高等環(huán)境化學(xué)課程提升探索*

李 薇，王信粉，許 野

(資源環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206)

環(huán)境化學(xué)課程是環(huán)境相關(guān)專業(yè)的必修課，傳統(tǒng)環(huán)境化學(xué)課程的內(nèi)容主要是研究污染物存在形態(tài)，在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理及基本污染防治技術(shù)的應(yīng)用等，是學(xué)生了解防控環(huán)境污染給社會(huì)、人群及自然環(huán)境帶來的不良影響和危害的基本理論及技術(shù)。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種環(huán)境問題日益突出，影響范圍不斷擴(kuò)大，越來越高的環(huán)境保護(hù)要求對(duì)環(huán)境學(xué)科提出了新的挑戰(zhàn)。環(huán)境化學(xué)的傳統(tǒng)授課內(nèi)容一般都是以高教出版社的第二版的《環(huán)境化學(xué)》為教材，圍繞該教材的內(nèi)容進(jìn)行講授，已經(jīng)難以滿足日新月異的環(huán)境科學(xué)技術(shù)發(fā)展對(duì)研究生培養(yǎng)的要求。亟需針對(duì)碩士研究生的專業(yè)要求和培養(yǎng)特點(diǎn)，開發(fā)高等環(huán)境化學(xué)專業(yè)課程，建設(shè)協(xié)調(diào)環(huán)境與發(fā)展，保護(hù)和改善環(huán)境質(zhì)量的新興的綜合性、交叉性課程。對(duì)培養(yǎng)適應(yīng)綠水青山也是金山銀山理念需要的高級(jí)技術(shù)與管理人才具有重要意義。

1 培養(yǎng)目標(biāo)分析

比起早期針對(duì)單一環(huán)境問題進(jìn)行的處理，面向研究生的高等環(huán)境化學(xué)要求從更為完整的項(xiàng)目角度考慮整個(gè)環(huán)境工程的解決方案計(jì)劃。因此課程的培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)為熟悉環(huán)境中的主要污染物的毒性和運(yùn)動(dòng)過程及受污染環(huán)境的修復(fù)技術(shù)；掌握水、大氣、土壤、生物體內(nèi)的環(huán)境污染的生物效應(yīng)以及污染物在環(huán)境中的存在形態(tài)和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律；能開展環(huán)境污染防治、監(jiān)測(cè)、自然資源保護(hù)相關(guān)科研以及環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化分析等工作。

2 課程方案設(shè)計(jì)

本課程針對(duì)以上培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行課程教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.1 結(jié)合實(shí)踐講授基礎(chǔ)理論并進(jìn)行多方位延伸

研究生課程在涉及更深的理論知識(shí)，高等環(huán)境化學(xué)的理論基礎(chǔ)包括但不限于《無機(jī)化學(xué)》、《有機(jī)化學(xué)》、《分析化學(xué)》、《環(huán)境化學(xué)》、《環(huán)境工程學(xué)》等教材[1-5]。同時(shí)，為了培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立解決問題能力，還應(yīng)該加入更多的創(chuàng)新研究思維引導(dǎo)內(nèi)容，從應(yīng)用實(shí)踐和拓展研究的雙重維度啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行社會(huì)民生亟待解決的關(guān)鍵環(huán)境問題研究。課程講授過程中對(duì)水、大氣、土壤等污染污毒性及運(yùn)移過程均進(jìn)行多角度延展，包括但不限于污染物的反應(yīng)機(jī)理，污染物的變化過程、污染控制技術(shù)的改進(jìn)完善、技術(shù)的應(yīng)用適用以及機(jī)理及技術(shù)之間的聯(lián)系等[1]。例如，鼓勵(lì)學(xué)生自行思考污染物控制基本化學(xué)反應(yīng)機(jī)理；分析企業(yè)生產(chǎn)過程中污染發(fā)生、轉(zhuǎn)化、控制過程中的復(fù)雜性；結(jié)合實(shí)際環(huán)境污染案例中污染物去除機(jī)制在基本理論上發(fā)現(xiàn)更高效的污染控制方法等。

在具體課程內(nèi)容設(shè)計(jì)中，還以某地區(qū)霧霾產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展過程、控制方案為例，首先從微觀角度講授檢測(cè)大氣污染物成分的工具、霧霾污染物的解析構(gòu)成、污染物的來源的追溯方法及降低霧霾發(fā)生的方法等。其次分析造成霧霾的新型大氣污染物的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)化，啟發(fā)學(xué)生對(duì)大氣污染控制的具體科學(xué)理論和控制技術(shù)原理、研究手段、研究進(jìn)展等進(jìn)行深入探討和分析[1]；在掌握大氣污染物控制的原理后，拓展研究霧霾是否受其他氣象、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素影響以及互動(dòng)機(jī)理，提出更全面的解決霧霾、臭氧等大氣環(huán)境污染問題的技術(shù)方案。

2.2 生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)分析內(nèi)容拓展

在課程規(guī)劃中增加環(huán)境系統(tǒng)分析，包括環(huán)境污染問題發(fā)現(xiàn)與歸類分析、技術(shù)研發(fā)與可行性分析，決策制定和完善、整體優(yōu)化等。從工程實(shí)踐的角度，結(jié)合具體物理、化學(xué)、生物技術(shù)手段，不局限于微觀處理方法，而是系統(tǒng)分析環(huán)境污染處理工藝技術(shù)的優(yōu)化思路。課程內(nèi)容中還增加了針對(duì)具體問題建立的不同環(huán)境影響評(píng)價(jià)體系，引導(dǎo)學(xué)生思考如何選擇發(fā)現(xiàn)和解決環(huán)境問題的切入點(diǎn)、解決方法、軟件等工具利用等?；诰唧w實(shí)踐形成研究設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，并通過示例和討論，分析整個(gè)工程的優(yōu)缺點(diǎn)，延伸至多角度方案規(guī)劃與建設(shè)，并各技術(shù)方案開展系統(tǒng)優(yōu)化分析。課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)針對(duì)不同的環(huán)境問題會(huì)有側(cè)重點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，尋求解決問題的最佳方案，增加對(duì)高等環(huán)境化學(xué)前沿理論及技術(shù)的整體認(rèn)知和掌握，通過主客觀結(jié)合的方式，更為貼近實(shí)踐的講授環(huán)境化學(xué)。

2.3 環(huán)境新技術(shù)、模擬軟件應(yīng)用實(shí)踐

相比于本科學(xué)習(xí)中簡(jiǎn)單的了解水污染控制、大氣污染控制、噪聲污染控制、固體廢棄物處置與資源化的基本技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)介[5]，研究生學(xué)習(xí)應(yīng)更注重實(shí)際經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)建設(shè)中，在課程教學(xué)過程中，針對(duì)社會(huì)普遍關(guān)切的重大環(huán)境問題，研究新出現(xiàn)典型環(huán)境污染物、環(huán)境污染事件及造成生態(tài)環(huán)境影響的事故的解決方案，有針對(duì)性的計(jì)算問題解決的整體效果并進(jìn)行解決方案的優(yōu)化。如某處輸油氣管道泄漏導(dǎo)致的水體及大氣環(huán)境污染情況下，研究水體本身水文水動(dòng)力學(xué)因素對(duì)水體污染問題造成的影響，學(xué)習(xí)相關(guān)污染物遷移擴(kuò)散模型，通過污染物在水體中擴(kuò)散的模擬，判斷包括土壤、大氣、溫度、地理、生態(tài)鏈等多因素對(duì)整個(gè)污染問題解決的影響以及各影響因子的敏感性，基于層次分析或析因分析，對(duì)不同環(huán)境條件下的影響因素進(jìn)行排序或者分類，分析各因素之間的關(guān)聯(lián)，給出更高效的整體處理技術(shù)方案。

2.4 充分利用信息化技術(shù)豐富課程內(nèi)涵

在環(huán)境化學(xué)相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)下迅速普及的信息技術(shù)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)闡述和理論啟發(fā)。以環(huán)境污染事故分析、動(dòng)態(tài)模擬、反應(yīng)動(dòng)圖、軟件計(jì)算等為教學(xué)手段。讓學(xué)生不局限于課堂所接受的內(nèi)容，學(xué)會(huì)舉一反三。引導(dǎo)學(xué)生通過信息網(wǎng)絡(luò)獲取案例和數(shù)據(jù)，對(duì)危害生態(tài)環(huán)境的典型行業(yè)污染問題進(jìn)行深入分析，了解污染物產(chǎn)生機(jī)理，典型污染物的特征及防控難點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)信息資料查找當(dāng)前主流環(huán)境工程理論和技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，研發(fā)環(huán)境污染物降解新技術(shù)和材料、方法[6-7]。針對(duì)環(huán)境污染事件，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和使用相關(guān)的環(huán)境分析計(jì)算、統(tǒng)計(jì)建模、模擬分析軟件，并通過在課上講解具體的案例和數(shù)據(jù)，為學(xué)生提供設(shè)計(jì)、計(jì)算演練機(jī)會(huì)。例如針對(duì)重點(diǎn)排污行業(yè)特征污染物產(chǎn)生與排放情況，同學(xué)們學(xué)習(xí)和使用分析大氣污染物擴(kuò)散的高斯、Capuff模型，分析地表水污染物遷移擴(kuò)散的SWAT軟件，和分析土壤及地下水的GMS、Fluent、Hydrus軟件等。學(xué)生通過對(duì)相關(guān)案例的數(shù)據(jù)收集、處理、統(tǒng)計(jì)分析，再結(jié)合具體軟件對(duì)污染物遷移擴(kuò)散的模擬，對(duì)污染物在自然環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化過程、機(jī)理有了深入的了解，也有利于他們對(duì)相應(yīng)環(huán)境軟件使用的掌握。其次，通過對(duì)各軟件輸出結(jié)果比較，來具體分析軟件模擬過程中的優(yōu)缺點(diǎn)，講解誤差的避免方法以及軟件的優(yōu)化應(yīng)用。課程的講授過程中，將環(huán)境污染問題解決和環(huán)境化學(xué)理論方法相結(jié)合，提高學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的掌握以及軟件應(yīng)用能力，培養(yǎng)應(yīng)用型環(huán)境保護(hù)人才。

3 課程講授及考核形式改革

高等環(huán)境化學(xué)課程考核不局限于單純基本理論考核，根據(jù)學(xué)生對(duì)環(huán)境化學(xué)技術(shù)方法發(fā)展結(jié)合緊密的學(xué)習(xí)內(nèi)容與掌握程度進(jìn)行考核方案設(shè)計(jì)，采用高互動(dòng)性、緊密結(jié)合實(shí)踐、跨學(xué)科式的綜合課程考核形式。期末考查成績(jī)和日常出勤率設(shè)置占比50%，重視量化學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中的理論與實(shí)踐結(jié)合情況以及相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)拓展深度，采用辯論會(huì)、研討會(huì)和案例分析等方式組織教學(xué)，提高教學(xué)效果，輔助對(duì)學(xué)生解決實(shí)際問題的創(chuàng)新能力進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)，課堂表現(xiàn)在最終成績(jī)中占比50%。

(1)課程進(jìn)行中，針對(duì)當(dāng)前的社會(huì)需求，為學(xué)生提供多種環(huán)境污染問題案例和理論研究方向，允許并建議學(xué)生根據(jù)興趣及當(dāng)前污染現(xiàn)狀自由選題。讓學(xué)生通過分析課題組的科研方向與環(huán)境化學(xué)授課內(nèi)容的交叉點(diǎn)，引導(dǎo)其選擇其感興趣的環(huán)境污染防控問題案例進(jìn)行下一步的全面分析工作。在現(xiàn)有解決方法和課堂知識(shí)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)其獨(dú)立新的解決方案。在這個(gè)過程中，導(dǎo)師將對(duì)重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo)。最后，通過多種形式的課堂呈現(xiàn)，為學(xué)生提供自由的學(xué)習(xí)空間和創(chuàng)新環(huán)境，學(xué)生也有機(jī)會(huì)在課堂上闡述自己的觀點(diǎn)及對(duì)環(huán)境污染防控方面的新見解。

(2)關(guān)注問題解決過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在分析典型環(huán)境問題解決方案的同時(shí)，對(duì)學(xué)生為某一環(huán)境問題研究得出具體的解決理論和設(shè)計(jì)方案提供對(duì)比、評(píng)估，組織學(xué)生對(duì)研究結(jié)論進(jìn)行討論，并提出改進(jìn)建議。對(duì)環(huán)境污染解決方案中的理論應(yīng)用、軟件使用、參數(shù)率定、網(wǎng)格劃分等影響因素的考慮全面性、方法分析的創(chuàng)新性、以及對(duì)誤差和錯(cuò)誤產(chǎn)生原因等，綜合評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)高等環(huán)境化學(xué)的學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)。

(3)引導(dǎo)學(xué)生自己挖掘環(huán)境熱點(diǎn)、發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題，并和同學(xué)開展熱點(diǎn)分享和問題辯論。通過拓展學(xué)生的知識(shí)面，激勵(lì)個(gè)體主動(dòng)學(xué)習(xí)能力和增加自我創(chuàng)新能力，培養(yǎng)環(huán)境敏銳度較高的復(fù)合型人才。鼓勵(lì)學(xué)生自己探索老師講解內(nèi)容之外的知識(shí)點(diǎn)，并給其他同學(xué)們進(jìn)行詳盡的講解，并和同學(xué)們進(jìn)行討論，回答老師和同學(xué)們提出的問題，以及尋找依據(jù)解答觀點(diǎn)反對(duì)方的質(zhì)詢。針對(duì)某個(gè)具體問題，不同角度的思維發(fā)散也可以補(bǔ)充課程中忽略的一些知識(shí)點(diǎn)和重點(diǎn)，學(xué)生們對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握會(huì)更加全面。通過將學(xué)生自主講解模式加入考核體系，對(duì)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)予以激勵(lì)，增加老師和同學(xué)之間以及同學(xué)之間的交流互動(dòng)。

4 課程未來改革探索

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)環(huán)境化學(xué)學(xué)科教學(xué)的要求越來越高，需分析該領(lǐng)域的理論、方法、技術(shù)、材料、軟件等研發(fā)的前沿?zé)狳c(diǎn)和未來創(chuàng)新方向。

4.1 宏觀環(huán)境理論與微觀污染控制技術(shù)建立聯(lián)系

實(shí)際環(huán)境問題的解決，已經(jīng)不僅局限于單獨(dú)的水、土壤或者大氣分析，而是需要綜合考慮多重不確定因素，在影響因素分析中，需要計(jì)算一些未知的因素和方案設(shè)計(jì)疏忽帶來的誤差。環(huán)境污染問題的側(cè)重點(diǎn)分析、技術(shù)方法以及工藝可行性分析、基礎(chǔ)自然環(huán)境信息及處理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等多方面問題，都是影響環(huán)境污染控制的重要因素。課程講授過程應(yīng)該從微觀具體技術(shù)和宏觀系統(tǒng)分析的雙重角度出發(fā)，保證各類環(huán)境污染問題解決理論和技術(shù)工藝設(shè)計(jì)的全面性。

分析目前典型環(huán)境污染問題過程中，引導(dǎo)學(xué)生通過目標(biāo)逆推法和動(dòng)因促進(jìn)法，通過目標(biāo)逆推法針對(duì)每個(gè)目標(biāo)制定可以達(dá)成該目標(biāo)的方案。通過全面的目標(biāo)分析，可以從特定的角度引導(dǎo)學(xué)生分析不同環(huán)境問題。動(dòng)因促進(jìn)法是從環(huán)境化學(xué)的最新發(fā)展角度進(jìn)行分析，動(dòng)因促進(jìn)法可以評(píng)估環(huán)境污染給自然環(huán)境及人類生產(chǎn)生活帶來的影響，分析對(duì)相應(yīng)方案的改良，提供更好的工藝方案。兩種方法均可對(duì)學(xué)生在課程上進(jìn)行較好的實(shí)踐引導(dǎo)，可以較好的促進(jìn)高等環(huán)境化學(xué)課程改革。

4.2 不同學(xué)科知識(shí)理論融會(huì)貫通

環(huán)境化學(xué)多年的發(fā)展過程中，化學(xué)、物理學(xué)、微生物學(xué)、生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)等多門學(xué)科均與該學(xué)科建立了緊密的聯(lián)系。在授課過程中，根據(jù)環(huán)境污染問題解決的實(shí)際需要，適當(dāng)增加和其他學(xué)科交叉的內(nèi)容。設(shè)計(jì)環(huán)境化學(xué)方案時(shí)，不僅局限于單一環(huán)境分析，應(yīng)更注重于提出融合多學(xué)科的方案。利用學(xué)科交叉理論知識(shí)，對(duì)方案的項(xiàng)目周期、實(shí)踐難度、協(xié)調(diào)難度、方案的費(fèi)效等進(jìn)行綜合考量，在對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行模擬和仿真時(shí)，考慮人為管理干涉和無干涉等對(duì)比問題，提供更全面的解決環(huán)境問題的信息。

5 結(jié) 語

面向研究生的高等環(huán)境化學(xué)課程必須順應(yīng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。課程的講授需要更深入的探討污染控制過程的反應(yīng)機(jī)理，還需要系統(tǒng)的引導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)踐理論和方法的創(chuàng)新。課程中學(xué)生不僅研究環(huán)境化學(xué)的相關(guān)理論和技術(shù)，還著重學(xué)習(xí)如何利用相關(guān)信息，如何與其它學(xué)科交叉融合，最終獲得解決環(huán)境污染問題的最優(yōu)方案。通過深入探討分析當(dāng)前環(huán)境面臨的熱點(diǎn)問題，使研究生有能力憑借自身能力提出高效可行的解決方案，進(jìn)一步提升學(xué)生理論及實(shí)踐水平。