對《環(huán)境生態(tài)工程》教材建設的體會和思考

周文兵 趙建偉 唐鐵軍 萬小瓊 朱端衛(wèi)

摘要：根據(jù)新興環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，本論文討論了參考“生態(tài)工程”相關(guān)教材建設《環(huán)境生態(tài)工程》時出現(xiàn)的問題，結(jié)合該專業(yè)特點及筆者多年的教材編寫和課程教學經(jīng)驗，論述了以突出本教材的理工特色而采取的具體措施，希望對環(huán)境生態(tài)工程的教師有所借鑒。

關(guān)鍵詞：教材建設；環(huán)境生態(tài)工程；問題；措施

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）31-0210-03

人們越來越認識到傳統(tǒng)的環(huán)境工程技術(shù)已不能滿足解決社會發(fā)展中日益嚴峻的資源短缺、生態(tài)破壞、環(huán)境污染等綜合性問題。因此，新興起環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)。在2011年的教育部本科專業(yè)目錄調(diào)整中，工學門類中的環(huán)境科學與工程類保留環(huán)境科學、環(huán)境工程專業(yè)，新增環(huán)境生態(tài)工程，專業(yè)代碼082504。環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)本著可持續(xù)發(fā)展理念，旨在培養(yǎng)具有扎實的數(shù)學、物理、化學、生命科學、地學等基礎(chǔ)知識，系統(tǒng)掌握環(huán)境科學與工程、生態(tài)學的基礎(chǔ)理論、基本知識和基本技能，具有良好的創(chuàng)新能力，能綜合運用所掌握的知識和理論，分析和解決環(huán)境生態(tài)問題，揭示人類活動、社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境相互作用規(guī)律的復合型人才。該專業(yè)是介于生態(tài)學、環(huán)境科學、環(huán)境工程專業(yè)之間的一個邊緣專業(yè)。2013年，大連理工大學和重慶大學率先開始環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)招生。值得注意的是，環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)目前還處于課程建設時期，其課程設置既不能照搬生態(tài)專業(yè)，也不能是環(huán)境工程專業(yè)的簡單延伸。根據(jù)專業(yè)特色和要求[1-2]，作為主干課程之一的環(huán)境生態(tài)工程應具有其自身的特點。我們編寫的《環(huán)境生態(tài)工程》于2018年9月由化工出版社正式出版，在11月18日的第十二屆大學環(huán)境類課程報告論壇的大會報告上，教育部環(huán)境類專業(yè)教學指導委員會副主任、東北師范大學盛連喜教授專門指出，這本教材是自環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)建設以來本專業(yè)出版的第一本環(huán)境生態(tài)工程方面的教材，該教材的建設為探討環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)的課程建設做出了突出貢獻[3]。結(jié)合在華中農(nóng)業(yè)大學“環(huán)境生態(tài)工程”課程組六年多的教材編寫和教學經(jīng)驗，在此簡述參考“生態(tài)工程”相關(guān)教材建設《環(huán)境生態(tài)工程》時出現(xiàn)的問題，并利用農(nóng)業(yè)院校的優(yōu)勢談談我們所采取的相應措施，旨在得到同行的重視[4-8]。

一、問題

（一）缺乏工程系統(tǒng)性

生態(tài)工程涉及生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)工程設計和建設時都會強調(diào)整體性和系統(tǒng)性原理。然而，相關(guān)教材基本忽略了如何系統(tǒng)地處理生態(tài)工程運行后可能出現(xiàn)的生物類廢棄物問題，而處理這些廢棄物很大程度上取決于機械性工程技術(shù)。能否成功處理生物類廢棄物直接影響到所涉及生態(tài)工程的可持續(xù)發(fā)展。在農(nóng)業(yè)生態(tài)工程里，如果秸稈焚燒問題沒有解決，相應的措施就不是被認可的農(nóng)業(yè)生態(tài)工程。著名的納污之王——“鳳眼蓮”，常被作為先鋒植物或理想的天然浮島治理水體污染，而其易泛濫成災或治污后的處理措施不明確使其應用受到很大限制，抑或使涉及鳳眼蓮的生態(tài)工程可能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱钊藫鷳n的工程。以前，不能持續(xù)運轉(zhuǎn)的生態(tài)工程對于工程中出現(xiàn)的生物類廢棄物的處理問題并不能徹底解決，因此，在建設《環(huán)境生態(tài)工程》教材時，應重視生態(tài)工程運行后的后續(xù)處理工程性措施，使環(huán)境生態(tài)工程無后顧之憂。

（二）物種多樣性基本定于工程初期

生物設計是生態(tài)工程設計的核心。自然生態(tài)系統(tǒng)是由生物與生物之間、生物與非生物之間、非生物之間等錯綜復雜的關(guān)系組成的。目前，人類還無法成功模擬出第二個地球甚至一個小尺度的生態(tài)系統(tǒng)，只能借助食物鏈的關(guān)系將所設定的生態(tài)系統(tǒng)盡可能友好地融入周邊的自然環(huán)境，因此，在過去和將來，物種配置都將是生態(tài)工程設計中的重點和難點。經(jīng)過近60年的探討，在國內(nèi)外的生態(tài)工程項目中，其物種配置仍然比較簡單，這在以去除特定污染物為目的的項目中尤為突出。治理砷污染的土壤時，盡管蜈蚣草是首選物種，但除了該植物外，關(guān)于其后續(xù)可以跟上的物種還鮮見提及。又如在礦區(qū)土壤治理中，除了種植植物和由此引進鳥類棲息，我們很難捕捉到其他動物物種配置的信息。在水體污染治理中，水生動物物種豐富，但在這種環(huán)境中生長的水生動物一旦入場，我們的餐桌就會直接影響自身身心健康。合理且有效的生物物種配置和物種多樣性的增加也必然是環(huán)境生態(tài)工程設計中的一個長期研究課題。

（三）缺乏工程定量分析

生態(tài)工程相關(guān)教材提及的工程措施基本上只限于對其定性描述，因其工程項目涉及區(qū)域一般比較廣，致使對其定量描述比較困難。盡管如此，對工科和理科的環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)的學生來說，相關(guān)工程的基本工藝參數(shù)設置還是必不可少的。近年來，濕地系統(tǒng)在污水處理方面的應用越來越多，其應用范圍在國內(nèi)外已涉及城市暴雨徑流污染、工業(yè)廢水處理、農(nóng)業(yè)面源污染控制、河流湖泊治理等諸多領(lǐng)域，雖然對濕地的研究也更加突出和不斷深入，在生態(tài)工程的相關(guān)教材中關(guān)于濕地的功能、組成及作用機理等的闡述比較系統(tǒng)而詳細，但關(guān)于濕地工程的基本工藝參數(shù)及其設置方面的信息很少，而這些信息對環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)的人才培養(yǎng)非常重要，不容忽視。

（四）對學生可實踐性不突出

正如前面所述，生態(tài)工程的相關(guān)教材提及的工程措施缺乏定量描述，且涉及區(qū)域大，因此，學生在生態(tài)工程這門課程的學習過程中只能通過參觀實習認知或參加講座來加深理解，而供學生實際操作的機會嚴重不足。本著環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)特色，《環(huán)境生態(tài)工程》教材內(nèi)容應加強學生學習的可實踐性和可操作性。

針對這些問題，同時按照教育部高等學校環(huán)境科學與工程類專業(yè)教學指導委員會的專家對我們編寫的《環(huán)境生態(tài)工程》的建議，我們在編寫本教材時還參考了“環(huán)境工程”相關(guān)教材及最新文獻報道，并采取了下列措施，以突出本教材有別于“生態(tài)工程”相關(guān)教材的獨特之處。

二、措施

（一）認識生物的修復能力也是有限的

當某種污染物的濃度超出生態(tài)閾值時，任何生態(tài)工程措施都無能為力，認識到生物修復能力的有限性并不是強調(diào)環(huán)境生態(tài)工程的不足之處，而正是為了突出環(huán)境生態(tài)工程的特色。環(huán)境生態(tài)工程涉及環(huán)境學、生態(tài)學、工程學，其綜合性顯著。當污染物超出生物的修復能力范圍時，必須先采取傳統(tǒng)的環(huán)境工程措施進行初步處理，之后采納相應的生態(tài)工程措施，直至整個治理末端不會出現(xiàn)新問題，而治理后的環(huán)境能夠友好地進入大自然循環(huán)。這整個過程都應該是環(huán)境生態(tài)工程應包括的內(nèi)容，其中各個環(huán)節(jié)相互制約，缺一不可。在濕地環(huán)境生態(tài)工程中，若有機負荷過高，就必須借助傳統(tǒng)的環(huán)境工程技術(shù)加以預處理，只有這樣才能保障濕地的可持續(xù)發(fā)展。濕地并不是可以用來處理任何污水的，其功能也是有限的。只有認識到生物修復能力的有限性，才能充分理解《環(huán)境生態(tài)工程》應包括的內(nèi)容。

（二）注重整體觀，避免爛尾工程

《環(huán)境生態(tài)工程》應既強調(diào)必要的預處理，也強調(diào)環(huán)境生態(tài)工程措施運行后的后續(xù)處理，注重這是一個整體，對任何環(huán)境生態(tài)工程措施進行全程控制，以避免走向爛尾工程。我們編寫的《環(huán)境生態(tài)工程》強調(diào)了環(huán)境生態(tài)工程的整體性，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)院校的農(nóng)、林、牧、漁優(yōu)勢，注重工程的全程控制，其中有專門的章節(jié)講解環(huán)境生態(tài)工程可能出現(xiàn)的廢棄物的處理，尤其是生物質(zhì)的能源化利用途徑和技術(shù)，保證了環(huán)境生態(tài)工程解決環(huán)境問題的本質(zhì)特征。

（三）豐富物種的引進途徑

任何生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性越豐富，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定，抗逆性就越強。如何增加物種多樣性一直是生態(tài)工程的一大課題，也必然是環(huán)境生態(tài)工程的一大課題。在環(huán)境生態(tài)工程中存在物種的更替，此種情況下物種的多樣性尤其重要，這也是豐富物種的好時期。在環(huán)境生態(tài)工程運行初期，由于治理污染物的特殊要求，會選擇耐受性強或去污能力強的物種作為先鋒物種而定植。但是，在用于治理污染環(huán)境的先鋒植物并不利于治理后的環(huán)境可持續(xù)發(fā)展或者主要服務功能時，必然要借助物種的更替適時自然地引進其他各物種。物種越豐富，物種更替速度越快。值得一提的是，環(huán)境生態(tài)工程中的物種配置包括植物，也包括動物和微生物，三者在生態(tài)系統(tǒng)中同等重要。

（四）定性論述與工程定量相結(jié)合，體現(xiàn)工程特色

為了方便學生的操作和實踐，突出其工程特性，我們編寫《環(huán)境生態(tài)工程》時特意強調(diào)定性論述與工程定量相結(jié)合。例如，在濕地環(huán)境生態(tài)工程中，除了對濕地的相關(guān)定性論述外，還介紹了濕地的填料滲透系數(shù)、水力負荷、有機負荷、水力停留時間等重要參數(shù)的設計及計算，并在思考題中設置計算題以鞏固學生對各參數(shù)與所需濕地面積之間關(guān)系的理解。又如在廢棄物生物質(zhì)的資源化利用方面，也詳細介紹了重要工藝參數(shù)的設置及計算。定性論述與工程定量相結(jié)合基本保障了環(huán)境生態(tài)工程方案的可行性。

（五）點面結(jié)合

《環(huán)境生態(tài)工程》涉及學科范圍廣，其工程項目涉及區(qū)域面積也較大。我們編寫此教材時，將點與面相結(jié)合，非常有利于學生尋找切入點以實現(xiàn)宏觀調(diào)控。點可以小到如占地面積以平方米為單位的濕地，面可以為流域尺度。點與面的結(jié)合在環(huán)境生態(tài)工程的物種配置中的作用也非常顯著，既便于先鋒物種的選擇，也有利于后期物種的引進，從而逐漸形成復雜的種群結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。

（六）建立環(huán)境生態(tài)工程綜合設計與實驗技術(shù)體系

環(huán)境生態(tài)工程是一門建立在實踐基礎(chǔ)上的工程學科，環(huán)境生態(tài)工程綜合設計和實驗技術(shù)也是我們所編教材的重要組成部分，是科研和工程技術(shù)人員利用生態(tài)學原理和工程學原理解決環(huán)境污染治理中各種問題的重要手段。在生態(tài)環(huán)境中，許多污染現(xiàn)象的解釋，污染處理設備的設計參數(shù)和操作運行方式的確定，都需要通過實驗解決。通過實驗確定了工藝參數(shù)以后，還需結(jié)合實際才能較為合理地進行工程設計，最終在確保生態(tài)安全的前提下完成污染環(huán)境的修復。

（七）啟迪學生的創(chuàng)新思想

生物設計是環(huán)境生態(tài)工程設計的核心，系統(tǒng)的生命活性和因地、因類制宜的優(yōu)化組合賦予環(huán)境生態(tài)工程設計具有不斷的創(chuàng)新性，使得任何一個成熟的環(huán)境生態(tài)工程設計無法完全被照搬到另一個環(huán)境系統(tǒng)中。因此，必須堅持創(chuàng)新研究，這也是我們在編寫本教材時特別強調(diào)的一條重要原則，如何啟迪學生的創(chuàng)新思想也就成了本教材內(nèi)容設計中必不可少的一個環(huán)節(jié)。在教材內(nèi)容和課堂設計時，我們主要采用“問題驅(qū)動”法啟迪學生的創(chuàng)新思想。針對如何啟迪學生的創(chuàng)新思想，我們結(jié)合上述措施還特意精心設計了創(chuàng)新工作室。學生對此的高度熱忱說明了學生對本課程的濃厚學習興趣和認知。為了更好地服務于社會，學生的優(yōu)秀作品被推薦參加各種環(huán)保比賽或發(fā)表于適宜的期刊。實踐證明，上述措施非常有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力及合作能力。學生手工設計的模型被相關(guān)展覽會收藏，這也顯示學生的實踐能力得到了一定程度的發(fā)揮。值得一提的是，“教學相長”和“教研結(jié)合”也在上述這些措施的實施過程中得到了很好的體現(xiàn)。

科技發(fā)展日新月異。我們編寫的《環(huán)境生態(tài)工程》盡管已出版，但也需要不斷完善內(nèi)容，特別是新型污染物、新觀點、新技術(shù)等。綜上所述，我們編寫的《環(huán)境生態(tài)工程》按照我國高等教育對環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，既有著工程和農(nóng)業(yè)特色，又突出了該專業(yè)本科生工程設計能力和應用創(chuàng)新型能力的培養(yǎng)導向。

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