基于產出的教育模式下綜合性環境監測實驗教學項目設計

費穎恒，宋 剛

（廣州大學 環境科學與工程學院，廣州 510006）

環境監測實驗是面向環境科學和環境工程專業的核心課程。通過該實驗課程的學習，使學生掌握水、大氣、土壤等環境介質中的重要污染指標的監測方法，提高動手實踐技能，深化理論知識，促進獨立分析問題能力的培養。傳統的實驗教學易造成學生僅機械地掌握具體實驗手段，無法形成綜合應用能力，限制了對創新性思維能力的訓練，忽略了對學生能力與素質的培養[1-2]?；诖?，有必要拓展以培養創新能力為核心的綜合性實驗，通過自行設計實驗方案，引導學生對實際問題進行自主思考，深化對實驗原理的理解，提高對基礎理論和實驗方法的綜合應用能力。

近年來，隨著新工科理念的提出[3-4]和基于產出的教育模式（outcome-based education，OBE），即OBE 教育模式的推廣，在工程教育專業認證和一流學科建設的背景下，環境科學與工程專業的教學改革也在不斷深化[5-7]?；凇芭囵B未來多元化、創新型卓越工程人才”的內涵，新工科建設提出了“以學生為中心”的學生培養質量持續改進體系，要求建立能綜合衡量人才培養成效的評價體系[8]。OBE 教育模式則強調以學習成果為導向，要求每個教學環節都必須明確學生取得哪些學習成果，需要進行全過程教學評價[5-6]。因此，除了對實驗項目、教學策略、教學設計進行持續改進外，環境監測實驗課的教學評價體系也應進行相應優化，增加對實驗預習與方案設計、實驗操作與現象觀察、數據分析與總結討論等環節的評價，以進行更綜合全面的考核。

基于此，本文針對“頭發中汞含量的測定”這一綜合性實驗教學項目，在“以學生為中心，以產出為導向”理念的指導下，進行環境監測實驗教學的改革探索。

1 學情分析

環境監測實驗開設在環境科學或環境工程專業本科三年級第一學期，學生已掌握相關的分析化學、環境化學、儀器分析等基礎理論，并對相關的重量法、容量法、儀器分析法等常用化學分析方法的操作已有一定程度的掌握。環境監測實驗主要通過具體監測污染項目的基礎性、綜合性或開放性實驗，提高學生的環境監測實操能力。該過程中，應引導學生自主思考，結合已掌握的化學理論和實驗技能，加深對監測項目測定原理的理解，逐漸培養能獨立設計監測方案的能力。

綜合性實驗項目以培養創新能力為教學重點，即通過設定情境下的監測項目要求，引導學生設計出相應的監測方案，并予以實施。實驗操作過程重點是引導學生對實驗現象進行觀察和討論，分析可能出現誤差或失誤的步驟及其原因與校正措施。實驗結束后，應重點安排數據分析與實驗反思，對原實驗方案提出改進意見。

不同于分析化學或儀器分析實驗，環境監測中的實驗項目從實際環境問題出發，實驗對象和實驗方法都具有一定的綜合性、復雜性等特點。綜合性實驗中更強調對基礎理論和實驗技能的綜合運用，因而在環境監測綜合性實驗項目的學習中，學生將面臨主動發現問題、自主分析問題和獨立解決問題的挑戰。教師在教學的各環節中需要關注學生的學習狀態，及時引導觀察和啟發思考，并適時給出建議和意見，對學生的學習狀況及時做出反饋。

2 實驗教學策略

基于以上分析，我們制訂了以下教學策略，如圖1 所示。

圖1 環境監測實驗教學基本策略

1）實驗前的預習準備是一堂實驗課取得良好教學效果的基石[7,9]。在預習時，要求學生明確實驗目的，掌握其基本原理。對于綜合性或設計性實驗項目，學生應能夠自主設計實驗方案，了解實驗步驟及其注意事項。在OBE 模式下，教師通過對預習報告或實驗方案的批改，著重檢查學生能否在掌握基本理論的基礎上，理解具體實驗步驟與實驗原理的對應關系，并根據學生設計的實驗數據記錄表格，判斷學生對于實驗過程的預期設想是否合理。在分組實驗開始前，通過設置開放型思考題，引導學生思考實驗原理、方案設計相關的問題，使其逐步養成知識探索和能力拓展的自主學習習慣。

2）分組實驗過程中，學生應規范實驗操作，認真觀察并做好詳細記錄。教師應巡查各組實驗進展，除檢查操作是否符合規范、安全的要求外，可適時提出實驗現象、常見誤差或失誤操作等相關問題，組織小范圍討論，以此引導學生在動手的同時積極動腦，主動發現問題、分析問題和解決問題。同時，通過提問或討論，教師可及時了解學生對相關理論和工具的靈活運用程度，并通過具體的實際問題加深學生對實驗原理的理解，提高學生對監測實驗質量管理的認識。

3）實驗結果的總結與報告是監測實驗成果的，對實驗報告的撰寫需給予足夠的重視[10]。實驗完成后，學生應及時對數據進行計算和分析，當堂檢查數據的可靠性，必要時可及時進行實驗重做或補做。實驗報告中對實驗結果進行總結，并反思實驗過程，提出方案調整或改進建議。對實驗報告的批改，應著重檢查學生能否基于實驗數據形成正確、合理的結論，強調規范、準確地撰寫實驗報告的能力。

3 綜合性實驗教學項目設計實例

為提高學生的綜合和創新能力，我們將原基礎性實驗項目“汞含量的原子熒光法測定”改進為綜合性實驗項目“頭發中汞含量的測定”。原教學目標以掌握汞的原子熒光法測定方法為主，在實際教學活動中易將其演變為一堂儀器分析實驗課，無法實現環境監測實驗能力訓練的目標。改進后的教學目標（如表1 所示）則包括了對以頭發消解為代表的預處理方法和以汞測定為代表的樣品分析方法的掌握，以及靈活運用同類方法為具體樣品制定相應的預處理及分析測定方案的能力。此外，以頭發為代表的人體樣品監測也是環境與健康相關分析中典型案例，基于本實驗項目也應進一步拓展學生對相關專業領域的了解。

表1 實驗項目改進前后教學目標和教學內容的變化

在課前講授時，設置以下思考題引導討論：

1）除高錳酸鉀-硫酸消解法外，還有什么方法可以用于頭發中汞的消解？

2）除原子熒光光度法外，還有什么方法可用于樣品中汞含量的測定？

3）若想了解人體近期對汞的蓄積過程，應如何采集頭發樣品？

通過提示，學生將進行同類型樣品消解、汞元素測定等方法的回顧與比較，加深對各方法原理與適用性的理解，加強對實際樣品監測工作復雜性和綜合性的體會，并在逐步進行方法選擇的基礎上形成一套頭發樣品監測方案。由于本實驗項目尚未開放為設計探究性實驗，故最終的監測方案在教師的引導下固定為高錳酸鉀-硫酸消解法和冷原子熒光光度法。未來本項目可以進一步建設為設計性實驗，根據學生的自主選擇，不同分組可嘗試使用不同的預處理甚至分析測試方法，對不同實驗方案進行比較和探索。

在實驗開始前的講授中，從為什么測、怎么測、測得什么3 個問題，抽絲剝繭地講述與汞相關的環境問題與防治、環境暴露與人體健康分析、冷原子熒光法、高錳酸鉀消解法、儀器分析結果的分析與報告等主要教學內容，通過對相關知識的拓展，增加教學內容的趣味性和前沿性。結合思考題的引導，提高教學內容的挑戰度，加深學生對于基礎理論知識應用的拓展能力和創新思考能力。具體的教學思路如圖2 所示。

圖2 教學思路導圖

4 多維度考核評價

OBE 教育模式下，教師需及時了解學生學到了什么，以此形成對教學的良好反饋，做好持續改進。這要求課程對學生的考核是全過程的[1]?；凇靶鹿た啤睂θ瞬诺囊?，課程對學生學習效果的考察也應是全面、多維度的[11-12]。因此，配合貫穿實驗預習—實驗操作—實驗反思全過程的教學策略，我們建立了包含實驗預習與方案設計、實驗操作與現象觀察、數據分析與總結討論等各環節的全過程多維度評價體系，如表2 所示。

表2 環境監測實驗全面評價體系評優標準

在該考核評價體系下，學生在每個環節中的表現都將受到專業技能掌握、創新能力培養和職業規范素養3 個維度的評價，該評價標準對學生自我的學習發展具有一定的導向作用[10]，從而引導學生進一步明確在專業技能、創新能力和職業規范3 個方面的發展目標。通過以上教學策略和考核評價體系的改革和綜合性實驗項目的建設，學生在具體實驗方案設計和執行過程中提高學習興趣，培養創新能力，通過環境監測實驗教學課程的學習進一步提高對理論知識和實驗技能的深入理解和靈活運用能力。

5 結束語

黨的“十八大”提出“大力推進生態文明建設”的目標，我國環境問題受到更多的關注。在黨的“二十大”中進而提出“中國式現代化是人與自然和諧共生的現代化”，進一步明確了我國新時代生態文明建設的戰略任務。因此，對于環境科學與工程專業人才的要求也進一步提高。作為訓練學生專業技能和培養創新能力的重要教學環節，“環境監測實驗”在“新工科”思想、“以產出為導向”教育模式的指導下積極拓展綜合性實驗項目，并進行教學策略、教學方式、考核方式等方面的改革優化，為把學生培養成具有高素質實踐能力和高水平創新能力的復合型人才提供有力支撐。