刘 芳 王永强 刘其友 王文东 卢 磊 刘广东 赵朝成

[摘要] 结合教学实践过程中的体会,探讨了环境化学课程建设中在教学内容和教学方法方面的尝试,认为适当增加案例教学内容,可以使学生更准确地掌握化学理论和方法在处理实际环境问题时的应用。在教学中选择有突出代表性的案例,并融合多媒体教学模式,可取得良好教学效果。

[关键词] 环境化学 课程内容体系 案例教学

当前全球性的环境问题突出表现在酸雨、温室效应与臭氧层破坏;不断加剧的水污染造成世界范围的淡水危机;自然资源破坏和生态环境继续恶化,威胁着人类的生产和生活条件。由于大多数的生态环境问题都与化学物质直接有关,环境化学学科在掌握污染来源,消除和控制污染,为确定环境保护决策提供科学依据等方面都起着重要作用。环境化学课程具有理论基础强、学科间综合性明显、学科内多层面内容交融、前沿新技术发展迅速等特征,涉及到大气环境、水环境、土壤环境、生物环境及典型有害污染物的知识和方法。《环境化学》被列为我校本科环境工程专业以及硕士环境科学与工程专业培养的专业基础课,同时也是化学化工学院本科化学工程与技术专业、材料化学专业、应用化学专业培养的限选课程。在教学过程中,如何激发学生的学习兴趣,使学生既能掌握环境化学的基本理论,又具有运用所学知识解决环境问题的能力,是教学改革中亟待解决的问题。

案例教学法是由教师控制、学习者作为主体参与的,依据真实案例、围绕案情发展而展开的互动式教学方法。案例教学打破了教师讲、学生听的传统教学方法,能培养学生系统低掌握与运用专业理论,提高综合分析问题与解决问题的能力,养成开拓进取的优良品质。本文结合笔者近几年的教学经验和体会,从教学内容和案例教学方法等方面对《环境化学》课程进行了探讨。

一、课程内容体系构建

环境化学是以化学物质引起的环境问题为研究对象,以解决环境问题为目标,它主要以化学的理论和方法,鉴定和测量污染物的含量,研究它在环境中存在的形态及其迁移、转化和归宿的规律,其核心是研究环境中物质的化学转化与产生的效应,揭示环境问题的本质。教学内容是制约教学质量的决定性因素之一,也是人才培养目标,培养模式的载体,是教育思想和教育观念的直接体现。我校从培养学生创新能力这一角度出发,从讲授内容、实验内容和实践内容3个层次上统一协调构建环境化学课程内容体系。本课程所用教材为南开大学戴树桂主编的《环境化学》(第二版),全书共分8章,以阐明基本原理为主,内容丰富,涉及学科领域广泛,论述问题有相当的深度,能反映我国环境化学的特色。笔者所在课程组根据本校实际情况,主讲第一章绪论、第二章大气环境化学、第三章水环境化学、第四章土壤环境化学、第六章典型污染物在环境各圈层中的转归与效应及第七章受污染环境的修复等内容。

在实验教学内容方面,以环境科学与工程系综合大实验为基础,结合杀菌剂的研制、纳米和生物絮凝剂的开发、纳米活性炭的制备与性能测试等实验,补充和完善了理论教学内容。在教学实践方面,强化第二课堂的教学,安排学生到污水处理厂、自来水厂、炼化厂、垃圾填埋场等单位参考实习。通过参观实践,既巩固了学生对环境化学知识及相关环境问题的理解,提高了学习兴趣,又培养了学生的环境意识。

二、案例教学的课堂实施

在授课过程中.单纯的讲授污染物在环境中迁移转化的基本理论和一般规律,学生接受起来比较枯燥,晦涩难懂。如果在授课时,以环境问题为突破口,以化学知识为基础,以如何解决实际环境问题为目标,适当增加案例教学内容,可以使学习思路更清晰、理解更透彻,更准确地掌握化学理论和方法在处理实际环境问题时的应用。在讲授本课程时,笔者主要是通过以下几个方面将案例教学贯穿于课堂理论内容中。

1.介绍我校在环境领域从事的课题及取得的成绩

在教学过程中,讲到大气中污染物转化时,介绍环境学科相关老师从事的炼化企业有机废气的评估及治理技术;讲到水中有机污染物的迁移转化时,介绍相关老师从事的高浓度有机废水的治理及回用技术、循环冷却水应用过程中的生物控制技术;在讲到受污染环境的修复时,介绍相关老师从事的石油污染土壤的生物修复技术。由于本科生在学习过程中接触科研课题的机会较少,将实际科研课题融入到教学内容中,可以使学生了解我校该领域的研究成果,激发他们的听课兴趣,增强他们对学校的自豪感,从而取得了良好的教学效果。

2.重点选取与学校石油特色相关的案例

在讲授水中有机污染物的迁移转化这一节内容时,考虑到本校的石油特色,选择了海上溢油事故,对海上溢油的环境化学行为进行了分析。

(1)溢油的分布与存在形态

石油进入海洋环境后,受风、浪、海流、光照、气温、水温和生物活动等影响,其数量、化学组成、物理性质及化学性质都随时间发生变化。海洋环境中污染的石油以三种形式存在:漂浮在海面上的油膜、溶解分散态、凝聚态的残余物。

(2)蒸发过程

蒸发减少了海面上的油含量和改变了油的物化性质,另一方面,蒸发组分在太阳光的作用下,由于光氧化而生成各种复杂的化合物。这些物质有些随着降雨返回海洋,有些随风漂移落入陆地造成各种不同的危害。

(3)溶解过程

石油进入海洋后,在蒸发的同时,也开始了溶解过程。低碳的石油烃、芳烃相对溶解度最大,其它组分在水中的溶解度一般都很低,其溶解量随油的成分和种类而不同。

(4)乳化过程

石油入海后,在风、浪的作用下很容易发生乳化作用。原油在海中能够形成两种的乳化类型:一种是水包油乳化,水是连续相,这种乳化类型有利于油的生物和化学氧化分解作用的进行;另一种是油包水乳化,其含水率可达80%,往往漂浮在水面,彼此聚集在一起,不利于油的降解。

(5)吸附沉淀过程

石油的部分组分可自由沉降或粘附在海水中的悬浮固体颗粒上并随之下沉到海底。石油的沉降速度随水中的油浓度和附着物(悬浮颗粒)的含量而变化。

(6)生物降解过程

石油污染物在微生物作用下转化成生物体自身的生物量,产生二氧化碳、水及大量中间产物。石油污染物的结构越复杂,其降解速率越慢,中间代谢产物积累的几率越大。此外,溢油降解速率与石油结构也有相关性。

(7)光氧化过程

光氧化过程是溢油在阳光的照射下,发生自由基链式的氧化反应,产生一些极性的、水溶性的和氧化的碳氢化合物的过程。溢油在海洋环境中的氧化,主要受阳光和温度的控制,其氧化速度对溢油的品种、照射光的强度、海水的温度不同而异。

通过海洋溢油事故,笔者阐明了石油类有机污染物在水体中的分配作用、挥发作用、水解作用、光解作用和生物降解作用。由此引导学生以环境化学的基本原理进行分析,找出污染事件发生的原因及条件,针对性地提出避免或解决该类环境问题的主要措施,提出合理的工程技术手段、管理手段等,培养了学生分析问题和解决问题的能力。

3.结合热点问题引出环境化学现象

随着环境问题的日益严峻和人们对环境问题认提高,环境化学研究在各个领域深入发展,环境化学的前沿性问题也不断发展。在教学过程中,将国内外环境化学的最新发展做适当介绍,使教学内容能够反映环境化学的新理论、新方法、新技术和新动态等。在讲解大气环境化学时,将近年来地球上的异常天气出现的频率、范围及影响穿插进来,如2007年飓风引发的洪水肆虐南亚,暴雨引发北欧、苏丹等国家地区的水灾。高温横扫俄罗斯和欧洲东南部,与此同时,非洲南部和南美洲却经历降雪。2008年初,中国南方各省市遭遇50年不遇的雪灾。据专家分析,极端气候的出现,源自于全球变暖,而温室效应则是全球变暖的主要原因。1999年,各国开始广泛研究环境内分泌干扰物(Endocrine Disrupting Chemicals,简称EDCs)和持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants,简称POPs),这些物质会影响生物的内分泌系统,并可能致癌、致畸、致基因突变。

增加案例,旨在提高学生的工程意识。尽管工程意识的形成是一个长期积淀的过程。包括毕业参加工作后在工程环境的熏陶下和工程实践的锻炼中逐渐完成,但是一个人在学生时期最善于接受新事物、新思想,可塑性最强,如果我们重视学生现代工程意识的培养,可以取得事半功倍的效果,可以在学生面前展示当前地球上的主要环境问题及环境效应,在学生的思想深处打上难以磨去的烙印,形成素质优势。

三、采用多媒体手段提高教学成效

在传统的教学方式中, 教学内容因受到教材体系、教师个人以及课堂教学时间等的限定, 往往在一定的时间保持一定的稳定性。与传统教学相比,多媒体教学可以在有限的课时里讲述更多的内容。采用多媒体教学方式,好的教学思想、教学方法和手段、最新的科研成果都可以充实到教学内容中去。环境化学课程内容有许多工艺流程图及一些原理示意图等,传统的教学方法是老师现场绘制和预先制成挂图等,这种方式既花费时间,又缺少生动性和灵活性,老师也不能依据教学实际和学科的发展灵活更改和补充。利用多媒体技术就可以解决这一问题,教师在实际教学中根据现代教学手段的发展和本课程需讲述的处理原理、工艺设备的特点,采用了幻灯片,投影仪等现代化的教学方法,用PPT制作教学课件,为学生提供生动形象而又丰富多彩的感性材料,有效地激发学生的学习积极性,培养学生的创造性思维,为环境化学教学搭建一个互动教学平台。

四、结语

将案例教学成功融入到环境化学课堂讲授中,有利于培养学生系统地掌握与运用专业知识理论,提高综合分析问题与解决问题的能力。为了更好地体现案例教学的特点,在教学过程中应提高教师的自身素质,增加驾驭案例教学的能力。在与学生互动地讨论中,教师需具备较强的应变和判断能力,及时分析和解决教学过程中学生发现的新问题。另外,适当采用多媒体教学模式,教师可在教学中选择有突出代表性的案例,组织学生通过现代化教学网络观看。

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