水化學(xué)”課程代替“分析化學(xué)”課程的可行性分析和建議

[關(guān)鍵詞]水化學(xué)；分析化學(xué)；環(huán)境分析；環(huán)境科學(xué)與工程；教學(xué)改革[基金項目]2023年度天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)改革與質(zhì)量建設(shè)研究計劃項目（B231005634）；2022年度天津大學(xué)本科教育教學(xué)改革研究項目“環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗課程思政建設(shè)”

[作者簡介]（1979—），女，天津人，哲學(xué)博士，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水質(zhì)安全和處理技術(shù)研究。

中圖分類號]G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A [文章編號]1674-9324（2025）26-0009-04

[收稿日期］2024-09-04

在新時代背景下，科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對勞動力類型和質(zhì)量提出了新的要求，為我國新時代人才培養(yǎng)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[1]。根據(jù)《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，我國將建設(shè)高質(zhì)量教育體系，推進(jìn)基礎(chǔ)學(xué)科高層次人才培養(yǎng)模式改革，發(fā)展素質(zhì)教育，更加注重學(xué)生愛國情懷、創(chuàng)新精神和健康人格培養(yǎng)。這就要求高校在人才培養(yǎng)方案和培養(yǎng)模式上進(jìn)行變革或優(yōu)化，對課程設(shè)置和教學(xué)方法提出了新的要求和挑戰(zhàn)。為應(yīng)對提高教育質(zhì)量的迫切需求，高校的基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程都亟須調(diào)整、優(yōu)化或革新。

為深化高等教育改革，豐富課程內(nèi)容，許多高校在培養(yǎng)方案中開展了“削減”課程或?qū)W分的改革和嘗試，增加了對學(xué)生，特別是本科生的通識教育，注重基礎(chǔ)素質(zhì)的培養(yǎng)。在這一過程中，重新梳理基礎(chǔ)課程的設(shè)置尤為重要。

“分析化學(xué)”一直是環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程，其教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握分析化學(xué)的原理與技能，并能夠運(yùn)用這些理論解決一般化學(xué)分析問題，為解決生產(chǎn)與科學(xué)研究中的實(shí)際問題打下堅實(shí)基礎(chǔ)。許多高校的環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)通常依托本校化學(xué)或化工專業(yè)的學(xué)科資源開設(shè)這門課程，同時開設(shè)環(huán)境分析類課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課。然而，“分析化學(xué)”作為環(huán)境分析類課程的前修課程，在教學(xué)內(nèi)容（包括實(shí)驗課內(nèi)容）上與后者存在較高的重復(fù)性，并且與水污染控制方向的課程（如“物理化學(xué)處理”“水環(huán)境化學(xué)”等課程）也有部分內(nèi)容的重疊。此外，許多化學(xué)或化工基礎(chǔ)學(xué)科開設(shè)的“分析化學(xué)”課程中包含了一些環(huán)境科學(xué)中較少涉及的化學(xué)反應(yīng)內(nèi)容，不完全適合環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生。

“水化學(xué)”也稱為“水環(huán)境化學(xué)”，是一門介紹水中主要化學(xué)物質(zhì)形態(tài)及其遷移轉(zhuǎn)化的課程。“水化學(xué)”內(nèi)容與“分析化學(xué)”內(nèi)容有較高的重合度，但“水化學(xué)”更側(cè)重于化學(xué)反應(yīng)平衡關(guān)系的計算和化合物形態(tài)分布的解析。與“分析化學(xué)”相比，“水化學(xué)”更注重數(shù)學(xué)思維、邏輯推導(dǎo)和演算，因此更有助于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)思維。此外，“水化學(xué)”與水污染控制工程、水環(huán)境保護(hù)等專業(yè)知識體系的結(jié)合度更高。

針對環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科，可以考慮將“分析化學(xué)”和“水化學(xué)”整合梳理為“水化學(xué)”課程。這樣既有助于在基礎(chǔ)課程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，又可以減少課程或?qū)W分，降低學(xué)時壓力，促進(jìn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。本文探討了環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)中“分析化學(xué)”環(huán)境分析類課程與“水化學(xué)”內(nèi)容的重復(fù)性及整合策略，以期為相關(guān)專業(yè)課程改革提供參考。

一、“水化學(xué)”與“分析化學(xué)”的對比分析

（一）“水化學(xué)”課程介紹

“水化學(xué)”課程主要通過介紹水體中各種化學(xué)物質(zhì)的來源、存在形式、遷移轉(zhuǎn)化過程、分布變化規(guī)律，以及化學(xué)組成分析等內(nèi)容，幫助學(xué)生系統(tǒng)、深入地掌握水環(huán)境化學(xué)的基本原理，為水污染控制工程、水環(huán)境保護(hù)、水資源規(guī)劃與利用等領(lǐng)域的教學(xué)和實(shí)踐奠定堅實(shí)基礎(chǔ)[2]。“水化學(xué)”是水文與水資源工程等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，并在許多著名院校的環(huán)境工程、土木工程（或市政工程）專業(yè)中作為核心基礎(chǔ)（前置）課程，例如美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校、馬薩諸塞大學(xué)，以及中國香港科技大學(xué)等。

由于“水化學(xué)”與“分析化學(xué)”環(huán)境分析類課程的內(nèi)容存在較高的重復(fù)性，加之課程體系的歷史傳承，許多國內(nèi)高校在環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科中更多的是開設(shè)“分析化學(xué)”和“環(huán)境分析監(jiān)測”課程，開設(shè)“水化學(xué)”課程的高校相對較少。即使是水污染控制工程、水環(huán)境保護(hù)方向的學(xué)生，系統(tǒng)學(xué)習(xí)“水化學(xué)”的機(jī)會也相對有限。一些高校根據(jù)專業(yè)需求開設(shè)了類似課程，例如中國地質(zhì)大學(xué)的“地下水水化學(xué)”課程。目前國內(nèi)使用的“水環(huán)境化學(xué)”教材不多，例如，湯鴻霄等教師根據(jù)AquaticChemistry第二版翻譯而成的《水化學(xué)》，不同學(xué)科在具體授課內(nèi)容上各有側(cè)重[2]。

（二）“水化學(xué)”與“分析化學(xué)”“環(huán)境分析化學(xué)”課程內(nèi)容的比較

如圖1所示，“分析化學(xué)”與環(huán)境分析類課程的內(nèi)容非常接近，主要包括誤差和數(shù)據(jù)處理、酸堿滴定法及其應(yīng)用、絡(luò)合滴定法及其應(yīng)用、沉淀滴定法及其應(yīng)用、氧化還原滴定法及其應(yīng)用。“分析化學(xué)”側(cè)重于使學(xué)生掌握通過定量化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)的定量分析，環(huán)境分析則更關(guān)注環(huán)境要素的分析與監(jiān)測，例如pH、堿度、常量或半微量金屬離子、無機(jī)陰離子、溶解氧等的化學(xué)分析。

“水化學(xué)”的化學(xué)反應(yīng)類型與“分析化學(xué)”和環(huán)境分析類課程的內(nèi)容基本相同，只是“水化學(xué)”的側(cè)重點(diǎn)不在于滴定定量分析，而是關(guān)注水環(huán)境中化合物的化學(xué)反應(yīng)平衡計算等化學(xué)過程。例如，在酸堿反應(yīng)方面，“分析化學(xué)”和“水化學(xué)”都包含酸堿定義、不同水環(huán)境中酸堿的形態(tài)分布、pH計算、碳酸鹽的平衡等知識點(diǎn)，這些知識點(diǎn)基本重合。“分析化學(xué)”的目標(biāo)是通過酸堿反應(yīng)實(shí)現(xiàn)濃度的定量分析，“水化學(xué)”則通過介紹動態(tài)平衡關(guān)系推算或演算化合物形態(tài)和數(shù)量。從內(nèi)容上，如果將“水化學(xué)”與滴定分析實(shí)驗相結(jié)合，是有可能在一定程度上替代“分析化學(xué)”課程的。

分析化學(xué) 環(huán)境分析類課程 水化學(xué)誤差和數(shù)據(jù)處理 誤差和數(shù)據(jù)處理 水中物質(zhì)組成酸堿滴定法及其應(yīng)用 酸堿滴定法及其在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用 酸堿反應(yīng)平衡計算絡(luò)合滴定法及其應(yīng)用 絡(luò)合滴定法及其在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用 絡(luò)合反應(yīng)平衡計算沉淀滴定法及其應(yīng)用 沉淀滴定法及其在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用 沉淀反應(yīng)平衡計算氧化還原滴定法及其應(yīng)用 氧化還原滴定法及其在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用 氧化還原反應(yīng)平衡計算紫外一可見分光光度法及其在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

（三）“水化學(xué)”更利于AI時代數(shù)學(xué)思維的培養(yǎng)

在AI時代已經(jīng)來臨的今天，社會對學(xué)生邏輯推理能力、知識運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力的要求日益提高，其中數(shù)學(xué)思維訓(xùn)練在培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力和知識運(yùn)用能力方面至關(guān)重要。隨著我國環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域科學(xué)研究從理論到分析儀器的進(jìn)步，傳統(tǒng)實(shí)驗化學(xué)的定性分析已難以應(yīng)對很多復(fù)雜的環(huán)境化學(xué)問題，數(shù)學(xué)工具越來越重要，數(shù)學(xué)思維是破解環(huán)境中水化學(xué)復(fù)雜系統(tǒng)問題的核心能力。例如，隨著2022年國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新污染物治理行動方案》新污染物研究成為自前環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，這些微量的新污染物在水環(huán)境、水-土和水-氣界面的追蹤和化學(xué)行為研究需要精準(zhǔn)的濃度計算和預(yù)測，并且大尺度流域新污染物遷移涉及時空變化，更需要數(shù)學(xué)建模分析或大數(shù)據(jù)分析。再例如，環(huán)境工程治理技術(shù)理論中的反應(yīng)機(jī)制研究從簡單的參數(shù)研究發(fā)展到分子尺度、單原子反應(yīng)解析的深度，基于量子化學(xué)計算的反應(yīng)活性和反應(yīng)路徑分析、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等高級統(tǒng)計分析技術(shù)的使用越來越普遍，計算機(jī)或AI模擬和預(yù)測能夠極大地提高工作效率，是未來的工作方向。另外，目前面向未來的智慧水務(wù)建設(shè)和智能水廠建設(shè)，都離不開數(shù)學(xué)思維和推理邏輯。這些都要求研究者或工程師不僅要具備化學(xué)專業(yè)知識，也要具備數(shù)學(xué)建模和分析能力。由此可見，數(shù)學(xué)思維架起了微觀機(jī)理與宏觀管控的橋梁。數(shù)學(xué)訓(xùn)練帶來的不僅是工具的革新，而且是思維方式的轉(zhuǎn)變。從分子層面的量子化學(xué)計算到宏觀尺度的系統(tǒng)建模，數(shù)學(xué)語言正在重構(gòu)水化學(xué)的知識體系。這種變革要求教育體系必須打破學(xué)科藩籬，構(gòu)建“數(shù)學(xué)一化學(xué)一工程”三維知識網(wǎng)絡(luò)。

“水化學(xué)”課程中包括了水中不同酸和堿形態(tài)、不同絡(luò)合物形態(tài)、氧化還原反應(yīng)物質(zhì)形態(tài)、固-液反應(yīng)平衡、水-氣反應(yīng)平衡等的計算和簡化方法，這些大量的數(shù)學(xué)計算和推理可以鍛煉學(xué)生的數(shù)學(xué)思維和推演能力，使學(xué)生對水環(huán)境系統(tǒng)中化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性和關(guān)聯(lián)性掌握得更加全面。在“水化學(xué)”中更容易結(jié)合數(shù)學(xué)模擬或模型，更容易利用或借助AI技術(shù)開展數(shù)學(xué)思維的訓(xùn)練，以使學(xué)生深入理解不同化合物形態(tài)的變化規(guī)律，為其未來學(xué)習(xí)水污染反應(yīng)、遷移轉(zhuǎn)化計算和建模等奠定基礎(chǔ)。

（四）“水化學(xué)”更利于知識體系的拓展

“水化學(xué)”與水污染化學(xué)和控制工程內(nèi)容緊密相關(guān)，并與這些領(lǐng)域中的研究問題密切對應(yīng)（如圖2所示）。“水化學(xué)”基本上涵蓋了水污染化學(xué)和控制工程領(lǐng)域所需的化學(xué)知識點(diǎn)，更易于拓展學(xué)生對環(huán)境問題的理解。例如，在“分析化學(xué)”中，碳酸鹽平衡計算主要應(yīng)用于二元酸的pH計算和堿度滴定；而在“水化學(xué)”中，這部分內(nèi)容是教學(xué)重點(diǎn)。除了介紹和計算pH值與堿度之外，“水化學(xué)”還深入探討了碳酸鹽的液相平衡、氣液平衡中 CO₂ 氣體和碳酸鹽）以及固液平衡 （CaCO₃ 和碳酸鹽），并將其與酸雨的緩沖作用、地下水中水-巖相互作用以及“雙碳”目標(biāo)等相結(jié)合[3]。通過“水化學(xué)”課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對水環(huán)境中元素的遷移與轉(zhuǎn)化能夠有系統(tǒng)的認(rèn)識和深刻的理解。

酸堿的平衡關(guān)系存在于水中所有的有機(jī)、無機(jī)污染水化學(xué) 物，影響其形態(tài)分布、活性、反應(yīng)途徑和速率（堿度、水中酸堿平衡及其計算； 氨氮、磷酸鹽、有機(jī)酸）酸形態(tài)分布、碳酸鹽平衡 碳酸鹽氣固液平衡→碳?xì)w趨、微生物生長的 pH 條件；B水體、管網(wǎng)中的沉淀絡(luò)合反應(yīng)平衡及其計算；金屬形態(tài)及其穩(wěn)定性 絡(luò)合反應(yīng)→水中離子、重金屬的形態(tài)分布，重金屬控制和毒性評估沉淀反應(yīng)平衡及其計算； 沉淀反應(yīng) $$ 重金屬的形態(tài)分析和去除方法、機(jī)理分沉淀和溶解、碳酸鹽沉淀 D析；水體、管網(wǎng)沉淀，廢水處理中的磷酸鐵、鎂沉淀過程氧化還原反應(yīng)平衡及其計算；反應(yīng)方向、條件；電化學(xué) 氧化還原反應(yīng)一化學(xué)需氧量和溶解氧測定，電位分析，管網(wǎng)腐蝕，鐵化學(xué)，從氯酸氧化，高級氧化處理技術(shù)

二、整合“水化學(xué)”課程體系的建議

通過以上的比較和分析，在環(huán)境科學(xué)與工程、水污染控制等領(lǐng)域，采用“水化學(xué) + 計算模擬 + 分析實(shí)驗”相結(jié)合的課程體系可以有效取代“分析化學(xué)”及其實(shí)驗課程。推薦的教學(xué)大綱如表1所示，涵蓋了分析化學(xué)的核心知識點(diǎn)，并將各種反應(yīng)的平衡計算作為重點(diǎn)知識之一，將數(shù)學(xué)模擬作為訓(xùn)練方法。利用水系統(tǒng)中已經(jīng)學(xué)習(xí)的反應(yīng)關(guān)系知識點(diǎn)和在線AI模型構(gòu)建簡易模型程序，讓學(xué)生了解模型模擬在反應(yīng)預(yù)測分析方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢。例如，使用DeepSeek這類的開放AI，根據(jù)課程涉及的水環(huán)境中碳酸鹽體系的各種形態(tài)分布關(guān)系式、碳酸鹽和大氣中 CO₂ 的平衡關(guān)系式、化學(xué)平衡式和常數(shù)、質(zhì)量平衡式、電荷平衡式、質(zhì)子平衡式、初始濃度等，構(gòu)建開放大氣系統(tǒng)中碳酸鹽各種形態(tài)或碳酸鹽堿度變化模型，然后通過模型優(yōu)化和輸出演示讓學(xué)生更深人地了解化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性和計算機(jī)工具的應(yīng)用范疇。實(shí)驗課程部分和傳統(tǒng)分析化學(xué)相近，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力。拓展案例和思政案例能夠增強(qiáng)學(xué)生的應(yīng)用能力和思考能力，同時融人思政教育。

這種教學(xué)內(nèi)容設(shè)計不僅能夠使“水化學(xué)”替代“分析化學(xué)”這門基礎(chǔ)課程，還可以涵蓋部分環(huán)境分析類課程內(nèi)容，使環(huán)境監(jiān)測課程更加緊湊和獨(dú)立。因此，這種整合非常有助于課程或?qū)W分“削減”方面的改革。

結(jié)語

在新時代背景下，隨著產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、計算機(jī)科學(xué)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，對人才能力的培養(yǎng)提出了新的要求。高等院校應(yīng)培養(yǎng)具有深度思考能力的應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才。作為專業(yè)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，學(xué)科基礎(chǔ)性課程應(yīng)避免讓學(xué)生局限于機(jī)械背誦，而應(yīng)側(cè)重于數(shù)學(xué)邏輯訓(xùn)練。“水化學(xué)”課程體系內(nèi)容十分豐富，具備更強(qiáng)的系統(tǒng)性，因此在取代“分析化學(xué)”課程方面具有廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)

[1]許遠(yuǎn).適應(yīng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量充分就業(yè)和體面勞動：面向新時代的我國數(shù)字技能開發(fā)策略及展望[J].教育與職業(yè)，2023（3）：59-67.

[2」彭位華，桂和榮，孫林華，等《水環(huán)境化學(xué)》課程教學(xué)現(xiàn)狀與改革方向初探[J]廣州化工，2020，48（14）：197-200.

[3]郭華明，張艷，何寶南，等.“地下水水化學(xué)”課程中的思政設(shè)計與探索[J].中國地質(zhì)教育，2022，31（4）：88-93.

Practicability ofReplacing Analysis Chemistry with Water Chemistry： For Environmental Science and Technology Discipline

ZHAI Hong-yan， WANG Ru-meng， ZHAO Jin-juan， WANG Can （School ofEnvironmental Scienceamp;Engineering，Tianjin University，Tianjin3Oo350，China）

Abstract： Fast development of social economicsand technology need future-oriented，globally-minded and demand-driven innovative talents with creative capabilities.Thus various teaching reformation of higher educationare widely carried out in China.Many universities have implemented educational reforms，such as streamlining the number of courses and adjusting curiculum content.In this paper，the content and characteristics of Water Chemistry course was introduced.Via comparison with the Analysis Chemistry，it showed that Water Chemistrycan cover the content of Analysis Chemistry.Moreover，Water Chemistry contained more mathematical deduction，whichisveryconducive tothinking trainingand improvingtheanalysisabilityofstudents.Itdiscussed thepracticability of replacing Analysis Chemistry or environmental analysis courses with Water Chemistry for environmental science and technology discipline and the course outline was proposed.This study provides important reference for cultivating innovative talentsand teachingreformation.

Key words： Water Chemistry; Analysis Chemistry; Environmental Analysis; environmental science and technology discipline; teaching reform