龔建宇

(華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

新工科立足于產(chǎn)業(yè)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]，其內(nèi)涵是以立德樹人為主旨，以新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，以傳承與革新、交叉與融合、開放與交流為建設(shè)途徑，培養(yǎng)兼具專業(yè)知識與家國情懷的創(chuàng)新工程人才[2]。因而新工科為高校工科專業(yè)教育改革指明了新方向，致力于提升人才培養(yǎng)水平以達(dá)到行業(yè)發(fā)展需求[3-4]。其中，環(huán)境類工科專業(yè)人才培養(yǎng)需以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，重視其解決實(shí)際問題的工程實(shí)踐能力、開發(fā)新技術(shù)的創(chuàng)新能力以及家國情懷培養(yǎng)[5]。本文以“水分析化學(xué)”課程教學(xué)為例，針對目前存在的傳統(tǒng)工科教學(xué)模式無法很好地滿足新工科背景下人才培養(yǎng)需求的問題，通過對實(shí)驗(yàn)課程改革，探索開拓新工科發(fā)展背景下的新型教學(xué)模式。

1 “水分析化學(xué)”課程實(shí)踐改革的背景與意義

1.1 “水分析化學(xué)”課程概述

“水分析化學(xué)”課程是環(huán)境科學(xué)與給排水本科專業(yè)教學(xué)中的一門專業(yè)核心基礎(chǔ)課，主要分為理論課與綜合實(shí)驗(yàn)課兩部分，分別有40和32個(gè)學(xué)時(shí)。其中，實(shí)驗(yàn)課程是在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸與拓展，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐引導(dǎo)學(xué)生由淺入深，理解水的化學(xué)性質(zhì)和組成成分，掌握水的采樣、處理和分析方法，熟悉水中常見的無機(jī)和有機(jī)污染物的檢測方法，理解水質(zhì)檢測標(biāo)準(zhǔn)和水處理技術(shù)，培養(yǎng)其實(shí)驗(yàn)操作能力和數(shù)據(jù)分析能力，增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識和社會責(zé)任感。

目前筆者教學(xué)使用的是筆者所在學(xué)院專業(yè)教師團(tuán)隊(duì)聯(lián)合主編的普通高等教育“十三五”規(guī)劃教材《水質(zhì)分析化學(xué)(第3版)》，華中科技大學(xué)出版社出版，該教材是在第1版與第2版的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)與完善，教材修訂內(nèi)容緊跟化學(xué)專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展前沿，關(guān)注水質(zhì)安全與環(huán)境健康等相關(guān)社會熱點(diǎn)，結(jié)合化學(xué)原理實(shí)際應(yīng)用場景案例，推動了綠色發(fā)展背景下的生態(tài)文明課程思政改革。

1.2 “水分析化學(xué)”課程教學(xué)存在的問題

由于課程本身難度較大，涉及知識面極為廣泛，導(dǎo)致水分析化學(xué)課程在教學(xué)過程中面臨諸多問題。1)考核側(cè)重于理論。授課內(nèi)容中包含大量專業(yè)相關(guān)理論及推導(dǎo)公式，計(jì)算量大且計(jì)算過程復(fù)雜，以考試為單一考核方式的傳統(tǒng)教學(xué)模式僅能對學(xué)生的理論知識掌握情況做出評價(jià)，卻不能同時(shí)對學(xué)生的實(shí)踐操作能力進(jìn)行考核。2)學(xué)生缺乏主動性。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往將通過考試作為學(xué)習(xí)目的，缺乏對專業(yè)知識重要性以及對課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的正確認(rèn)識，故而以對理論知識的記憶為學(xué)習(xí)重點(diǎn)，而忽略了對專業(yè)知識的深入理解與靈活運(yùn)用，以及在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過程的獨(dú)立思考能力培養(yǎng)[6]。3)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際聯(lián)系不足。傳統(tǒng)的環(huán)境專業(yè)教育與環(huán)保行業(yè)激增的發(fā)展需求之間存在較大差距，目前環(huán)境創(chuàng)新人才工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)水平與環(huán)保行業(yè)的發(fā)展水平并不相符。

1.3 “水分析化學(xué)”課程實(shí)踐改革措施

為改變傳統(tǒng)教學(xué)模式下實(shí)踐教學(xué)多局限于課本的窘境，提出通過以能力培養(yǎng)為目的的課程實(shí)踐教學(xué)模式改革(圖1)，加強(qiáng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提高理論教學(xué)成果應(yīng)用于工程實(shí)踐的可行性，促進(jìn)專業(yè)教育與行業(yè)發(fā)展步調(diào)一致。1)公式推導(dǎo)，追根溯源：在教學(xué)過程前期，對實(shí)驗(yàn)原理涉及的相關(guān)專業(yè)公式進(jìn)行示范性推導(dǎo)，注重知識點(diǎn)的溯源與延伸，為學(xué)生搭建系統(tǒng)化的知識框架；2)應(yīng)用拓展，內(nèi)化原理：避免實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式局限于單向輸出，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)對專業(yè)知識的靈活運(yùn)用[7]；3)案例分析，價(jià)值塑造：實(shí)驗(yàn)教學(xué)擺脫“教材”束縛，與實(shí)際應(yīng)用案例相結(jié)合，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)，迎合生態(tài)文明建設(shè)總需求，樹立綠色發(fā)展的系統(tǒng)觀與生態(tài)觀，為建設(shè)美麗中國培養(yǎng)一批兼具工程實(shí)踐創(chuàng)新能力與家國情懷的環(huán)境創(chuàng)新人才[8]。從而實(shí)現(xiàn)知識傳授、能力培養(yǎng)、思政引領(lǐng)的三維度育人目標(biāo)，為新工科人才培養(yǎng)夯實(shí)化學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)。

圖1 水分析化學(xué)課程實(shí)踐改革

2 “水分析化學(xué)”課程實(shí)踐改革實(shí)例

2.1 草酸分子量測定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中單一的“照本宣科”式授課方式，提出讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并實(shí)操驗(yàn)證的新型教學(xué)模式?；诶碚撜n程的教學(xué)進(jìn)度，同時(shí)為滿足工程實(shí)踐中常見的未知物質(zhì)分子量測定的需要，“草酸分子量測定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”課程既能幫助學(xué)生對前期理論課和實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)進(jìn)一步鞏固加強(qiáng)，又能更加靈活地評估學(xué)生的知識掌握情況以及獨(dú)立思考能力。該設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求同學(xué)們自行設(shè)法求得某未知物質(zhì)(草酸)的相對分子質(zhì)量。需要依據(jù)所學(xué)的課程知識進(jìn)行方案比選，再在滿足最小誤差要求的基礎(chǔ)上計(jì)算所需的溶質(zhì)質(zhì)量、溶液體積，并進(jìn)行合規(guī)操作，最終求得物質(zhì)的分子量?！安菟岱肿恿繙y定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”思維導(dǎo)圖如圖2所示。

圖2 草酸分子量測定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖

在方法比選階段，要求學(xué)生對可行的多種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行比選，從實(shí)驗(yàn)原理到實(shí)驗(yàn)操作等多方面進(jìn)行優(yōu)劣比較，考察學(xué)生對相關(guān)專業(yè)知識的整體把握，以及是否具備獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。理論上可用于測定草酸分子量的實(shí)驗(yàn)方案包括絡(luò)合滴定、氧化還原滴定、酸堿滴定等。其中，絡(luò)合滴定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，原因在于無法直接測定草酸分子量，必須先得到草酸鈣沉淀，再在強(qiáng)酸環(huán)境中用高錳酸鹽溶解，再返滴定剩余的高錳酸鹽而最終得到草酸分子量。可見，過程太多容易造成更大的誤差，不能采用。氧化還原滴定則需要外加熱源和催化劑從而促使反應(yīng)快速進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)操作繁瑣，也不易采用。酸堿滴定相關(guān)原理簡單易理解，實(shí)驗(yàn)操作同樣簡便易行，但學(xué)生們需要首先判斷草酸分子中的兩個(gè)氫質(zhì)子是否能被同時(shí)滴定，然后再計(jì)算得到每個(gè)過程滴定終點(diǎn)的溶液pH值，依次選擇合適的指示劑，均需要給出確切的計(jì)算過程，繼而開展實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，要求學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)方案中包括儀器選擇、器皿準(zhǔn)備、步驟設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果驗(yàn)收等環(huán)節(jié)進(jìn)行宏觀把控，考察其是否具備將理論知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題的專業(yè)能力，同時(shí)還需從此前的實(shí)驗(yàn)課程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與不斷優(yōu)化。

在實(shí)踐考核階段，首先需由教師對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)，判斷是否可行并對不足之處給出完善建議。教師還需在學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程中進(jìn)行全程指導(dǎo)建議，督促學(xué)生規(guī)范操作，確保實(shí)驗(yàn)室安全。最后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)收評價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐操作過程中存在的問題與解決方法。

2.2 金屬離子共存下的絡(luò)合滴定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

從工程應(yīng)用案例出發(fā)，絡(luò)合滴定法常被用于含雜質(zhì)金屬礦石中目標(biāo)金屬的定量測定，結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)置“金屬離子共存下的絡(luò)合滴定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，加強(qiáng)專業(yè)教育與行業(yè)發(fā)展的聯(lián)系，提升學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，推動環(huán)境創(chuàng)新人才培養(yǎng)滿足建設(shè)美麗中國重大使命的需求，全力培養(yǎng)環(huán)境領(lǐng)域高層次復(fù)合型拔尖人才?！敖饘匐x子共存下的絡(luò)合滴定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”思維導(dǎo)圖如圖3所示。

圖3 多金屬離子共存下的絡(luò)合滴定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)課程針對現(xiàn)實(shí)工業(yè)廢水中往往同時(shí)存在多種復(fù)雜重金屬離子的情況，以Pb2+、Bi3+離子共存為例，要求學(xué)生運(yùn)用絡(luò)合滴定的相關(guān)知識，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)分步測定溶液中不同重金屬離子濃度為實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。設(shè)計(jì)的目的在于幫助同學(xué)們更好地理解絡(luò)合體系中副反應(yīng)的影響因素，巧妙利用酸度對不同金屬離子平衡常數(shù)的影響程度實(shí)現(xiàn)分步滴定。

首先針對Bi3+、Pb2+離子共存情況，根據(jù)兩種離子的平衡常數(shù)差值判斷能否被分別滴定，其中，lgKpbY=18.04，lgKBiY=27.94，ΔlgK≥6，Pb2+的存在不影響B(tài)i3+滴定。由Bi3+、Pb2+離子濃度與平衡常數(shù)計(jì)算確定滴定酸度范圍，其中Bi3+滴定酸度范圍為pH=0.3～4.5，Pb2+滴定酸度范圍為pH=3.1～7.38，為排除Pb2+影響，確定最終滴定范圍pH=0.3～3.1。

Bi3+滴定：選擇HNO3作為緩沖液，調(diào)pH=1.0～2.0，此時(shí)Pb2+的存在不影響B(tài)i3+滴定。以XO作為指示劑，EDTA為絡(luò)合劑，溶液顏色從紅色滴至亮黃色。

Pb2+滴定：加入足量六次甲基四胺，使Pb2+與XO顯穩(wěn)定的紅色，再過量 5 mL，然后再用 0.2 mol/L EDTA滴定至亮黃色。

評估考核仍可分為三個(gè)部分，教師首先需對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行可行性評估，并給出完善意見，然后全程監(jiān)督考察學(xué)生的實(shí)踐操作是否規(guī)范，最后驗(yàn)收是否達(dá)到兩種金屬離子分步滴定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，并結(jié)合工程實(shí)際需求進(jìn)一步講解實(shí)驗(yàn)方法與現(xiàn)行工藝存在的差距。

3 結(jié)論

以上兩個(gè)具體案例是對“水分析化學(xué)”課程的教學(xué)模式的一次創(chuàng)新式改革，將專業(yè)教學(xué)與實(shí)際案例相結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生靈活運(yùn)用課程專業(yè)知識，培養(yǎng)其獨(dú)立分析問題和解決問題以及實(shí)踐創(chuàng)新能力，貫徹知識傳授、能力培養(yǎng)、思政引領(lǐng)的三維度育人目標(biāo)導(dǎo)向的授課理念，推動環(huán)境專業(yè)人才教育與生態(tài)文明建設(shè)總需求更加契合。同時(shí)是新工科發(fā)展背景下，對以能力培養(yǎng)及行業(yè)實(shí)際需求為導(dǎo)向的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的一次深入探索，更好地為相關(guān)行業(yè)發(fā)展與國家建設(shè)需求培養(yǎng)兼具扎實(shí)理論知識與創(chuàng)新實(shí)踐能力的創(chuàng)新型人才。