环境工程概论设计型案例教学在生态学专业中的应用探讨

【摘 要】生态学专业是适应社会经济发展引发的生态环境问题而出现的专业类型，生态环境问题的核心是环境污染。《环境工程概论》课程为生态学专业学生培养提供一种工程类知识，因此在授课过程中需要讲授一些设计型内容，而案例式教学是学生掌握工程设计的有效途径。本文以磷化工厂尾气氟回收净化作为课程内容中废气污染与治理对应部分，引导学生分组进入工程设计，以解决实际生产难题，拓展和深化了学生环境工程知识，完成了课程教学目标。

【关键词】生态学专业;环境工程概论课程;设计型案例教学;知识拓展与深化

中图分类号： G642;F205-4文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）17-0131-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.062

生态学是以生物体、生物与其周围环境（包括非生物环境和生物环境）相互关系为基础的一门学科，研究领域涉及生物与环境之间的互作关系、过程与机理，以及生态系统的结构特征、功能表现及其优化调控策略等内容。全球性生态环境问题日趋严重 （如全球变暖、生物多樣性减少、生态退化、环境污染等），2013年5月24日，习近平在中共中央政治局第六次集体学习时指出“生态环境保护是功在当代、利在千秋的事业”，生态学逐步肩负起保障资源环境安全与社会经济可持续发展的历史使命。

生态学专业是一门新兴的、多学科交叉渗透形成的专业，主干课程通常包含：普通生物学、生物化学、生态学、环境微生物学、环境工程概论等，以理学内容为主导，包括教学实习、生产实践、毕业论文等。生态学专业培养目标：掌握生态学基本概念、基本理论和基本技能，能够运用生态学理论、方法与技术，分析和解决生态破坏、环境污染等实际问题，具体要求掌握生物学、生态学、环境学等方面的基础知识，掌握生态规划、生态环境保护、生态功能、环境管理、监测与评价等方面基础研究与应用研究的基本技能，具有较好的科研创新能力和应用开发能力[1]。

生态环境是指人类生存和发展所必需的水资源、生物资源、气候资源和土地资源等复合体，是经济和社会的可持续发展的重要基石。然而，随着工业化和农业生产的快速发展，我国的生态环境日趋恶化，自然环境的破坏和污染，危及人类自身的生存。水土流失严重，建国以来近几千万亩的耕地因沙土流失而散失生产能力;水资源污染且短缺，我国人均占有水资源量为世界平均水平的1/4，并且大量的可利用水资源污染严重;废水、废气、废渣污染逐渐蔓延;森林覆盖率低、生物多样性减少;自然灾害频发[2]。

改革开放以来，我国的经济发展取得了巨大的成就，环保事业得到了空前的重视，然而我国的环境污染依然非常严重，重点河流湖泊富营养化、城市空气污染、工业危险废物数量增加，从而引发了许多环境污染事故。因此，生态学专业开设环境类课程势在必行，只有覆盖环境学知识，才能全面地了解和掌握生态环境问题根源、应对措施和防治手段。一些学校开设的生态学课程门类很多，但没有切中国家急需的环境污染与治理领域;有的学校又过于偏重生态学基础，课堂理论教学太多;有的学校由于实践教学经费的不足等原因，实验和实践教学被压缩。

“环境工程概论”是环境工程专业的基础课，也是生态学专业的通识课程，理论性强的应用型课程，帮助学生了解环境科学领域的研究内容，丰富学生的专业知识，但因其内容抽象、复杂，造成学生理解和掌握基本理论和基础知识比较困难，以课堂理论教学为主的授课方式，不能调动学生的积极性，引入理论和实践相结合的案例式教学，可以激发学生学习兴趣[3]。然而这些案例式教学往往只是列举一些污染事件及其解决方案，并没有触及环境保护领域关键的污染物处理设计，使得学生没有真正领会污染处理程序。本文探索环境工程概论设计型案例教学在生态学专业中的实施方法，增强学生对课程的理解和掌握，将理论知识与实际生产相结合，培养出更加优秀的生态学专业学生。

下面以“磷酸萃取过程尾气氟净化系统设计”为案例讲解培养学生环境工程知识的途径。

1 设计型案例教学实施

1.1 学生查阅文献了解本设计的背景与意义

磷矿石中一般含有1.5%-3.5%的氟，在磷酸萃取过程中，这些氟化物几乎全部被释放出来并转化为其他存在形式。研究发现，磷矿石中的氟70%-80%进入稀磷酸中，15%-20%进入磷石膏中，3%-17%以气相形式进入氟吸收系统中[4]。通常采用氟吸收系统对含氟尾气进行洗涤吸收。目前磷酸萃取尾气氟吸收系统采用“文丘里洗涤器—板框压滤机—一级洗涤塔—二级洗涤塔—旋风塔—三级洗涤塔—烟囱”三级逆流洗涤方式，此洗涤设计中主要回收氟资源的方法是向文丘里洗涤器中喷淋清水，使尾气中的氟转变为氢氟酸，但其弊端主要有两处：一是氟转化为氢氟酸的转化率低。二是会有大量杂质离子混入氢氟酸中，使得获取的氢氟酸纯度降低，低纯度的氟化物不利于下游企业加工。这样不仅会造成氟资源的浪费，而且会对环境造成污染。因此，从环保及氟资源回收利用的角度考虑，研究磷酸萃取尾气中氟资源回收利用技术具有非常重要的意义。

1.2 指导学生进行设计方案布局

本设计对磷酸萃取过程中的氟水进行了高纯度的回收，变废为宝。

本设计主要由气液分离器、文丘里洗涤器和板框压滤机组成。气液分离器是一个加装了电机的旋风塔，有强大的功率，可以将含氟尾气中的液体杂质与气体高效分离。液体物质进入塔底的收集池，气体进入文丘里洗涤器进行洗涤。文丘里洗涤器采用NaOH溶液喷淋，可以快速地将尾气中大部分氟转化为氟化钠固体和氟硅酸纳固体，而其它杂质形成的钠盐成为水溶性物质。文丘里洗涤器下方设有循环槽，充分利用洗涤液中的NaOH。板框压滤机可以将不溶于水的氟化钠与氟硅酸钠固体与其他液体杂质进行分离，固体收集在固体收集槽中，液体杂质则收集在液体收集槽中（图 1）。剩下的气体进入原有的湿法磷酸尾气中氟收集系统，直到处理达标，进行排放。

本设计的创新点在于提高氟的纯度，主要从以下两个方面：（1）在文丘里洗涤器之前加装气液分离器用于分离含氟气体和气体中的液体杂质。液体在高速转动的离心力作用下，抛向容器内壁，因重力作用而向下沉降，而气体从容器上方排出，达到气液分离效果。（2）将文丘里洗涤器里的清水改为用NaOH溶液喷淋，氟转化为非水溶性的氟化钠和氟硅酸钠，通过板框压滤机，分离含氟固体和硫酸盐、磷酸盐等水溶性杂质。

该系统确保尾气排放达标的同时，回收高品质的氟化物，充分利用氟资源，变废为宝。改变了氟化工企业原有的萤石（含氟矿石）供应链，既避免了氟资源过度开挖又避免氟排放造成的环境污染。

2 设计型案例教学对学生的影响

2.1 认识工业污染的严重性与污染治理途径

通过学生自己组队进行工业污染物产生原因与治理方案的规划，清醒认识到磷化工产业氟污染的危害，掌握了污染资源的回收利用方法，真正领会了环境工程领域的重要性与核心技能。明确了氟造成环境污染的根本原因：回收氟的浓度低，不利于综合利用。

2.2 理解污染治理的系统过程

污染治理需要分类别、按流程逐级处理的原则。空气污染治理、水污染治理、固体污染物处理都必须按照不同种类的污染源、不同的处理方式进行综合考虑。物理方法、化学方法和生物方法相结合才能有效去除污染物，同时废弃物回收利用是污染处理的有效途径之一。通过这些教学，学生踊跃报名、积极参与，同时拿出了各自的优秀作品，既丰富了学生的课程知识，也完善了学生解决实际问题的能力。

3 案例式教学特色

德国教育家瓦·根舍因和克拉夫基提出了案例教学法，基于情景学习、独立思考为目的，不强求学生被动接收知识，旨在让学生能够运用所学知识迁移到其他方面，深化知识点，以改变学生的思维方法和行动的能力，激发学生探索科学和反思基本理论与技能。

通过案例讲解，有利于学生举一反三、触类旁通。运用得当则可以减轻学习负担，解决知识暴增与有限学习时间之间的矛盾。案例内容包含三个因素：基本性、基础性和示范性，遵循三个基本原则：教学与教育一致、解决问题能力与系统知识学习一致、掌握知识与运用能力相一致。因此，案例式教学需要通典型的、具体的、单个的案例阐述事物的特征与规律，以便于学生进行归纳、推断，提升学习能力，理解和掌握事物发展的规律性，达到独立解决实际问题的能力[5]。

案例教学法的具备几个特色：（1）激发学生独立思考。传统的教学指德国教育家赫尔巴特及其学派的教育理论和教学模式，20世纪初传入中国。该学派以课堂教学、教师主导、知识系统性与科学性为原则。随着时代变迁、社会进步，传统教育学派的保守性显得过时、落后，符合客观实际和社会发展的教学思维被加以肯定、继承和发展。案例式教学一改传统的传授模式，引导学生自主思考，分析问题解决问题，获得了很好的效果。（2）注重知识学习转变为注重能力培养。学习知识的目的是以解决实际问题为宗旨，传统的教学过分注重现有知识的传输，轻视接收知识个体的灵活运用能力。案例式教学督促学生以解决实际问题为导向，反向学习，加速能力提升。（3）师生双向交流获取系统性知识。传统的教学方法是老师讲-学生听，学生动力不足，学习效率低下。案例教学需要学生参与到案例前期调查、问题分析、知识拓展、问题解决等，学生以小组为單位查阅各种必要的理论知识，解决问题的各种方法，加深了学生对知识的理解和运用。在获取的理论知识基础上，经过缜密思考，解决实际问题，能力培养极大提升。然而，这种案例式教学需要花费学生大量的时间，因此选择案例需要有代表性，课题布置不宜太多，同时教师需要补充知识的完整性与科学性，实现师生双向互动。

案例教学法在工程类课程教学中的实施需要遵循几个原则：（1）案例选择原则。案例需要紧扣课程内容，（2）案例具有代表性和典型性，（3）实际工程案例优于学术刊物发表的内容，（4）合理规划案例教学实施步骤。生态学专业开设的《环境工程概论》，有利于学生更加全面的认识生态环境问题的形成机制，提高学生解决环境污染防治的能力。工程类课程教学，理论学习目的在于以理论为基础有效解决实际问题，即理论学习必须紧密结合实际。因此，设计型案例教学贯穿整个理论教学过程，用解决实际问题的方式，深化实践能力培养，能够切实打造一批优秀的生态学专业的毕业生。

4 结语

设计型案例教学能够推动生态学专业知识拓展与深化，授课教师根据工程类课程性质进行理论阶段教学，需要按照教学大纲系统地讲授理论知识，期间穿插设计型案例资源，引入与理论内容相关的工程实际案例，详细介绍案例背景，督促学生以分组形式、团队组合对案例进行全面地讨论分析，发现案例在设计或运行过程中的关键点或实际应用阶段存在的问题，提出解决方案。然后通过授课教师进行合理性评价，由案例反推到相关知识点。既能够培养学生解决工程实践能力，又能够牢固掌握基础理论知识，实现工程类课程教学目标[6]。

【参考文献】

[1]章家恩，骆世明，秦钟，叶延琼，赵本良.我国高校生态学专业建设与人才培养方向探讨[J].应用生态学报，2009，20 （7）：1630-1634.

[2]谢巧玲.浅谈我国生态环境的现状和保护对策.资源节约与环保，2012，6：73-74.

[3]廖晓斌，马红芳，苑宝玲.案例教学法在“环境工程概论”课程教学中的应用.科教文汇（上旬刊），2016，349：42-43.

[4]项双龙，吴有丽，赵井腥，安美华.磷酸萃取尾气中氟资源回收利用工业化技术研究.硫磷设计与粉体工程，2017，5： 25-27（34）.

[5]刘佩贵，王丽娟，陶月赞.《环境工程概论》课程教学方法与内容改革的实践.安徽水利水电职业技术学院学报，12（3）：79-81.

[6]田立江，张洁，何士龙，王丽萍.案例教学法在工程类课程教学中的实践.西部素质教育，2017，24：151-152（167）.