的各項成績分布情況，這種考核方式提高了學生平時課程學習的參與度，并促進了綜合能力的培養。

（六） "教學改革實踐效果

經過近幾年對課程教學內容和教學模式的改革實踐，學生對專業課程的學習積極性和學習效果均顯著提升。學生的學習積極性被充分激發，主動性明顯增強。通過課程項目的訓練，學生的創新思維、分析能力及實踐能力得到了有效培養。一些學生在課程基礎上，積極參加各種課外科技競賽和社會實踐活動，進一步增強了學習的獲得感。他們的社會視野和專業領域的知識面得到了拓展，社會責任感也隨之提升。學生在學習過程中深刻理解了本專業對社會可持續發展的重要作用，增強了對專業的信心和使命感，為成為具有家國情懷的環境工程師打下了堅實的基礎。

三 "結束語

在新時代背景下，科技和經濟的發展對勞動力類型和質量提出了新的要求，亟需應用型、復合型和創新型人才。新工科人才的培養需要不斷探索新的教育模式，環境工程人才的培養模式也將在持續變革和創新中不斷優化，以確保高校培養的人才能夠真正契合社會需求。

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