大气环境监测教学方式研究

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随着大气环境监测技术的发展，大气采样和实验室分析手段、仪器日新月异，如何在有限的实验课程时间里，让学生对多种监测项目、监测对象和监测方法有一个全面认识，科学合理地设置大气环境监测实验内容和改进教学方法显得至关重要。本文根据大气环境监测技术的发展，结合笔者多年在大气环境监测课程教学上的经验，探讨了大气环境监测实验项目的设置和教学方法的改进。

一、大气环境监测实验课程的设置

大气环境监测涉及到多种监测项目，如气体监测、颗粒物监测、降水监测等；监测对象更是纷繁复杂，如二氧化硫、氮氧化物、臭氧、可吸入颗粒物、细粒子、黑碳气溶胶、挥发性有机物、持久性有机物等；大气环境监测技术的发展，大气采样和实验室分析手段、仪器日新月异，从传统的手工采样、化学分析方法逐步向自动在线监测发展，从对污染物简单的浓度监测逐步发展到对污染物微物理和化学特性的监测；雷达、卫星等遥感方法的出现，更是为大气环境监测提供了最新的监测手段。在制定实验课程内容、选取实验项目时，要根据实际就业和科研需求，在有限的实验课程时间里充分考虑到各种监测项目，选取具有代表性的监测对象开展实验，让学生对大气监测的发展历史、现状和未来发展方向都有全面认识。

1.重视对传统监测项目和监测方法的理解与实际操作大气环境问题是从工业革命以来由于大量的能源消耗而出现的，燃煤产生的二氧化硫污染首先在发达国家出现，之后随着汽车总量的增加，氮氧化物排放不断增加，与大气中的挥发性有机物一起形成了光化学烟雾污染。作为大气环境监测最为传统的监测项目：SO2和NOx，最开始的监测手段也是使用的最为传统的化学方法：湿化学采样，显色后使用分光光度计检测浓度。虽然这种方法操作过程复杂、时间分辨率低、检测精度有限，现在在实际监测中已被逐步淘汰，但作为传统监测方法，曾被广泛用于各种气态污染物的监测；利用污染物的化学反应来进行浓度监测，也是进行污染物监测时最为直接的一种考虑方法。对传统监测项目进行学习，有助于理解大气环境污染问题的发展历程；对传统监测方法进行学习，则有利于学生理解面对一种污染物浓度监测问题时，可以从哪些方面去考虑。因此，虽然目前大部分环境监测站已不再使用这种方法，但是笔者仍安排了一次使用湿化学法，按照国家颁布的环境监测标准[5,6]来进行实验操作的实验项目，对SO2或者NOx进行采样、分析和浓度计算。

2.考虑大气环境监测的多样性，涵盖多种监测项目大气环境监测涉及到气体、颗粒物、降水等多种监测项目，而每种监测项目涉及到的监测名目又各不相同，如气体监测主要着重点在浓度监测；颗粒物的监测除了浓度外，还需要对其中的化学组成，如水溶性离子、重金属元素、有机物成分等进行分析；而降水监测则主要涉及到pH值、电导率和水溶性离子的监测。由于目前我国的大气污染问题主要表现在颗粒物污染，如沙尘暴、可吸入颗粒物和灰霾等，2012年2月国家公布了最新的环境标准，[7]在总悬浮颗粒物TSP和可吸入颗粒物PM10的基础上，增加了细粒子PM2.5的标准。为了响应国家对颗粒物特别是细颗粒物污染的重视，在实验课程中安排了对颗粒物质量浓度进行监测的项目，并采取分级采样的方法，对从细到粗不同粒径的颗粒物同时进行了采样、称重、浓度计算。在不同的监测项目中，化学成分的分析名目往往相同，例如颗粒物中水溶性离子和降水中水溶性离子的检测原理与分析仪器是一致的，均为离子色谱仪；对气态挥发性有机物的检测与颗粒物中有机成分的检测在采样方法和前处理方面存在差异，但分析时都可以使用气质联用仪。因此，在对污染物化学成分的分析中，根据目前大气污染研究的热点，选取了颗粒物中水溶性离子和有机成分的分析作为代表，分别安排了大气颗粒物中水溶性无机盐和大气颗粒物中有机成分的测定。将颗粒物质量浓度监测实验中所采样品直接用来测定其化学组分，教学侧重点放在样品的前处理和分析仪器的原理与操作过程上。通过对比，让学生深刻理解不同化学组分需要采取不同的前处理方法，并对应不同的分析仪器。对分析仪器原理和使用步骤的详细讲解与操作，让学生了解贵重、精密仪器的实验室运行需遵循的规范。

3.重视对现代自动连续观测仪器的认识和操作随着大气环境监测技术的发展，传统人工采样与实验室分析的方法由于采样频率低、时间代表性差、精度不够且耗费人力，目前已逐渐被自动监测仪器所替代。目前环保部门的大气环境监测业务已基本实现了自动化观测，对大气中的主要污染气体（SO2、NOx和O3）以及颗粒物（PM10，PM2.5）质量浓度进行长期、实时、连续的自动观测。自动化监测仪器借助采样管和采样泵进行连续采样，采用光学、化学或物理方法进行污染物浓度的实时监测，通过计算机对监测数据进行采集并对仪器工作状态进行监视。为了让学生对当前的大气环境监测方法有直观认识，毕业工作时能够快速适应工作岗位要求，笔者在实验课程中安排了自动连续观测仪器的认识和操作。通过对仪器内部构造的观察让学生深刻理解仪器的工作原理；通过教师指导、学生实际动手对仪器运行的常规操作和标定过程进行实验，掌握仪器的操作方法；通过对仪器获得数据的简单分析，掌握自动仪器的数据获取途径及数据初步处理方法。

4.加强卫星、雷达等先进监测手段的理解和认识随着大气环境监测的发展，传统手工采样、实验室分析方法以及现代自动监测仪器由于其地面定点采样的时空限制，已表现出一定的局限性。采取光学遥感方法进行远距离、大范围、长时间实时观测的卫星和雷达监测手段，能获得区域甚至全球大范围、不同高度、长时间序列的污染物分布特征，目前已在大气环境监测中发挥越来越重要的作用。为了让学生及时掌握学科发展动态，了解最新、最前沿的学科知识，在实验课程中安排了遥感方法监测大气污染物实验项目。通过对卫星、雷达的监测原理、学科应用、发展现状进行课件展示和讲解，弥补使用教材中没有涉及到的遥感监测方法这一不足；通过对南京信息工程大学大气探测基地多台不同波段雷达的实地参观和雷达运行的简单操作，加强了学生对这一先进监测手段的理解和认识。在综合考虑了大气环境传统监测方法、大气环境监测的多样性、现代自动连续观测以及前沿性的卫星与雷达遥感观测等上述几个方面后，最终选定了6个实验项目，一共18个学时，开展了大气环境监测的实验课程。

二、大气环境监测实验课程教学方法探讨

在综合考虑了多种因素，有目的性的选择了实验项目之后，根据实际教学经验，探讨了该实验课程教学方法需注意的几个方面：

1.重视监测过程各个步骤的学习和操作大气环境监测实验过程涉及到多个实验步骤，包括采样点的选择、布点采样、样品保存、样品前处理、样品分析、数据处理和监测报告等，[8,9]每个步骤都有一定的要求和规范，只有切实认真做好每一步，才能得到准确的实验结果。由于污染物在大气中一般浓度较低，需要较长采样时间才能满足实验室分析的要求，因此在某些项目的监测中，需要让学生提前做好采样工作；而在实验室分析过程中，涉及到多种实验仪器的使用和药品试剂的配置，需要学生提前进行实验预习和准备，将实验操作步骤理顺。教师在实验操作之前，要对每个步骤的作用、意义、操作方法进行讲解，对需要注意的事项进行强调；在实验过程中，更要对学生的每一步操作进行监督、引导和规范，通过讲解和学生的实际操作让学生对监测流程以及每个实验步骤都有深刻的体会和认识。

2.重视每个实验项目知识点的延伸和拓展由于教学时间的限制，在众多的监测项目和监测对象中只选取了6个实验作为代表进行学习。虽然大气环境监测对象繁多，监测步骤复杂，但在不同的实验项目之间，某些操作步骤的原理和要求是具有一致性的。在进行被选定的每一个实验项目的教学时，都要注重实验步骤所涉及知识点的延伸性，在学生熟练掌握该实验项目的基础上，尽量拓展到其他实验项目的监测原理和操作过程的讲解上，使学生全面了解大气环境监测的监测对象和监测方法。

3.重视培养学生分析问题、解决问题的能力“大气环境监测”是一门实践性、应用性都很强的课程，且监测技术在不断发展和更新。实验技能、操作规范的掌握固然重要，但更重要的是通过这些实验项目培养学生分析问题、解决问题的能力，因此，笔者在实验项目的进行中，非常重视让学生自己思考、自己动手。在每个实验项目进行前都要求学生做好实验预习，[10]通过自己回顾课本、查找资料，了解实验的原理、步骤和注意事项，制定初步的实验方案；对需要提前采样的实验项目，让学生提前进行样品采集，记录采样时间和气象条件；在进行实验室分析前，让学生自己动手准备所需要的各种实验器皿，配置所需要的标准和非标准溶液；在进行仪器操作时，尽量让每个小组的学生都能接触仪器进行操作；实验结束后，要求学生根据实验过程和结果撰写实验报告，并布置相应的思考题，如在进行大气颗粒物中水溶性无机盐的测定项目时，让学生思考拟定进行降水中水溶性无机盐的实验方案，通过类似的思考题，让学生对所学知识能够做到举一反三、触类旁通。通过这些有目的性的实验安排，切实提高学生分析问题、解决问题的能力。

4.重视教学团队的建设和学生团队精神的培养大气环境监测涉及到大气中多种污染物以及多种监测手段，虽然只选定了6个代表性实验项目，但已涉及到湿化学分析方法、离子色谱、气相色谱、自动连续观测仪器以及卫星、雷达的遥感观测，教师独自很难深入掌握所有的分析仪器和观测方法。因此在教学中，建立了一个初步的实验教学团队，根据几位教师的科研方向，分别负责与科研内容密切相关的实验项目，从而熟练、深入的为学生讲解实验操作方法以及相关的知识应用。在今后的教学中，一方面，要不断深化教学团队的协作，建立长期、稳定的团队，教研相长，不断提高教学团队的教学和科研水平。另一方面，由于一个班级有40人左右，一般根据学号将学生分为6～7个小组，小组成员之间也需要分工协作，比如：有的人进行采样，有的人负责溶液的配置，有的人负责样品的前处理等。在教学中要引导学生意识到一个项目的完成离不开每一位成员的努力，从而在实践中培养学生的团队精神。

三、结束语

根据实际就业和科研需求，在有限的实验课程时间里，我们选取了6个具有代表性的监测项目，开展了大气环境监测的实验教学。通过精心设置课程和改进教学方法，对学生的动手能力、思维能力和团队精神的培养已取得了良好的教学效果。大气环境监测是一门不断发展的学科，教师要在教学和实践中不断发现问题、解决问题，以学生的成长为目的，不断改进实验课程设置与教学方法，培养能够面向社会实际需求的应用型、创新型人才。

作者：吴丹刘刚周宏仓夏俊荣徐建强单位：南京信息工程大学环境科学与工程学院