环境科学实验教学遇到的问题探讨及实践

关键词:环境科学;实验教学;项目式教学法;探索与实践

本科教育是大学的灵魂。本科阶段是大学生基础知识的架构、能力的培养，创新思维、创新精神、实践能力塑造的关键时期。以社会需求为导向、注重对大学生实践能力和创新能力的训练、培养高素质专门人才，是本科教育所面临的新课题。环境科学是为解决环境问题而诞生的一门新兴的综合性边缘学科，具有很强的实践性和应用性，是生物学、化学、物理学、地理科学等多学科交叉的结晶［1］。在本科教育阶段涉及环境化学、环境监测、环境生态、环境管理与规划、环境资源与保护、环境地理学、环境生物学、环境毒理学和环境影响与评价等多学科交叉的课程。这也决定了在整个教学过程中具有重要地位的实验教学同样涉及多学科的交叉，实验项目“多、散、杂”，缺乏必要的联系，没有形成专业教育特色［2］。目前的状况是:实验教学是一个个孤立的实验项目，例如，“水中固体悬浮物的测定”“土壤对碱性染料的吸附”“空气中二氧化硫的测定”等，通过多次这样的实验教学，学生获得的只是孤立的某一个实验现象或知识点的验证，不利于学生基础知识架构的形成、创新与实践能力的培养。项目式教学法是指通过一个完整的项目而进行的教学活动，包括信息的收集、方案的设计、项目的实施以及最终的评价，都是由学生在教师的引导下自己完成，是近年来为培养学生综合素质和实践能力所采取的一项有力的教学措施［3］，在教育水平发达的国家被广泛推崇。项目式教学(ProjectBasedTeaching)模式是建立在建构主义(Constructivism)教学理论基础之上的教学法，同时也是CDIO(Con-ceive、Implement、Design、Operate，即构思、设计、实现、运行)理念所倡导的教学模式。米红甫等将项目式教学法应用于化工安全方向的实践教学体系，学生普遍反映新的教学体系效果明显，学生的创新能力和解决问题能力明显增强［4］。将项目式教学法结合环境科学实验项目“多、散、杂”的特点，应用于环境科学本科生实验教学过程中，有利于学生综合素质的培养和学生构思能力、设计能力、操作能力及协作能力等各种实践能力的提高。鉴于此，本文以“翡翠湖水体综合评价”这一实验项目为例，探索“项目式教学法”在环境科学实验教学的适应性，并在实际实验教学过程中进行实践。经过这一实验项目的实施，激发学生的创新精神，充分发挥学生的主观能动性，促使学生串联以“翡翠湖水体综合评价”为主线的多个环境科学的知识点和操作技能，实现学生知识架构的建立和实践能力的培养。

项目教学法，强调一个完整项目的开展来带动教与学的结合，教师前期需广泛调研收集资料，科学、合理设置项目情景模块，甚至拆分成几个模块或几个小任务来引导学生自主完成。以“翡翠湖水体综合评价”这一实验项目为例，为了实现翡翠湖的水体综合评价，根据环境科学专业要求和实验项目中水体综合评价要求，可以分解为水样的基本理化性质及水体初级生产力测定、浮游植物的采集、观察鉴定和定量测定、浮游动植物的采集、观察鉴定和定量测定、水体浮游植物叶绿素a含量的测定等四个部分。在这个以实验项目为载体的开放式教学过程中，以学生为中心，加强学生和教师的互动，淡化课堂和课程的概念。基于学习过程，构建学习任务，运行“任务发布———小组研讨———教师引导———实验协作———数据共享———完成评价”的教学模式

在项目实施的过程中，教师更多的是引导并参与讨论。引导学生查阅《环境监测》［5］中湖泊、水库等水体样品采集的要求，将翡翠湖按照入水口、出水口、湖心区、深水区、浅水区、排污口等划分出8个采样点，学生班级可以分为8个小组，每个小组同学负责一个采样点，组内做三个平行采样，组员之间自己沟通、协调，同时教师要加强管理，提醒小组明确分工，从而提高小组合作与交流的效率，以便更好地展开实验。项目实施过程中，对于学生在情感、态度的价值观等多方面，教师也要予以关注、引导，最终让学生的知识能力能够放大到以后的工作生活中，实现交流能力、分析能力、合作能力、解决实际问题的能力、综合能力的有机融合。2.1水样的基本理化性质。及水体初级生产力的测定通过水样的采集及测定，学习水体中pH值、悬浮固体、电导率等理化参数和黑白瓶法水体初级生产力的测定。测定水体的理化性质和浮游植物初级生产量，对了解翡翠湖水体的特点和生产性能具有重要意义。2.2浮游植物的采集、观察鉴定和定量测定。富营养化已成为全球关注的问题。由富营养化引发的水华会进一步加重水体污染，已经是世界性的水污染公害。浮游藻类植物广泛分布在各种淡水水体和海洋中，但是并不是所有的藻类都能形成水华，能够形成水华的藻类最主要的是蓝藻门的种类［6］。因此，在水环境监测中，浮游藻类的种类和数量成为重要的监测指标之一。通过浮游植物样品采集、固定和浓缩、样品鉴定、计数及结果计算等实验操作，学生们学习使用浮游生物网采集浮游藻类水样及固定的方法;观察鉴定水样中常见的浮游藻类，认识蓝藻门、硅藻门、绿藻门、甲藻门、裸藻门、金藻门等藻类细胞形态结构的主要特点;了解采水器采样、固定。、浓缩等浮游藻类定量监测方法，对样品进行计数。翡翠湖浮游植物的采集、观察鉴定和定量测定，可以了解翡翠湖的水体富营养化程度。2.3浮游动物的采集、观察鉴定和定量测定浮游动物是湖泊生态系统的重要组成部分，既是细菌、浮游植物等初级生产者的牧食者，也是鱼类等其它动物的重要食物，其变化会影响到其它营养级和食物网结构的变化，浮游动物对氮、磷等生源要素的再生是水体初级生产者的主要营养盐来源之一。因此，在水环境监测中，浮游动物的种类和数量成为重要的监测指标之一。通过浮游动物样品采集、固定和浓缩、样品鉴定、计数及结果计算等实验操作，学生们学习使用浮游生物网采集浮游动物水样及固定的方法;观察鉴定常见浮游动物种类，认识原生动物、轮虫、枝角类和桡足类的常见种类，初步掌握其形态特征;了解浮游动物样品采集、浓缩和固定的定量测定方法。浮游动物的种群及数量的变化，优势指示种和生物多样性指数等指标均可反映翡翠湖的水体富营养化程度。2.4水体浮游植物叶绿素。a含量的测定通过对翡翠湖不同采样点水体叶绿素a含量的测定，学习用热乙醇法对不同水体浮游植物叶绿素a含量的测定方法。了解水生生态系统浮游植物生物量的估算方法，进一步认识浮游植物在水体生态系统生产中的重要地位。通过分组实验，小组协作获得翡翠湖各个采样地点的实验数据。实验数据处理过程中，全班各个小组实验数据共享，才能获得翡翠湖入水口、出水口、湖心区、深水区、浅水区、排污口等划分出8个采样点的评价数据，完成从水体的理化性质及初级生产力的测定、浮游植物、浮游动物、水体浮游植物叶绿素a等多个方面对翡翠湖进行一个完整的综合评价。综合各个采样地点的浮游生物观察的结果，获得翡翠湖常见浮游植物和浮游动物的品种，建立翡翠湖浮游动植物的图库集。

项目式教学法可以将繁杂的理论教学与实验教学有机地结合起来，充分发掘学生的创造潜能，培养学生的相互合作能力，提高学生的学习效果和技能水平，最终获得较好的学习效果。通过这个实验项目的完成，帮助学生建立了以“翡翠湖水体综合评价”为主线的水样的基本理化性质及水体初级生产力测定、浮游植物的采集、观察鉴定和定量测定、浮游动植物的采集、观察鉴定和定量测定、水体浮游植物叶绿素a含量的测定等多个环境科学知识点的知识架构;综合翡翠湖各个采样地点的浮游生物观察结果，获得翡翠湖常见浮游植物和浮游动物的品种，建立翡翠湖浮游动植物的图库集。为后续的环境科学专业的实验教学提供了参考材料。实验项目的实施，培养了学生水样采集、水体初级生产力测定、浮游动植物采集、鉴定与定量、水体叶绿素测定为基础的实验构思、设计及操作等各种实践能力;通过整个班级分为8个小组及小组成员间的分工与合作，培养了学生的协作能力。通过这个实验项目的完成，实验过程中每个同学的数据的准确性影响全部的实验结果，有利于打破学生个人“小我”思维模式，建立一种责任感。通过实验项目“翡翠湖水体综合评价”的实验教学探索与实践，可以辐射整个环境科学的实验教学，并为全面推行提供宝贵的经验。

在环境科学专业实验教学中，项目式教学法具有显著的人才培养优势，取得了非常好的教学成果。在项目规划阶段，教师根据环境科学专业要求和实验项目中水体综合评价要求，将理论教学内容与实验教学项目很好的结合，科学、合理地分解成四个部分来引导学生自主完成;在项目实施阶段，教师更多的是指导学生们分组与分配任务，提醒小组明确分工，从而提高小组合作与交流的效率，以便更好地展开实验。从项目效果看，学生在整个教学实践的过程中，完成发现问题和解决问题能力的训练，从而掌握了独立解决问题的能力。正如本文中所列举的项目式教学法“翡翠湖水体综合评价”的实例，充分验证了这类教学模式更加灵活有趣，具备边学边做的特点和学以致用的优点。项目式教学法完善了教学体系和人才培养机制，更加适应大学生基础知识的架构、能力的培养，创新思维、创新精神、实践能力塑造的关键时期的人才培养教育的需求。项目式教学法在环境科学实验教学中的应用与研究，将有力促进教学模式的创新与发展，全面提升本科生教学质量，实现本科教育人才培养目标。