新工科背景下環境專業創新人才培養模式探索
——以“水分析化學”為例

龔建宇

(華中科技大學環境科學與工程學院，武漢 430074)

新工科立足于產業發展與經濟發展[1]，其內涵是以立德樹人為主旨，以新興產業發展需求為導向，以傳承與革新、交叉與融合、開放與交流為建設途徑，培養兼具專業知識與家國情懷的創新工程人才[2]。因而新工科為高校工科專業教育改革指明了新方向，致力于提升人才培養水平以達到行業發展需求[3-4]。其中，環境類工科專業人才培養需以能力培養為導向，重視其解決實際問題的工程實踐能力、開發新技術的創新能力以及家國情懷培養[5]。本文以“水分析化學”課程教學為例，針對目前存在的傳統工科教學模式無法很好地滿足新工科背景下人才培養需求的問題，通過對實驗課程改革，探索開拓新工科發展背景下的新型教學模式。

1 “水分析化學”課程實踐改革的背景與意義

1.1 “水分析化學”課程概述

“水分析化學”課程是環境科學與給排水本科專業教學中的一門專業核心基礎課，主要分為理論課與綜合實驗課兩部分，分別有40和32個學時。其中，實驗課程是在理論教學的基礎上進一步延伸與拓展，通過實驗實踐引導學生由淺入深，理解水的化學性質和組成成分，掌握水的采樣、處理和分析方法，熟悉水中常見的無機和有機污染物的檢測方法，理解水質檢測標準和水處理技術，培養其實驗操作能力和數據分析能力，增強環境保護意識和社會責任感。

目前筆者教學使用的是筆者所在學院專業教師團隊聯合主編的普通高等教育“十三五”規劃教材《水質分析化學(第3版)》，華中科技大學出版社出版，該教材是在第1版與第2版的基礎上進行了進一步的改進與完善，教材修訂內容緊跟化學專業領域發展前沿，關注水質安全與環境健康等相關社會熱點，結合化學原理實際應用場景案例，推動了綠色發展背景下的生態文明課程思政改革。

1.2 “水分析化學”課程教學存在的問題

由于課程本身難度較大，涉及知識面極為廣泛，導致水分析化學課程在教學過程中面臨諸多問題。1)考核側重于理論。授課內容中包含大量專業相關理論及推導公式，計算量大且計算過程復雜，以考試為單一考核方式的傳統教學模式僅能對學生的理論知識掌握情況做出評價，卻不能同時對學生的實踐操作能力進行考核。2)學生缺乏主動性。學生在學習過程中往往將通過考試作為學習目的，缺乏對專業知識重要性以及對課程學習目標的正確認識，故而以對理論知識的記憶為學習重點，而忽略了對專業知識的深入理解與靈活運用，以及在實驗實踐過程的獨立思考能力培養[6]。3)教學內容與實際聯系不足。傳統的環境專業教育與環保行業激增的發展需求之間存在較大差距，目前環境創新人才工程實踐能力的培養水平與環保行業的發展水平并不相符。

1.3 “水分析化學”課程實踐改革措施

為改變傳統教學模式下實踐教學多局限于課本的窘境，提出通過以能力培養為目的的課程實踐教學模式改革(圖1)，加強學生自主創新能力培養，提高理論教學成果應用于工程實踐的可行性，促進專業教育與行業發展步調一致。1)公式推導，追根溯源：在教學過程前期，對實驗原理涉及的相關專業公式進行示范性推導，注重知識點的溯源與延伸，為學生搭建系統化的知識框架；2)應用拓展，內化原理：避免實驗教學方式局限于單向輸出，培養學生理論聯系實際、獨立分析問題和解決問題的能力，實現對專業知識的靈活運用[7]；3)案例分析，價值塑造：實驗教學擺脫“教材”束縛，與實際應用案例相結合，加強學生實踐創新能力培養，迎合生態文明建設總需求，樹立綠色發展的系統觀與生態觀，為建設美麗中國培養一批兼具工程實踐創新能力與家國情懷的環境創新人才[8]。從而實現知識傳授、能力培養、思政引領的三維度育人目標，為新工科人才培養夯實化學專業基礎。

圖1 水分析化學課程實踐改革

2 “水分析化學”課程實踐改革實例

2.1 草酸分子量測定實驗設計

為避免傳統實驗教學中單一的“照本宣科”式授課方式，提出讓學生自主設計實驗并實操驗證的新型教學模式?；诶碚撜n程的教學進度，同時為滿足工程實踐中常見的未知物質分子量測定的需要，“草酸分子量測定實驗設計”課程既能幫助學生對前期理論課和實驗課學習的知識點進一步鞏固加強，又能更加靈活地評估學生的知識掌握情況以及獨立思考能力。該設計實驗要求同學們自行設法求得某未知物質(草酸)的相對分子質量。需要依據所學的課程知識進行方案比選，再在滿足最小誤差要求的基礎上計算所需的溶質質量、溶液體積，并進行合規操作，最終求得物質的分子量?！安菟岱肿恿繙y定實驗設計”思維導圖如圖2所示。

圖2 草酸分子量測定實驗設計思維導圖

在方法比選階段，要求學生對可行的多種實驗方案進行比選，從實驗原理到實驗操作等多方面進行優劣比較，考察學生對相關專業知識的整體把握，以及是否具備獨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驗方案包括絡合滴定、氧化還原滴定、酸堿滴定等。其中，絡合滴定實驗設計相對復雜，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，再在強酸環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?？梢?，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快速進行，實驗操作繁瑣，也不易采用。酸堿滴定相關原理簡單易理解，實驗操作同樣簡便易行，但學生們需要首先判斷草酸分子中的兩個氫質子是否能被同時滴定，然后再計算得到每個過程滴定終點的溶液pH值，依次選擇合適的指示劑，均需要給出確切的計算過程，繼而開展實驗。

在實驗設計階段，要求學生對于實驗方案中包括儀器選擇、器皿準備、步驟設計、數據處理以及結果驗收等環節進行宏觀把控，考察其是否具備將理論知識應用于解決實際問題的專業能力，同時還需從此前的實驗課程中總結經驗，對實驗方案進行合理設計與不斷優化。

在實踐考核階段，首先需由教師對學生的實驗方案設計進行評價，判斷是否可行并對不足之處給出完善建議。教師還需在學生實驗操作過程中進行全程指導建議，督促學生規范操作，確保實驗室安全。最后對實驗結果進行驗收評價，鼓勵學生積極思考實驗設計與實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合滴定實驗設計

從工程應用案例出發，絡合滴定法常被用于含雜質金屬礦石中目標金屬的定量測定，結合實際需求，設置“金屬離子共存下的絡合滴定實驗設計”課程教學，培養學生的工程實踐能力，加強專業教育與行業發展的聯系，提升學生的自主創新能力，推動環境創新人才培養滿足建設美麗中國重大使命的需求，全力培養環境領域高層次復合型拔尖人才?！敖饘匐x子共存下的絡合滴定實驗設計”思維導圖如圖3所示。

圖3 多金屬離子共存下的絡合滴定實驗設計思維導圖

本實驗設計課程針對現實工業廢水中往往同時存在多種復雜重金屬離子的情況，以Pb2+、Bi3+離子共存為例，要求學生運用絡合滴定的相關知識，合理設計實驗，以實現分步測定溶液中不同重金屬離子濃度為實驗目的。設計的目的在于幫助同學們更好地理解絡合體系中副反應的影響因素，巧妙利用酸度對不同金屬離子平衡常數的影響程度實現分步滴定。

首先針對Bi3+、Pb2+離子共存情況，根據兩種離子的平衡常數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Bi3+滴定。由Bi3+、Pb2+離子濃度與平衡常數計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pH=1.0～2.0，此時Pb2+的存在不影響Bi3+滴定。以XO作為指示劑，EDTA為絡合劑，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部分，教師首先需對學生的實驗設計進行可行性評估，并給出完善意見，然后全程監督考察學生的實踐操作是否規范，最后驗收是否達到兩種金屬離子分步滴定的實驗目的，并結合工程實際需求進一步講解實驗方法與現行工藝存在的差距。

3 結論

以上兩個具體案例是對“水分析化學”課程的教學模式的一次創新式改革，將專業教學與實際案例相結合，鼓勵學生靈活運用課程專業知識，培養其獨立分析問題和解決問題以及實踐創新能力，貫徹知識傳授、能力培養、思政引領的三維度育人目標導向的授課理念，推動環境專業人才教育與生態文明建設總需求更加契合。同時是新工科發展背景下，對以能力培養及行業實際需求為導向的創新型人才培養模式的一次深入探索，更好地為相關行業發展與國家建設需求培養兼具扎實理論知識與創新實踐能力的創新型人才。