岳一莹，韩景泉，徐立杰，叶菊娣，潘红阳

(南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037)

随着工业化进程的不断加速，环境污染及其科学治理愈发引起人们重视，国家大力推进生态文明建设战略也迫切需要技术攻关。现代环境分析仪器以其快速准确、高灵敏度和良好的选择性在环境监测、环境污染物检测、环境污染源分析等领域发挥着越来越重要的作用。准确高效的现代环境分析测试技术已成为环境工程及其他众多领域重要的检测分析工具[1]。

《现代环境分析技术》是环境工程专业的专业选修课程，其主要教学任务是通过测量物质的某些物理化学性质的参数及其变化来获取环境中物质的化学组成、成分含量及化学结构，使学生掌握分析仪器的基本原理和构造，正确而熟练地操作分析仪器，初步具备制定监测环境中复杂污染物的技术方案的能力[2]。但是，随着时代的进步，滞后的教学模式，已不能适应新时代的要求。所以，对《现代环境分析技术》课程进行改革十分必要。

本文深入探讨了《现代环境分析技术》在实际教学中存在的诸多问题，如目标导向模糊、教学内容陈旧、实验环节缺失、教学模式单调和评价形式单一等。针对教学现状，提出了明确目标导向、整合教学内容、优化课程设置、创新授课方式和完善评价体系等改革措施，切实提升教学效果，意在培养应用创新型人才。

1 《现代环境分析技术》教学现状

1.1 目标导向模糊

教育目的是把受教育者培养成为社会需要的人，《现代环境分析技术》教学的目标则是通过教育的方式，让学生了解现代环境分析技术的基本理论、样品预处理的技术与方法；各类分析仪器的基本原理、仪器构造和定性定量分析方法，培养学生应用各种现代化的仪器分析环境中的无机或有机污染物的能力。而在实际教学过程中，学生的考试成绩往往成为唯一的标准，对连续三届学生(137人)的期末成绩进行统计分析(如表1所示)，不难发现学生对于基础类(填空题、判断题、选择题)掌握较好，但是提升类(简述题、计算题)的平均分和正确率却小于60%，尤其是简述的正确率只有52%，这一现象表明学生并未真正掌握所学知识，只是简单的机械背诵，这与提高学生能力和培养应用创新型人才的目标背道而驰。

表1 期末试卷题型及成绩分布Table 1 Question types and score distributions of final examination papers

1.2 教学内容陈旧

目前《现代环境分析技术》(约32学时)，教学内容主要分为三大部分——光谱分析、电化学分析、色谱分析，传统教学内容中没有将三个模块做恰当的关联，使其成为彼此独立的知识点，而不是知识链。课程覆盖面广且理解难度大，涉及无机化学、有机化学、物理化学、物理学以及高等数学等相关知识，但没有根据本科生的知识层次做相应优化调整，而每个学生的基础大不相同，有的学生高中未选修化学，那么基础相对薄弱，晦涩难懂的知识点让其无所适从，以质谱为例，根据分子离子峰推导出分子式后，由于学生缺乏有机物不饱和度及化学键(羟基、羰基和苯环等)分子量的相关知识，无法画出结构式。课程涵盖的理论知识点抽象且分析方法众多，也成为大部分学生学习过程中的一大障碍。

1.3 实验环节缺失

由于所涉及的仪器普遍都是贵重的大型仪器，如液相色谱仪、气相色谱仪和质谱仪等，很难满足学生动手操作的需求，所以目前这门课程内容中缺少实践环节。学生常常抱怨没有动手操作仪器，无法将学到的知识和参数选择、样品测定等实际操作流程联系起来，更别说触类旁通，用所学知识去解决复杂的实际问题了。表2展示了国内不同高校《现代环境分析技术》实验课课时安排，通过对比发现，我校南京林业大学实验课时为8学时，与北京师范大学和上海交通大学32学时存在一定差距，但是要让学生真正掌握分析技术，32学时也是不够的。

表2 国内高校《现代环境分析技术》实验课课时Table 2 The experimental class hours of Modern Environmental Analysis Technology in domestic universities

1.4 教学模式单调

《现代环境分析技术》的传统教学模式为教师课前准备教案，课堂上则以讲授ppt和书写板书为主要授课途径。教学形式单调、内容枯燥乏味，且教师“填鸭式”教学模式忽视了学生的主体性和主动性，难以调动学生的学习热情，不利于提高学生分析问题、解决问题的能力。关于现代环境分析技术实验课设置流程为学生课前预习讲义，教师课上讲解实验原理、方法等，并有教师操作示范，学生则是按部就班完成实验，并不利于打造学生独立自主的创新性和挖掘其发散性思维，学生的动手能力也得不到提升。例如，如果没有与时俱进的仿真软件，学生就很难真正理解原子荧光法和原子吸收法在仪器上的异同。

1.5 评价形式单一

课程应启发学生的科研潜质，除了掌握课程所涵盖的知识点，还应重点培养学生获取信息的能力、总结分析能力及解决问题能力。但目前固化的考核评价主要通过课堂签到、平时作业、实验报告和期末成绩，课堂上学生人到了但是心却未必“签到”了，平时作业和实验报告也会存在相互“借鉴”的情况，这种评价体系仅限于考察理论知识的掌握情况，却不能对学生的多种能力进行衡量，不利于提高学生自主学习和培养学生的创造性思维能力，同时也忽略了实际操作与实验设计的重要性，让学生成为了实验的“流水工”[3]。例如，即使学生通过查阅资料了解到气相色谱各种检测器的特点，在实际动手操作时也很难根据具体情况选择合适的检测器。

2 《现代环境分析技术》课程的探索

由于《现代环境分析技术》在教学实践中存在以上问题，转变教育观念，探索传统教学模式的革新已迫在眉睫。针对《现代环境分析技术》的教学现状，拟通过整合教学内容、优化实验设置以及完善评价体系为突破点，来满足构建课程标准的要求，最终实现现代环境工程专业人才培养目标。主要以教学目标为导向，重点研究探索：理论课程与实践类课程的结构优化，尤其是针对该课程实践训练不足的问题，强化增加实践体验性的课程或实践性环节课程[4]。主要侧重学生在实践中现场亲身参与的过程和相关体验的获得，来调动学生学习理论知识的积极性、减少在学习理论知识的盲目感。同时，根据分类培养思想，研究整合教学内容、完善评价体系等教学改革措施对于教学效果的影响，从而指导推动多元化人才培养实践需要。课程改革指导路线如图1所示。

图1 课程改革指导路线Fig.1 Guiding route of curriculum reform

2.1 明确目标导向

在教学过程中，我们尝试以成果导向(OBE)为主导编写教案，强调学习主体的主观能动性。在实际教学过程中，从教学目标和毕业的三点要求出发——第一基础知识目标，掌握现代环境分析技术的基本概念和理论；第二技术应用目标，能够将相关知识和方法用于推演和分析环境工程问题；第三综合能力目标，培养学生自主学习能力，通过查阅文献寻求解决方案，思考多种方案解决问题，适当放宽学生自主选择的权限，培养出专项人才，而不是面面俱到的“模具”。以液相色谱为例，课堂中了解液相色谱的原理及液相色谱仪运作方式是基础目标，接着将掌握的液相色谱知识用于分析物质的成分(如甲基橙和亚甲基蓝染料)为技术应用目标，最后通过液相色谱-质谱分析实际水样中的污染物为综合能力目标。

2.2 整合教学内容

教学中我们首先将“光、电、色”三大部分(如图2)内容的进行区分，根据环境工程实际应用，划分重点；针对重点内容，分别讲述每种分析技术的概述、特点、基本原理、仪器构造、参数的选择以及定性和定量方法，把“知识点”变成“知识链”，为今后的实际应用打下基础。其次，针对光谱分析、色谱分析和电化学分析三大部分，我们计划结合学生的兴趣点，筛选一些学生熟悉的实例，通过对大量实例进行分析，使其加深理解。再有，对选定的内容计划展开日常教学效果评价调查，主要从学生对知识点的理解度、课堂参与度、学习兴趣情况来调整教学内容的适用性。对于个别基础薄弱，高中未选修化学的同学，我们创新教学内容，补充了基础化学的相关知识，以便其能更快更好地吸收所学内容。如在分析甲基橙染料的降解产物时，可以采用紫外可见分光光度计、液相色谱和质谱联用的方法，首先用紫外分光光度计测量待测甲基橙的吸光度，根据甲基橙的标准曲线计算其浓度，再用液相色谱仪，根据保留时间分离不同降解时间下的物质，最后用质谱仪，根据质荷比分析其降解中间产物的化学式。

图2 现代环境分析技术知识板块示意图Fig.2 Schematic diagram of knowledge section of Modern Environmental Analysis Technology

2.3 优化实验设置

《现代环境分析技术》的课程性质决定了其课程设置中必须包括实验部分，为解决学生独立操作仪器机会较少的问题，适当提高实验课课时，并采用小组教学的模式，将班级学生分为多个小组，小组内自行协调分工，使每位学生都能得到充分的锻炼。经过实际操作后，学生对每一类仪器的原理、仪器构造、和操作使用中需要注意的问题会有更加直观的认识，便于学生理解理论教学的各个知识点。课上的教学内容相对来说比较抽象，结合实验操作后，让学生在动手实践中，更加深刻的理解所学知识。以色谱分析为例，在讲述色谱的塔板理论和速率理论后，让每一位同学参与到装气相色谱柱的实验环节中来，并检测自己装的色谱柱的柱效。并在其后的小组讨论中分析原因，为什么自己的色谱柱的柱效不够好，是涡流扩散项、分子扩散项还是传质阻力项没有做好，还可以在哪些方面进行改进。有利于学生对色谱柱柱效这个关键的知识点有全面而深入的了解和学习，形成深刻的印象。实现了理论教学为实验教学打基础，实验教学促进理论教学的巩固和深化[5]。

2.4 创新授课方式

2.4.1 增设小组讨论

课程第一节课，计划先将学生进行分组，并给每组布置不同的主题，设计前沿热点案例分析的讨论教学环节，鼓励学生利用学到的知识进行分析，比如超纯水的检测原理、机场安检人员爆炸物检测仪器的机理等。以超纯水的检测为例，提问学生超纯水机上的数字代表什么意思，学生将分析过程及结论形成完整的ppt进行小组分享。提升了学生查阅整理资料和制作ppt的能力，学生的表达能力及课堂表现综合等得到大幅度提升[6]。在此过程中，学生可以良好的掌握超纯水的检测机理，即根据水中阴阳离子浓度进行水质检测，当水中离子浓度越低时，检测出的电导值会越高，当电导值达到18.3 MΩ，我们即称其为超纯水。

2.4.2 运用高新技术

近几年，慕课网、抖音app、Bilibili和微信公众号等新型网络学习手段掀起一阵阵热潮。尤其是短视频的形式，以活泼生动的内容为主题，抓住人们的眼球，并且完美填充了空闲时间。我们应该与时俱进，创新授课方式，利用3D全息投影、网络短视频和微信公众号等，录制生动、通俗易懂的视频和音频，对教学的主要内容、实验仪器的主要原理和流程进行介绍，让学生在一种轻松愉悦的氛围下，自主学习《现代环境分析技术》的内容，达到良好的教学效果。例如，通过网上现有的红外测温仪的视频，可以更生动地向学生传授相关知识——红外线的波长在0.76～100 μm之间，温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号，经电子系统处理，即可得到与物体表面热分布相应的热像图。

2.5 完善评价体系

教育的目的是为了培养学生的学习和科研能力，所以客观、全面和公正的评价体系就变得尤为重要。现代教育倡导的是鼓励式评价，我们应在传统的评价体系以课后作业和考试成绩为主，关注理论知识的考核基础上，对课堂表现、课下讨论部分及实验操作进行考核(如图3)。第一，课下考核部分共占20%，其中课后作业和小组讨论各占10%，考察学生是否能灵活应用相关知识点，举一反三，对实际问题进行分析。以及评价学生的文献检索能力、针对具体问题的分析能力、逻辑性和语言表述能力。第二，实验部分的考核共占20%，综合评判学生是否能掌握仪器的基本操作及是否具有基本的实验技能，和对于具体问题，能否独立实施实验方案，有效地获取数据，实验报告中能否对数据进行恰当的处理和分析，以获得有效结论。第三，考试成绩考核共占60%，期中测试和期末测试分别占20%和40%，考察学生对基础理论知识的掌握情况。通过不记名投票的形式，93%的学生感觉新的评价体系更能反映知识的掌握情况。

图3 课程评价体系Fig.3 The curriculum evaluation system

3 结 语

《现代环境分析技术》是一门操作性很强的课程，也是环境工程领域不可或缺的工具课程。它不仅需要学生掌握分析仪器的基本构造和原理，还需要学生可以使用相关仪器对样品进行分析和检测，结合所学仪器的特点和应用范围来选择适宜的分析方法。显然传统教学的教师单一的讲、学生听的授课形式很难实现这一教学目标。首先，要整合教学内容将“知识点”变成“知识链”，并且编写的教案要适当结合成果导向OBE模式，便于学生对所学内容的理解吸收；其次，随着科技的迅猛发展，网络学习方式成为主流，如果学生只是死记硬背，并不会举一反三，很难真正提高知识和技能。“课上教学+课下讨论+实验操作”的教学模式是一种多环节学生参与的教学模式，强调学生的主体作用，将一部分课程重点放在学生动手操作技能，以及观察、分析和解决问题能力的培养上，并建立新的评价体系，对学生全部学习过程的综合表现进行评价。我们有理由相信这种新的课程模式可以更好地实现人才培养目标，达到构建课程标准的目的，为学生建立完备的知识体系打下坚实的基础。