环境化学课程矿冶特色化教学改革与实践

作者:毕业通查重     发表时间:2022-06-20 05:01:10   浏览次数:13



摘    要:为适应矿山、冶金行业对环保人才的需求,在环境化学课程的教学实践中,注重基础理论与学校矿冶优势学科特色相结合,通过调整和优化课程教学内容,实施互动教学,开设学生讲台,强化实验实习,改革考试方式等教改措施,激发学生学习兴趣,提高教学效果,掌握矿冶环保的基础理论知识,为培养适应矿冶环保行业需求的综合-创新型专业人才服务。


关键词:环境化学;矿冶特色;教学改革;


Teaching Reform and Practice in the Environmental Chemistry Course from a Mining and

Metallurgy Perspective Na Song

Xiaoyu Ma Ming Gao Chuanfu Wu Xiaona Wang Qunhui Wang

Tianjin College, University of science and Technology Beijing School of Energy and Environmental

Engineering, University of Science and Technology Bejing


Abstract:

In order to meet the environmental-protection demands of the mining and metallurgy industries, attention needs to be paid to combining basic theory with the advanced mining and metallurgical characteristics of the discipline when teaching environmental chemistry in school. Adopting educational reform measures, including adjusting and optimizing the course content, implementing interactive teaching, opening the student platform, intensifying experimental practice, and reforming examination methods, will stimulate students learning, improve the impact of teaching, and strengthen basic theoretical environmental-protection knowledge in the mining and metallurgy fields. These measures will enable innovative professional talents to be comprehensively trained to meet the environmental protection service needs of the mining and metallurgy industries.


Keyword:

Environmental chemistry; Characteristics of mining and metallurgy; Teaching reform;


北京科技大学的前身是北京钢铁学院,素有“钢铁摇篮”之称,其采矿、选矿、冶金、材料等传统学科设置齐全、优势突出。作为首批进入“211工程”建设的全国重点大学和国家“双一流”建设高校,北科大具有环境科学与工程一级学科博士学位授予权和环境工程博士后流动站。学校于2011年获批“环境工程本科专业”国家级特色专业建设点(矿冶特色),2016年在教育部环境科学与工程学科评估中位列B+,2019年环境工程专业获批国家级一流本科专业。


矿业、冶金等重工业行业是污染大户,环保问题复杂、专业特点明显,培养适应其行业特点的环境工程应用型人才,是行业发展和国家环保的紧迫需求,也是北科大环境工程专业人才培养的现实目标。因此,在环境工程授课中融入矿业、冶金行业污染治理的内容,对于发挥学校传统学科基础优势、提升学生就业竞争力、培养综合-创新型人才具有重要意义。


当前,依托学校传统优势学科进行交叉学科的教学改革是提升教学质量、加强专业融合的主流做法[1,2,3]。北京科技大学环境工程专业以选矿专业为基础发展而来,矿冶专业基础纯厚。将学校在冶金、矿业和材料等方面的专业优势融入环境工程专业课程以突出行业特色,可作为环境工程专业教学改革的可行方向。本文在环境化学课程的教学实践中,探索基础理论与学校优势学科、教学理论与工程实际的“双重结合”教学模式,调整和优化课程教学内容,探索了具有矿冶特色的环境化学教学改革新途径。


1 结合专业特色,优化课程内容

环境化学课程内容涉及矿山、冶金、化学、化工、生态等多个领域,体系庞大、内容复杂,受实际授课学时所限,需统筹课程内容,突出教学重点和教学特色。鉴于此,本文作者在教学实践中,以教材内容为基础,聚焦专业需求,结合矿冶特色,侧重教学效果,优化课程内容,突出体现了“化学基础-环境应用-矿冶特色”的交叉融合。通过矿业和冶金行业的环境污染问题的案例讲解和机理剖析,强化学生对该行业污染物排放特征的学习效果,激发学生解决该行业环境污染问题的学习动力,提升学生对环境化学专业的理论理解和实践能力。


1.1 矿业环境污染的案例教学

针对矿石开采、加工过程中产生的扬尘、废气、废水、废渣等具有排放量大、成分不确定、难以治理等复杂特点,在讲授矿业企业污染物排放特征时,对应介绍污染物的迁移转化规律,进而拓展相应的防治策略和治理技术,以形成多维闭环式知识体系。环境化学矿业特色的代表性案例教学如表1所示。通过案例式教学方式,学生能够从环境化学角度解读矿业领域的环境污染问题,在掌握环境化学基础知识的同时,加强对矿业污染防治知识的认识与理解。


1.2 冶金行业环境污染的案例教学

冶金行业包括焦化、烧结、炼铁、炼钢和轧钢等生产环节,在此过程中产生大量烧结烟气、焦化烟气、炼钢烟气(转炉、电炉),其中含有各种大气污染物,如SO2、氰化物、烟尘、CO、NOx等;产生大量焦化废水、高炉废水、炼钢废水、连铸废水、轧钢废水,其中含有各种有毒有害污染物,如酚及其化合物、氰化物、重金属离子、酸和碱、固体悬浮物等;并产生各种工业废弃物,如炼钢渣(转炉、电炉)、铁合金渣、含铁尘泥等。上述问题涉及环境化学教学工作中的大气、水、固废等授课单元,在授课过程中,以冶金行业排污状况为切入点,深入分析行业污染排放特征,重点阐明各类污染防治的技术原理,使学生在掌握环境化学基本原理的基础上,加深对冶金行业污染状况及治理技术的理解与把握。环境化学冶金行业代表性案例教学如表2所示。


1.3 环境污染事件的案例教学

在课程内容的设置上,除结合矿冶特色外,还增加了环境污染事件中化学问题的介绍,启发学生从环境化学的角度分析具体案例,将学生从被动接受者转变为积极参与者。例如,在讲授“污染生态化学”中污染物生物毒性时,举例说明海鲜商贩采用甲醛(福尔马林)浸泡海产品实现防腐和“白嫩鲜滑”效果的化学机理及食品安全问题。即:甲醛能与蛋白质的氨基发生反应,使蛋白质凝固变性(HCHO + H2N―CH(R)―COOH → H2―C―N―CH(R)―COOH + H2O),从而导致细胞变异,腐败菌死亡。但食用含甲醛的海产,更会改变人体中的蛋白质,对人有致癌危害。类似的例子还有地沟油、瘦肉精、苏丹红、毒胶囊、毒奶粉、双酚A、洗虾粉、吊白块、毒生姜、皮革老酸奶等。


通过上述事例分析,可使学生“既知其然,也知其所以然”,让学生感受到环境化学与自己的生活息息相关,进而促使枯燥内容生动化、抽象内容具体化,有效提高学生的学习兴趣,夯实专业理论基础。除此之外,还能引领学生从环境化学角度分析事物发生的机理机制,培养学生的基础认知、研究思维和创新能力,拓宽学生的知识面,为日后职业发展或学术深造奠定基础。


2 激发学生兴趣,改革教学方法

2.1 鼓励学生上讲台,建立互动教学模式

为达到“学生更多参与、知识更加丰富、印象更加深刻”的教学效果,采取互动教学模式,通过“预设专题–小组分工–集中汇报”的教学流程,最大程度发挥学生的学习自主性和主观能动性。首先,针对矿业、冶金行业涉及的环境化学知识,设置相关的研讨主题,例如矿山、冶金污染物的产生、迁移、转化及污染控制等,并依此将学生分为若干小组。其次,各小组同学针对本组主题开展初步探索与研讨,并就探讨结果以PPT的形式进行专题汇报。最后,教师根据汇报结果给予对应性指导,推进学生总结出较为严谨、正确的专题报告。


通过上述方法,学生能够走上讲台,自主讲授某个专题内容,使教师从课堂的操纵者和控制者转变为学生学习的促进者和推进者,由知识的输出者转变为学生自主学习的指导者,由独立的劳动者逐渐转变为学习的合作者。这些角色的转变,营造了师生互动的教学氛围,有利于加强师生沟通交流,促进思维碰撞,激发学习主动性和探索性,有效提升了教学效果。


2.2 夯实基础理论,重视实践教学

在环境化学理论教学的同时,还需要提高学生的实践能力和专业技能,因此有必要增加课程作业中实践性作业的比重。主讲教师综合考虑不同章节的内容特点,结合学生的实际条件,确定实践作业。例如,调研不同规模及种类的矿场,重点把握其污染形成机理及控制手段,并形成调研分析报告。在实验内容的选择上应秉承三个原则:一是内容难度适中,便于学生理解、设计并开展实验,有效锻炼实验能力;二是内容贴近生活,让学生感受“科研来源于生活,最终回归于生活”的学习道理;三是内容体现特色,要根据整体课程设置情况,在实践中融入矿冶行业特点,解决实际问题。


基于上述三点,授课教师在环境化学原有实验选题(如:活性炭吸附等温线的测定、有机物辛醇-水分配系数的测定)基础上增加了有关选矿和矿山废水处理的实验部分,即溶剂萃取实验和赤铁矿浮选废水絮凝处理。这两项实验旨在通过溶剂萃取化学选矿方法解决目前矿产资源的高强度开发引起的富矿和易选矿资源日益减少、而单纯物理方法选矿效果不佳的问题。选择这两项实验的原因在于实验原理简单易懂、符合实验室的条件,且用于浮选废水的添加絮凝剂成本低廉、易于采购。通过实验教学可以加深学生对选矿实际问题的认识和理解,强化学生对专业前景和应用领域的认知,增强学生的学习兴趣和信心。


在实验教学的基础上,通过现场实习让学生感受一线作业情景,能够实地讲解课堂知识,加深专业理解。基于学校在矿冶企业的教学资源,授课教师带领学生到首钢矿业公司(包括采矿厂、选矿厂、球团厂、烧结厂、尾矿库等)、迁安中煤化工有限责任公司、白银有色集团股份有限公司的第三冶炼厂、西北铅锌冶炼厂和铜业公司等企业进行现场参观或生产实习,让学生实际接触矿山和冶金现场,提前了解其环境问题和治理方法,为相关研究或就业选择奠定良好基础。


2.3 设置课程论文,培养科研素质

为培养学生的科研能力和学术素养,设置课程论文考核,要求学生在课程结束后通过查资料、定题目、做研讨、理结构、细内容,成论文等流程,就环境化学某方面的问题写一篇综述性文章。文章题目主要设为两个方向,即:环境化学知识在现实生活中的应用以及环境化学在矿冶行业中的实践情况。文章格式要求符合主流学术期刊的发表规范,包括清晰的化学原理、规范的文献引用、标准的字体设置等。通过该方法,学生完成了很多有意义的课程论文,如:矿区重金属污染实例及分析,矿山重金属铅污染的产生、迁移和控制,济钢冷轧厂废水站含酸废水处理工艺分析,冶金固体废物资源化及其化学原理,钢铁行业NOx的污染与控制,烧结烟气中石灰石法与双碱法脱硫对比分析等。


为督促各种教学方法的有效落实,评估各环节的教学质量和学习成效,环境化学在教学考核过程中,以培养学生基础能力为根本,以应对未来需求为导向,以学生实际表现为决定因素,综合考虑教学时长的比重及授课内容的重要性,设置多维度、多层面、多角度的考核方式,改革了传统的“以考试定成绩”的考核方式”,即:平时出勤15%,实验成绩15%,学生讲台或课程论文10% (可二选一),期末笔试成绩60%。


3 实践成效

课程结束后对参加课程教学的学生展开问卷调查,结果表明,90.5%的学生认为突出矿冶特色的教学,有助于学生更好地了解该行业的环境问题;88.3%的学生认为特色化教学能够有效激发学习解决该行业环境污染问题的动力;50.6%的学生认为冶金矿山行业是落实碳减排的重要领域,也是实现碳达峰、碳中和目标的重要责任主体,今后愿意从事与冶金矿山行业相关的环保工作。


培养适应矿冶行业需求的环保应用型人才对于促进学科建设和行业发展具有积极意义。本研究立足北京科技大学学科特色,围绕环境化学授课内容和授课形式进行矿冶特色改革与实践,希望能为同类教育教学工作提供参考。


参考文献

[1] 王玉如, 吉铮. 高等理科教育, 2017, No. 1, 114.

[2] 刘绮. 高等理科教育, 2007, No. 5, 39.

[3] 尹文萱, 王兴涌, 王建怀. 大学化学, 2011,26 (2), 26.

[4] 刘利波, 郝玉春. 中国设备工程, 2018, No. 5, 16.

[5] 曾科. 世界有色金属, 2019, No. 3, 279.

[6]郭可欢,孙婧越,刘子璐,张文莉,李杰.广州化工, 2019, 47 (23), 20.


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