李娜 王璟 周玉央 陳婷

（1.浙江工商大學(xué)；2.浙江省水利河口研究院）

生態(tài)文明建設(shè)，培養(yǎng)環(huán)保人才是核心。生態(tài)環(huán)境保護(hù)，要加強(qiáng)環(huán)保人才隊(duì)伍的建設(shè)，加大專業(yè)型、復(fù)合型人才的培養(yǎng)力度，提高其業(yè)務(wù)水平，讓其能夠適應(yīng)新時(shí)代環(huán)保工作的新要求，熟練掌握現(xiàn)代環(huán)保技術(shù)手段。環(huán)境工程專業(yè)儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為其實(shí)踐能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)環(huán)境保護(hù)人才專業(yè)理論水平、工程實(shí)踐能力和解決問題能力等方面有著舉足輕重的作用。對(duì)環(huán)保人才的培養(yǎng)，重點(diǎn)在培養(yǎng)他們具有創(chuàng)新意識(shí)、發(fā)現(xiàn)問題的能力和多學(xué)科交叉應(yīng)用的能力，熟練使用現(xiàn)代化分析儀器工具的能力。現(xiàn)代的大型分析儀器集數(shù)學(xué)、物理、生物、化學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集于一身，因此，環(huán)境工程專業(yè)的“儀器分析實(shí)驗(yàn)”教學(xué)是實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉融合的一個(gè)有效的突破口。

近年來，我國理工科高校及研究院所已經(jīng)在“儀器分析實(shí)驗(yàn)”的課程內(nèi)容上進(jìn)行了階段性的改進(jìn)[1,2]，在實(shí)驗(yàn)過程中趨向于全過程管理[3]，在教學(xué)過程中采用多資源整合[4]，逐步向新工科人才培養(yǎng)和應(yīng)用創(chuàng)新轉(zhuǎn)變。例如上海某高校化工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心經(jīng)過連續(xù)幾年的建設(shè)，在支持復(fù)合型人才的培養(yǎng)上進(jìn)行改革，一方面在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上堅(jiān)持創(chuàng)新[5,6]，另一方面則緊抓其他相關(guān)融合學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容改革[7,8],目前已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果。

為進(jìn)一步加強(qiáng)環(huán)境工程專業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)理論的應(yīng)用，須進(jìn)一步強(qiáng)化綜合的、先進(jìn)的、精密的大型儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容改革和教學(xué)實(shí)踐，從而實(shí)現(xiàn)鍛煉學(xué)生融合貫通和解決實(shí)際問題能力的目標(biāo)：（1）結(jié)合地區(qū)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，在教學(xué)過程中合理設(shè)置能夠反映環(huán)境工程學(xué)科領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)、新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課程在教學(xué)中的重要地位；（2）開展環(huán)境工程專業(yè)相關(guān)的“探究式”和“開放式”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，重視培養(yǎng)學(xué)生探究問題、思考問題和獨(dú)立解決問題的能力；（3）增加現(xiàn)代化仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，拓展環(huán)境工程領(lǐng)域中的工藝要求復(fù)雜、占地面積大、實(shí)驗(yàn)周期長、有毒有害風(fēng)險(xiǎn)高或存在二次污染的實(shí)驗(yàn)課題。

一、環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足

在傳統(tǒng)的環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)模式和理念下，學(xué)生在校多以理論學(xué)習(xí)為主，儀器分析課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容固定且更新不及時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程較為單一且不與時(shí)俱進(jìn)，對(duì)儀器的使用和分析功能開發(fā)不足，學(xué)生缺乏對(duì)儀器分析實(shí)驗(yàn)的能動(dòng)性和控制性。儀器設(shè)施陳舊、課程內(nèi)容固定和教師授課方式單一等方面的不足會(huì)導(dǎo)致儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能完全滿足新時(shí)代對(duì)環(huán)保人才培養(yǎng)的要求，具體表現(xiàn)在如下4個(gè)方面。

（1）與國內(nèi)成熟的科研院所相比，精密、先進(jìn)的大型分析儀器在高校中屬于稀缺資源，無法保證學(xué)生有足夠的上機(jī)操作時(shí)間，且在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師多以講授大型儀器的分析原理和使用方法為主，學(xué)生基本上處于聽講和觀摩狀態(tài)。加之大部分精密科研儀器承擔(dān)著院內(nèi)或校內(nèi)外的科研工作和社會(huì)技術(shù)服務(wù)工作。若盲目提高大型儀器學(xué)生操作用時(shí)占比，會(huì)極大地影響正常的科研工作的開展。再加上現(xiàn)有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)儀器型號(hào)陳舊，維修率高，不能滿足卓越環(huán)保人才培養(yǎng)對(duì)學(xué)生的新要求。

（2）環(huán)境工程儀器分析實(shí)驗(yàn)課程目前多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的分組式實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過時(shí)、老套，缺乏自主性、開放性、創(chuàng)新性、研究性和前沿性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，缺少對(duì)環(huán)境工程學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)儀器分析課程的主觀能動(dòng)性。

（3）教師的課程教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)考核方式單一。目前儀器分析實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)流程為：講解儀器原理、分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法，學(xué)生實(shí)驗(yàn)，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。以上授課和考核方式僅停留在儀器最初級(jí)的學(xué)習(xí)和理解層面，難以考察學(xué)生是否完全掌握儀器的使用和操作，缺乏綜合性和探索性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，更難以考察學(xué)生對(duì)儀器分析的掌握情況，更無從談起學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

（4）隨著國家培養(yǎng)環(huán)保領(lǐng)域?qū)嶋H需要的應(yīng)用型人才的要求，儀器分析課程訓(xùn)練是卓越環(huán)保人才培養(yǎng)的重要一環(huán)，且面臨著儀器分析技術(shù)的不斷更新、專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的不斷深化和拓展，這對(duì)于一線教師提出了更高的要求，指導(dǎo)教師的理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能和儀器功能的開發(fā)能力等都亟待提升。

二、多維度大型儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革措施

針對(duì)上述提出的高校中存在的儀器分析課的問題，如儀器臺(tái)套數(shù)少、實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、課程設(shè)置系統(tǒng)性、教學(xué)模式陳舊、考核方式落后等，國內(nèi)不少高校已進(jìn)行了初步的課程教學(xué)改革和實(shí)踐探索，更新了陳舊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，升級(jí)了部分落后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，改進(jìn)了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，使整個(gè)課程體系更新穎、豐富、連貫、完整，得到了任課教師和學(xué)生的一致肯定[10,11]。參考部分成功的改革舉措和案例，為了進(jìn)一步提升高校儀器分析實(shí)驗(yàn)的課程質(zhì)量，提出以下改革措施：

（一）合理分配現(xiàn)有儀器資源，逐步加大實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的投入力度

目前，部分高校都設(shè)有分析測(cè)試中心，測(cè)試中心的大型分析儀器種類較為齊全，型號(hào)較為先進(jìn)，配有專人管理，儀器狀態(tài)良好，可以考慮制訂相關(guān)的制度與高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備協(xié)調(diào)使用。儀器分析實(shí)驗(yàn)課程所必須的理論知識(shí)講授和簡單易操作的操作使用可以考慮在相對(duì)較舊/較低檔的儀器上完成，在學(xué)生對(duì)儀器的分析原理、硬件構(gòu)造、操作流程等熟練掌握后，可在較新/功能復(fù)雜的儀器上開展深入的儀器使用培訓(xùn)。此外，學(xué)校針對(duì)自身情況制訂較為完善的儀器預(yù)約共享制度和激勵(lì)制度，以鼓勵(lì)大型儀器專管教師在保障儀器供科研和社會(huì)服務(wù)用時(shí)之余，盡可能地開展學(xué)生上機(jī)操作的實(shí)驗(yàn)課程，以達(dá)到合理分配和安排大型儀器的科研、社會(huì)服務(wù)和教學(xué)的時(shí)間，既有利于降低先進(jìn)儀器的閑置故障率，也大大提高了大型分析儀器的共享使用效率。

針對(duì)儀器使用臺(tái)套數(shù)不能滿足學(xué)生上課使用的問題，建議高校增加專用教學(xué)儀器的專項(xiàng)購置計(jì)劃，通過實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及軟件的增加與完善，從硬件上全面提升儀器分析教學(xué)質(zhì)量，使每個(gè)學(xué)生能夠參與儀器操作和使用，鞏固對(duì)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用。同時(shí)，在教學(xué)儀器閑置期間，提供科研和社會(huì)服務(wù)，全面提高儀器的共享和服務(wù)功能。

（二）以“卓越環(huán)保人才”培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，優(yōu)化和改寫實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱

為提升環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和解決實(shí)際工程問題的能力，提高學(xué)生的主觀動(dòng)手能力和解決復(fù)雜工程問題能力，在保留儀器理論教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將固定課堂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容調(diào)整為開放式實(shí)驗(yàn)選題，例如根據(jù)學(xué)生的興趣選擇不同的研究方向，劃分成獨(dú)立的工程實(shí)驗(yàn)小課題組，在老師的輔助下設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，做到實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)報(bào)告設(shè)計(jì)的全過程覆蓋，以鍛煉學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，深化學(xué)生對(duì)理論課程教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生能更全面、更扎實(shí)地掌握實(shí)驗(yàn)操作流程，更深入地了解和掌握實(shí)驗(yàn)方法和相關(guān)軟件的使用，課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作同時(shí)進(jìn)行，有利于形成綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

在原有課題內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引進(jìn)和學(xué)習(xí)先進(jìn)的分析技術(shù)，綜合加入實(shí)際工程課題，在原有課堂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開發(fā)具有研究性和前瞻性的綜合性大實(shí)驗(yàn)，也可以設(shè)計(jì)實(shí)際工程實(shí)驗(yàn)，提升環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生對(duì)儀器分析課程的積極性，采用團(tuán)隊(duì)寫作方式，經(jīng)過一段時(shí)間查閱資料、設(shè)計(jì)方案、試驗(yàn)操作、結(jié)果分析得出研究結(jié)論，學(xué)生處于主導(dǎo)地位,教師只在關(guān)鍵步驟中給學(xué)生提供適當(dāng)幫助，以取得更好的教學(xué)效果。

（三）虛實(shí)結(jié)合，全面提升學(xué)生面向產(chǎn)業(yè)化的大型工程操作技能

環(huán)境實(shí)際工程項(xiàng)目中，大量的構(gòu)筑物微觀結(jié)構(gòu)與反應(yīng)過程無法實(shí)現(xiàn)演示，學(xué)生在復(fù)雜的理論模型和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間難以建立直觀聯(lián)系，限制了理論教學(xué)效果和質(zhì)量。還有些環(huán)境工程學(xué)實(shí)驗(yàn)需在高溫、高壓、有毒、有害等條件下進(jìn)行, 而普通本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室無法滿足需要的實(shí)驗(yàn)條件或者難以對(duì)大批量學(xué)生實(shí)施安全教學(xué)；同時(shí),部分精密的大型實(shí)驗(yàn)儀器運(yùn)行成本高，無法提供給學(xué)生使用，嚴(yán)重制約了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，而且實(shí)驗(yàn)室提供的動(dòng)手崗位只有幾個(gè)，不可能人人操作,常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)無法接受。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的引入，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，消除了實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性，增加學(xué)生操作儀器和獨(dú)立思考的空間，有助于對(duì)學(xué)生進(jìn)行更深入、更系統(tǒng)的實(shí)踐和訓(xùn)練，并顯著降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

環(huán)境工程作為理工學(xué)科，培養(yǎng)的學(xué)生要求具有一定的工程能力，很多環(huán)境類工程實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜、工藝流程長，有些實(shí)驗(yàn)過程要耗時(shí)幾天, 實(shí)驗(yàn)過程有較長的等待時(shí)間，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)有課時(shí)限制，常規(guī)教學(xué)只能設(shè)置少數(shù)甚至不能設(shè)置大型的工程類實(shí)驗(yàn)。環(huán)境治理的工程類項(xiàng)目在實(shí)際進(jìn)行過程中存在不同的參與對(duì)象(包括建設(shè)方、設(shè)計(jì)方、施工方、監(jiān)理方等等)，在課堂教學(xué)的過程中,往往局限學(xué)生參與的工作內(nèi)容，無法體驗(yàn)不同參與方的感受和經(jīng)歷，為今后的工作打下基礎(chǔ)。輔助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)演示和實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，可以引導(dǎo)學(xué)生深入了解環(huán)境工程專業(yè)課程的相關(guān)理論知識(shí)，加深對(duì)抽象理論模型和現(xiàn)實(shí)工程的全局認(rèn)識(shí)，鞏固課堂和書本中的理論教學(xué)知識(shí)，提高主觀能動(dòng)性，增強(qiáng)綜合運(yùn)用理論知識(shí)的能力。

（四）加強(qiáng)師資隊(duì)伍保障建設(shè)，健全一線教師發(fā)展體系

為進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)校各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課程的有序進(jìn)行，持續(xù)深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)和改革，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的不斷提高，高校應(yīng)結(jié)合實(shí)際，制訂一系列保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)師資的激勵(lì)獎(jiǎng)勵(lì)制度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教室?guī)熧Y隊(duì)伍管理的改革，包括建立實(shí)驗(yàn)教師管理制度、建立實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍激勵(lì)機(jī)制和健全實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍培養(yǎng)發(fā)展等，保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的順利進(jìn)行和教師的個(gè)人成長。

學(xué)?？山M織校外分析測(cè)試中心的高級(jí)應(yīng)用工程師或?qū)I(yè)學(xué)者對(duì)一線儀器管理老師和教學(xué)老師進(jìn)行專題性的培訓(xùn)，結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行儀器功能介紹和開發(fā)，并對(duì)儀器分析主講老師進(jìn)行儀器專業(yè)知識(shí)和科研實(shí)踐操作考核。高水平的教學(xué)和儀器管理老師是保障大型精密性儀器使用壽命的最大前提，也是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的關(guān)鍵力量。因此，制訂合理的教師培訓(xùn)和技能提升制度，積極安排教師參與校內(nèi)外的儀器操作高級(jí)應(yīng)用培訓(xùn)，鼓勵(lì)和保障一線教師申請(qǐng)儀器功能開發(fā)類、分析測(cè)試類、社會(huì)服務(wù)類的科研項(xiàng)目，參加校外高水平的技術(shù)交流和學(xué)術(shù)會(huì)議，能有效提升教師的工作和實(shí)際操作能力。

三、大型儀器分析課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

科研積累為綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)條件,我們可以從中挑選出了部分內(nèi)容并對(duì)其改造使之適合于實(shí)驗(yàn)教學(xué),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)的原則是:較易理解、趣味性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)多學(xué)科交叉、教學(xué)可實(shí)施。

（一）原子分光光度法測(cè)定污染土壤中重金屬含量

原子吸收分光光度法根據(jù)激發(fā)態(tài)原子蒸汽對(duì)特征光吸收的作用進(jìn)行重金屬元素濃度分析。它能夠靈敏可靠地測(cè)定微量或痕量重金屬元素。在實(shí)驗(yàn)中,每個(gè)學(xué)生可選取不同重金屬污染土壤或混合物，根據(jù)查閱相關(guān)材料確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定重金屬提取方法，可以直接提取總量或提取不同形態(tài)重金屬含量，根據(jù)操作規(guī)程進(jìn)行重金屬提取過濾，配置系列重金屬標(biāo)準(zhǔn)曲線。按照儀器開機(jī)程序開啟儀器，完成樣品測(cè)定、儀器清洗維護(hù)。將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，得到研究結(jié)論，撰寫研究報(bào)告。每組學(xué)生可以根據(jù)各組的情況，選取不同的研究方向進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鞏固加深對(duì)土壤中重金屬測(cè)定的理論知識(shí)的理解和應(yīng)用。

（二）氣質(zhì)聯(lián)用法測(cè)定農(nóng)作物農(nóng)藥的殘留

氣質(zhì)聯(lián)用儀是指結(jié)合氣相色譜儀和質(zhì)譜儀進(jìn)行復(fù)雜有機(jī)物定性和定量分析的精密儀器。色譜法是根據(jù)不同有機(jī)化合物的沸點(diǎn)進(jìn)行的一種有效的分離分析方法，在復(fù)雜有機(jī)物分離的基礎(chǔ)上采用質(zhì)譜法進(jìn)行有效定性分析和定量分析。不同小組選取不同的農(nóng)藥污染的農(nóng)作物，小組內(nèi)通過討論確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，根?jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)或檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理、萃取、濃縮、凈化、上機(jī)、檢測(cè)條件摸索、結(jié)果分析、譜圖對(duì)比，最終得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。每組學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖珜懖煌难芯繄?bào)告，也可以兩組或三組相互配合，得出更為深入的研究結(jié)論，鞏固加深對(duì)有機(jī)物污染物測(cè)定的理論知識(shí)的理解和應(yīng)用。

（三）激光共聚焦顯微鏡測(cè)定污染物降解過程中的微生物定植情況

激光共聚焦顯微鏡相對(duì)于普通熒光顯微鏡的優(yōu)勢(shì)在于可以得到更高分辨率的光學(xué)切片，主要是由于激光共聚焦顯微鏡的檢測(cè)針孔和光源針孔始終聚焦于同一點(diǎn)，使聚焦平面以外被激發(fā)的熒光不能進(jìn)入檢測(cè)針孔，且將固態(tài)熒光升級(jí)為激光，由于激光的強(qiáng)穿透力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品一定厚度的掃描和觀察，進(jìn)而獲得樣品的三維影像。將過夜培養(yǎng)的活性污泥接種污染物高效降解菌，利用死活細(xì)胞染色法進(jìn)行激光共聚焦顯微鏡觀察活死細(xì)菌比例、生物膜生長情況等。學(xué)生可根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)材料，設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，查閱相關(guān)資料進(jìn)行樣品分離、染色、清洗、上機(jī)、觀察、拍照，最終得出結(jié)論。每組學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康淖珜懖煌难芯繄?bào)告，也可以兩組或三組相互配合得出更為深入的研究結(jié)論，鞏固加深對(duì)微生物活性測(cè)定的理論知識(shí)的理解和應(yīng)用。

四、結(jié)語

“大型儀器分析實(shí)驗(yàn)”是環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生必修的專業(yè)課程。隨著我國環(huán)保事業(yè)的大力發(fā)展，國內(nèi)外先進(jìn)科研儀器的不斷涌現(xiàn)，開放性、綜合性和多學(xué)科知識(shí)有效交叉的儀器分析實(shí)驗(yàn)已成為高校環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的必要條件。學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，協(xié)調(diào)合作、探究科學(xué)問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決科學(xué)問題的科研路徑，理解和應(yīng)用課程的理論知識(shí)，為研究型人才的培養(yǎng)找到了一個(gè)新的方向，更有助于培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力、觸類旁通的能力，為后續(xù)的畢業(yè)論文乃至更深層次的學(xué)習(xí)和科研工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。