高等院校环境科学专业实验课程体系的建设与思考

发布时间：2021-03-12

　　摘要:实验教学效果直接影响本科生实践能力的培养，建立一套科学合理的适合环境科学专业本科生的实验课程体系意义重大。文中主要介绍了厦门大学环境科学专业以系统性、综合性、模块化的方式建立了一套“基础→专业→综合”的实验课程体系。在加大实验室建设投入，加强实验室管理等软硬件设施配套的情况下，实验课程体系不断完善，培养的学生能够满足人才培养的目标和社会需求。本文通过阐述该实验课程体系的建立、完善及成效，以期为相关院校提供借鉴。

　　关键词:本科生，环境科学专业，实验教学，课程体系，模块化，技术支撑

　　随着全球对环境问题的关注，国内许多高校陆续设立了环境科学专业。环境科学是一门新兴的研究和解决环境问题的综合应用型学科，涉及内容广泛[1-2]。环境科学专业的研究对象包括：大气、水体、土壤(沉积物)、生物、生态等各种环境因素，除了研究各环境因素的单独作用，还研究各环境因素之间的相互联系和相互作用。由于研究对象的复杂多变，研究手段和技术的多样化，需要物理、化学、数学、水文、地质学、气象学、生物学、生态学等学科的知识;加上环境科学专业的自身知识体系十分庞大，在内容上与其他学科交叉融合及渗透，同时又有较强的实践性[3-4]。要解决实际的环境问题，理论知识的教育必须与培养动手能力的实验实践教育紧密结合，实践性教学是实现高等院校人才培养目标的重要教学环节，尤其是在提高学生实践能力和综合素质方面具有不可替代的作用[5]。因此，实验教学课程体系的建立，与理论课程体系的建立具有同等重要的意义。

　　1厦门大学环境科学专业的人才培养目标和定位

　　1982年厦门大学成立环境科学研究所，成为我国最早开展环境科学研究和人才培养的高校之一。厦门大学的环境学科坚持“上山-下海、顶天-立地”理念，以亚热带近海(含流域-河口)和湿地生态系统为主要研究对象，重点开展环境生态学、环境化学与毒理学、环境监测和管理以及环境污染治理与工程技术等研究，培养从事环境保护与可持续发展所需的复合型高层次人才，是我国环境科学研究和人才培养的重要基地。

　　在雄厚的科研硬件和人才队伍支撑下，2000年厦门大学环境科学与工程系成立，开始招收本科生。环境科学专业以“厚基础、宽口径、高素质、国际化”为宗旨，注重“学思结合”、“知行统一”、“因材施教”，着力培养能在环境科学及相关领域参与生态文明建设的优秀人才和中坚力量。

　　2实验课程体系建立、发展完善与技术支撑

　　环境科学主要通过理论研究和实验分析来解决人类面临的各种环境问题，需要不断地将理论与实践相结合，不断地将庞杂的知识精简为实际的运用。因此，实践教学在环境科学专业的教学中具有举足轻重的地位[6]。以完成实践教学目的而进行的实验教学课程体系建设，就显得尤为重要。

　　2.1环境科学专业实验课程体系建立的必要性

　　首先，环境科学专业本身知识体系的庞大以及与其他学科的交叉融合渗透，知识面较宽;其次，环境科学专业以解决实际环境问题为主要目标导向，因此对实验技能有更高的要求;第三，环境科学专业对“学思结合”、“知行统一”、“高素质”人才培养的需要;第四，我国高等院校环境科学专业实验课程大多没有独立设置，而是依附于理论课或包含在理论课程中。比如有些学校，实验教学多以课程实验的形式开展，在理论教学中安排的实验项目课时约占课程总学时的1/4–1/3[7-9]。实践教学内容与方法相对落后与分散，没有形成科学的实践教学体系，在培养模式上大多仍处在探索阶段，难以使学生做到“厚基础、宽口径、高素质”[10]。因此，建立系统的、科学合理的、符合环境科学专业特点的实验课程体系非常必要。

　　2.2实验课程体系的建立及发展完善

　　2.2.1实验课程体系模块的建立及发展完善

　　环境科学专业实验教学课程体系的建立，必须考虑学科系统性、科学性、交叉性、综合性的特点，按照从简单到复杂，从基础到专业，从专业到综合的设计理念和原则，形成环境科学专业实验教学课程体系模式为：学科基础实验→专业基础实验→专业综合实验。

　　厦门大学环境科学专业的实验教学课程，依照以上原则按模块设置，分为4个模块：“基础实验模块”、“环境科学基础实验Ⅰ(化学模块)”、“环境科学基础实验Ⅱ(生物模块)”和“环境科学综合实验模块(含环境工程实验模块)”。“基础实验模块”主要包含：大学物理实验、无机及分析化学实验、有机化学实验以及学科基础实验，比如，早期的“环境科学入门实验”及现在的“学科基础实验Ⅰ”、“学科基础实验Ⅱ”。“环境科学基础实验Ⅰ(化学模块)”，实验内容涵盖环境化学、环境监测、仪器分析等化学类课程内容。“环境科学基础实验Ⅱ(生物模块)”的实验内容就包含环境生物学、环境毒理学、基础生态学、环境微生物学等生物类课程的内容。“环境科学综合实验模块(含环境工程实验模块)”中的“环境工程实验”模块，是以环境工程原理、环境微生物学、物理化学等课程为依托，利用物理、化学、微生物等方法，对污染水质进行处理的实验课程。“环境科学综合实验”则是在环境科学基础实验训练的基础上，运用大型仪器设备，开展的关于大气、水质(包括海水)、土壤(沉积物)及生物等环境要素的综合分析实验。环境科学专业实验课程体系模块、开课年级、理论课基础，详见图1。

　　相关期刊推荐：《生物工程学报》(月刊)1985年创刊，杂志是国内外公开发行的全国性学术期刊,由中国科学院微生物研究所和中国微生物学会共同主办。主要报道生物工程研究的新发展、新成果、新技术。刊登的内容包括：基因工程、细胞工程、酶工程、生化工程、组织工程、生物信息、生物制药、生物芯片等。

　　各模块实验项目在设置时，还考虑了以下几个方面的因素：(1)采用不同的样品预处理方法对不同介质的环境样品进行基底分离和目标物浓集。(2)实验项目的代表性。(3)实验材料的来源广泛、易得。(4)实验仪器成本的许可。(5)本科生的实际工作能力[11]。(6)体现海洋环境特色。(7)考虑课程的系统性、交叉性、综合性。由此可见，环境科学实验教学课程体系建立时就选择了综合性、高起点、厚基础、跨学科、高素质的目标方向。环境科学专业主要实验课程及实验项目，详见表1。

　　2.2.2各模块实验项目的更新及特色体现

　　随着社会的进步，科技的发展，对环境科学专业的人才培养也提出了更高的要求，不仅要求学生具有扎实的理论基础知识，同时还要求学生具备实践动手能力和创新思维[12]。面对新环境新要求，在保持实验课程体系模块不变的情况下，不断调整实验内容，以适应新时期的要求。

　　1)优化基础实验内容

　　大类招生后，伴随课程体系调整，开展了适应人才培养新模式的探索，进一步加强了基础实验的设置，尤其是增加专业基础实验内容，在“环境科学入门实验”的基础上，融合地学基础、生态学、环境生物学、化学等学科内容，对环境科学专业、生态学专业、环境生态工程专业学生开设了“学科基础实验Ⅰ”和“学科基础实验Ⅱ”。通过基础实验操作、基础实验技能训练以及基础实验仪器使用以及野外调查技能训练，扩大知识面，增长见识，把实验基础打得更扎实，起点更高，真正起到厚基础的效果。

　　2)与时俱进更新实验项目

　　实验内容依据环境问题的变化和社会需求不同，不断进行调整。比如，由原先测定大气污染颗粒物的PM10浓度，而现在测定PM2.5浓度，并且开展颗粒物的碳成分分析等实验。有些实验内容也从关注单个生物个体(解剖实验)，变为关注生态环境变化对生物群落的影响，比如，“环境科学基础实验Ⅱ”中把虾、蛤等的解剖实验，整合到大型底栖动物的野外生态调查及室内分析实验中，结合调查内容进行典型动物的解剖。在“环境科学综合大实验”部分，增加大型仪器电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)对水中不同形态砷含量的测定实验，让学生了解国际国内最新仪器分析动态，开阔学生视野。

　　3)增加学生自主实验

　　为了进一步提高学生的动手能力、创新意识以及团队精神，增加设计性自主性实验内容。比如“环境科学基础实验Ⅰ(化学部分)”，增加学生自主实验的内容。学生组成实验小组，自主选择感兴趣的实验题目，设计实验方案，提交实验需要的试剂、玻璃器皿及仪器的名称和数量，经任课教师审核通过后，实验技术人员会按照学生的需要提供实验器材，学生则在1–2周时间内，独立清洗玻璃器皿、配制试剂，分析样品，自主完成整个实验过程，并对实验结果进行总结分析，制作PPT在全班汇报，任课教师对学生的实验结果及现场表现进行点评、打分，成绩计入实验课总成绩。

　　4)着重体现海洋特色

　　从“基础实验模块”到“综合实验模块”，实验项目设置中都包含有海洋相关实验内容，体现海洋环境的专业特色。比如，“学科基础实验Ⅱ”中，红树林生态环境调查实验;“环境科学基础实验Ⅰ”中，海水硬度的测定等;“环境科学基础实验Ⅱ”中，岩石岸潮间带和红树林湿地大型底栖动物的野外生态调查与室内观察分析;“环境科学综合实验”中，双壳类海洋生物污染指标的测定等，充分利用厦门靠海的地域优势，发挥环境学科与海洋科学的交叉融合特点，在环境科学专业体现海洋特色。

　　5)教学科研结合，注重国际接轨

　　根据任课教师的科研成果，更新传统知识，引入国际前沿理论。比如，通过潮间带生物的生态野外调查，让学生计算多样性指数等指标，分析和评价这些生物指数在潮间带生态系统监测的结果、存在缺点及其适用性。在实验教材编写中，引进香港大学太古海洋科学研究所“FieldCourse”的部分内容。教学方法上，采用实验课前布置思考题，学生采样后对数据进行分析，以PPT形式进行汇报。老师给予讲解和指正。

　　6)强化野外调查能力

　　环境问题的解决需要现场研究，因此加强学生的野外调查能力非常重要，无论是基础实验、专业实验还是综合实验，很多实验项目都设置了野外采样或者现场监测的内容。比如，“学科基础实验Ⅰ”中，噪声的测定、植物蜡叶标本的制作等;“学科基础实验Ⅱ”在红树林湿地参观时，让学生用便携式盐度计现场测量海水的盐度;“环境科学基础实验Ⅰ”中，溶解氧的测定是到翔安校区的芙蓉湖边进行现场采样固定;“环境科学综合实验”中，关于环境污染影响海洋双壳类生物生化指标的实验，以前的实验样品购自农贸市场，学生无法得知样品来源的环境，难以进行有效分析。现在带领学生到污染程度不同的海滩现场采样，要求学生按照标准程序完成采样工作并观察记录采样点的环境状况。学生可以结合采样点的环境对实验数据进行详细的分析，判定环境污染对生物生化指标的影响。学生对现场采样工作的反馈是态度积极，行动认真，并且认为“能将理论知识与实际相结合”、“能感受大自然的美好”、“能体验团队合作的重要性”，同时也“能体会野外采样的艰辛”、“科研工作的不易”。

　　经过20年的发展完善，厦门大学环境科学专业实验课程体系更加符合社会和科技的发展要求，在加强基础操作、基本技能等动手能力训练的基础上，强化学生创新思维、综合素质及团队协作能力，为培养高素质专业人才提供了保障。

　　2.3实验课程体系的技术支撑

　　实验教学课程体系的建立、发展、完善，离不开实验室建设、仪器设备购置、实验教学队伍建设等硬件设施配套，以及实验室管理、选修实验课程补充、教师科研成果用于实验教学等软件设施的支撑作用。

　　2.3.1实验室建设及创新实践平台建设

　　2002年，环境科学专业实验室面积为130m2，仪器设备价值约66万元。只能满足“环境科学基础实验Ⅰ(化学部分)”和“环境科学基础实验Ⅱ(生物部分)”的实验需要。“环境工程实验”和“环境综合大实验”需要借助任课教师的科研实验室来完成。随着招生人数的增加及学校的区划调整，建设经费的投入增加，环境科学专业实验室面积和仪器设备配套都发生了很大变化。特别是2012年实验室搬迁到厦门大学翔安校区，本科教学实验室面积扩大为2618m2，仪器设备价值达1245万元。另外，近海海洋国家重点实验室、翔安校区的仪器分析实验平台的仪器设备(如，ICP-MS、原子吸收分光光度计、气相色谱、液相色谱、红外分光光度计等)也开放给本科教学免费使用，这些实验室和仪器设备的资源共享，为本科实验教学提供了坚实的物质基础。

　　为便于学生的实验课开展课程实习，在翔安校区修建了植物园;学院还与翔安校区共建了校园“多维度”生态环境调查创新实践平台，为学生实验实践提供场所。

　　2.3.2实验教学中心的支持

　　实验教学中心成立于2011年，现有专职工作人员9人，其中，博士学历3人，硕士学历5人，本科学历1人。主要负责全院本科生的实验教学仪器设备及实验室管理、野外实习、教学辅助及创新实验室管理等工作，管理教学实验室29间、仪器设备1400台(套);仪器设备及实验室面向全院师生开放预约使用。

　　从2016年开始，厦门大学环境与生态学院在本科教学实验室开始实行6S管理[13]。所谓6S管理，就是在实验室实行整理(Seiri)、整顿(Seiton)、清扫(Seiso)、清洁(Seiketsu)、素养(Shitsuke)、安全(Safety)六项要素的管理，其目的是为学生提供安全、整洁、物品摆放有序、规范的实验室环境;并通过制定一些行为规范标准，约束学生在实验室的行为举止，达到环境育人、提高学生综合素质的目的。学生进入实验室上课实行安全考试合格准入制度，考试成绩低于95分，不得进入实验室上课。并且实行6S一票否决制，6S总分10分，得分低于6分该门实验课为不合格。通过这些管理措施实施，实验室的面貌发生了很大变化，学生在实验室的行为举止也发生了变化，实验用品归位摆放，保持实验室的整洁、干净、安全，学生的整体素质得到了极大提升。——论文作者：郭小玲，陈荣，杜俊鸥，蔡立哲，刘珺