新工科背景下環(huán)境類生化實驗創(chuàng)新教學(xué)改革與探索

郭亞坤，楊 冬，曹全全，劉 翔，劉憲華，姜曉峰，魏亞丹，張光輝，楊永奎，魯逸人*

(1.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2天津大學(xué) 建工學(xué)院，天津 300072)

2017年4月，教育部在天津大學(xué)召開新工科建設(shè)研討會，60余所高校共商新工科建設(shè)的愿景與行動。與會代表一致認為，培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當(dāng)務(wù)之急，也是長遠之策。與此同時，環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前整個人類面臨的一個重大課題，新工科背景下對環(huán)境科學(xué)與工程類學(xué)科建設(shè)也提出了嚴(yán)峻的考驗。實驗教學(xué)作為高等教育重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，是激發(fā)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)創(chuàng)新思維最為必須環(huán)節(jié)。如何將專業(yè)實驗教學(xué)過程形象生動的展現(xiàn)，將有利于學(xué)生將自己的興趣和專業(yè)知識點關(guān)聯(lián)起來，能使學(xué)生產(chǎn)生求知欲，激發(fā)創(chuàng)造潛能[1]。

1 新工科背景下環(huán)境生物實驗教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 實驗教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新不足

環(huán)境科學(xué)專業(yè)課程中有多門生物類、化學(xué)類課程，其中包括現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)及實驗、高級環(huán)境生物學(xué)、環(huán)境生物毒理學(xué)、環(huán)境化學(xué)、環(huán)境工程原理等[2]。但長期以來，這些課程相互之間、以及課堂教學(xué)和實驗實踐教學(xué)之間缺乏溝通、交叉性不夠，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，也不利于學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

環(huán)境生物類實驗，由于知識體系的復(fù)雜性，實驗中由基礎(chǔ)綜合性知識學(xué)習(xí)過渡到實驗操作項目，進入實驗室后需要解決動手能力差、不能獨立完成實驗任務(wù)等情況[2]，學(xué)生只能在老師的示范、講解之下完成，而沒有更多的時間進行設(shè)計性的實踐項目，更談不上實驗創(chuàng)新。

1.2 實驗教學(xué)模式程序化

環(huán)境科學(xué)專業(yè)的實驗教學(xué)模式比較保守，學(xué)校的實踐場地有限，單純在實驗室進行實驗，學(xué)生的工程素養(yǎng)能力得不到鍛煉，而且實驗室相關(guān)的實驗操作、內(nèi)容與真實的企業(yè)操作、實際工程問題還是有很大的區(qū)別，沒有設(shè)備、環(huán)境等外在條件的保障，與企業(yè)聯(lián)系不緊密，不利于在實驗過程中學(xué)生的自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，部分實驗逐步與企業(yè)建立聯(lián)合實踐教學(xué)基地，是我們共同的目標(biāo)。

1.3 實驗教學(xué)系統(tǒng)管理難度大

由于儀器設(shè)備套數(shù)、實驗指導(dǎo)教師等教學(xué)資源比較緊張，學(xué)生開展實驗操作過程中因自身預(yù)習(xí)不充分、儀器設(shè)備存在問題、班次人數(shù)較多等眾多原因，授課教師一般演示操作，難以近距離與學(xué)生充分信息引導(dǎo)，部分學(xué)生會以應(yīng)付或者完成任務(wù)的心態(tài)開展實驗，效果不佳[3]。

其次實驗教學(xué)隊伍的配置直接關(guān)系到實驗教學(xué)水平的高低，會影響實驗教學(xué)的效果和應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。目前的實踐教學(xué)隊伍不能完全涵蓋的全部方向。實驗教學(xué)老師一般實驗理論實驗技巧比較豐富，但缺少工程經(jīng)驗以及國際前言熱點課題。

1.4 實驗教學(xué)考核不夠完善，無法準(zhǔn)確把握學(xué)生科研參與度

目前一般實驗考核主要以預(yù)習(xí)報告、實驗操作、處理報告來評定。受主觀條件與客觀因素影響，教師無法全面詳細了解實驗操作中每個學(xué)生的操作能力，無法獲取學(xué)生對實驗原理及數(shù)據(jù)處理方法的掌握程度，不利于老師對每個學(xué)生進行客觀評價，發(fā)掘?qū)W生的興趣愛好和創(chuàng)新能力的針對性訓(xùn)練。

2 新工科背景下環(huán)境實驗類教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)

新工科背景下，秉承應(yīng)對變化、塑造未來的建設(shè)理念，通過繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享等多種途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[4]。環(huán)保作為一種新興產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)不斷升級，需要大批能力素質(zhì)協(xié)調(diào)、具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神和實踐能力的復(fù)合型創(chuàng)新人才。面對這種新的人才塑造理念，環(huán)保產(chǎn)業(yè)人才也應(yīng)該具備相應(yīng)的能力。

2.1 知識綜合應(yīng)用、系統(tǒng)設(shè)計能力

面對環(huán)境問題日益復(fù)雜，環(huán)境學(xué)科的發(fā)展也越來越體現(xiàn)綜合性、交叉型、創(chuàng)新型[5]。在面對實驗課程時，要求學(xué)生能夠綜合運用水、大氣、固廢、環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)分析等多門學(xué)科知識，通過閱讀相關(guān)實驗說明，明確實驗?zāi)繕?biāo)與知識綜合運用，查閱相關(guān)資料，深入了解實驗原理及方法，做好實驗前的準(zhǔn)備工作[6]。甚至能夠地進行方法探索，系統(tǒng)設(shè)計實驗流程。

2.2 工程問題分析、解決問題能力

學(xué)生能夠融合在校學(xué)習(xí)的理論知識，結(jié)合生產(chǎn)實習(xí)了解，能夠分析企業(yè)實際所遇到的環(huán)境工程問題，能夠借助所學(xué)學(xué)科知識，認真開展現(xiàn)象剖析，原因查找，規(guī)律總結(jié)等工作[7]，具備一般的工程問題分析、解決問題的能力。只有這樣才能更好地進行學(xué)習(xí)與就業(yè)的銜接，快速適應(yīng)時代的發(fā)展。

2.3 理論聯(lián)系實際、創(chuàng)新發(fā)展能力

學(xué)生能夠在實際工作中善于發(fā)現(xiàn)問題、主動分析問題并學(xué)會解決問題，逐步提高自身綜合運用所學(xué)知識和專業(yè)技能解決企業(yè)實際問題的能力[8]。結(jié)合自身優(yōu)勢與發(fā)展現(xiàn)狀，在企業(yè)工程實踐中不斷探索與創(chuàng)新，找到突破自我發(fā)展的潛力。

3 新工科背景下環(huán)境生物實驗類教學(xué)創(chuàng)新教學(xué)改革與探索

3.1 優(yōu)化生物實驗教學(xué)內(nèi)容，促進環(huán)境學(xué)科交叉融合

新工科背景下，要求環(huán)境學(xué)科遵循時代發(fā)展的新型體系，發(fā)展為能夠兼容科學(xué)、技術(shù)和工程等諸多領(lǐng)域[9]。在實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)置方面，根據(jù)課程學(xué)習(xí)要求，結(jié)合學(xué)生所處學(xué)段，設(shè)置基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計或研究型實驗，讓不同年級階段的學(xué)生得到相應(yīng)的實踐鍛煉，拓展知識面。在實驗課程設(shè)置方面，需要將專業(yè)性較強的課程轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合設(shè)計實驗[3]。結(jié)合本專業(yè)的課程特點開設(shè)系列經(jīng)典實驗項目，將抽象的理論在實驗項目中具體的展現(xiàn)，學(xué)生在方案設(shè)計、實驗設(shè)計、測試選擇、結(jié)果分析、問題處理等方面得到系統(tǒng)培訓(xùn)[10]，這個過程包含了邏輯思維、可行性分析、計算預(yù)測、實驗技能等多方面的內(nèi)容，體現(xiàn)出多學(xué)科內(nèi)容的交叉融合。

3.2 創(chuàng)新實驗教學(xué)模式，鼓勵學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)

新工科背景下，要求環(huán)境學(xué)科培養(yǎng)全方位、多層次、全面型發(fā)展人才，建立真實情景式混合教學(xué)，大大有利于學(xué)生的全面發(fā)展[11]。結(jié)合環(huán)境類生物實驗綜合性、實踐性、交叉型等特點，具體來講，就是實驗教師給出實驗課題，提出所要解決問題，要求學(xué)生進入真實環(huán)境進行調(diào)查研究，通過預(yù)設(shè)問題啟發(fā)學(xué)生在真實的情景中進行學(xué)習(xí)。學(xué)生則通過查閱書籍、網(wǎng)絡(luò)、咨詢、討論等各種知識獲取渠道，對問題進行主動的分析，討論和思考后設(shè)計出問題的解決方案，然后在真實環(huán)境或接近真實應(yīng)用的場景里進行實踐探索。

3.3 實驗教學(xué)與工程實踐相結(jié)合，培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才

我們和跨學(xué)科技術(shù)和工程單位進行合作，彌補當(dāng)前各自的不足，達到互利共贏的局面[12]。在實驗內(nèi)容設(shè)置方面，打破傳統(tǒng)經(jīng)典實驗，以實驗室可操作的企業(yè)實際工程問題為依據(jù)設(shè)置實驗內(nèi)容。加大校企合作，如此對學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)非常有幫助。

3.4 綜合性實驗教學(xué)評價，“互聯(lián)網(wǎng)+”輔助教學(xué)考核

新工科背景下，建立綜合性的評價體系。教師課前布置自學(xué)任務(wù)和測驗，根據(jù)學(xué)生自學(xué)情況和課前測驗給予課前成績，課堂上根據(jù)學(xué)生的實驗態(tài)度和實驗結(jié)果給予學(xué)生課中成績，課后根據(jù)學(xué)生完成的實驗報告給予其課后成績，共同構(gòu)成學(xué)生最終的實驗成績[13]。調(diào)動了學(xué)生的積極性，切實有效地提高了實驗教學(xué)質(zhì)量[14]。通過以上全面深入考核，激發(fā)學(xué)生參與實踐的積極性，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力。

3.5 加強實驗教學(xué)管理

新工科背景下，要求充分調(diào)動學(xué)生自主探索能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，開放實驗室的建設(shè)對創(chuàng)新能力培養(yǎng)發(fā)揮重要作用[15]。開放式實驗教學(xué)可能會增加實驗室管理難度，我們結(jié)合勤工儉學(xué)崗位或挑選部分有創(chuàng)新實驗興趣愛好且動手實踐能力強的學(xué)生參與實驗室的維護與管理工作，能夠有效提高實驗室儀器設(shè)備使用時長。

提升教師能力素養(yǎng)教師的結(jié)構(gòu)、層次、知識面對培養(yǎng)學(xué)生至關(guān)重要，所以配置一支結(jié)構(gòu)層次合理、知識面全面的實踐教師隊伍勢在必行。根據(jù)新工科人才培養(yǎng)模式的需求，環(huán)境工程專業(yè)的實驗體系設(shè)置將不斷完善，相關(guān)教師的科研方向逐漸被融合進來，這樣的教師隊伍才能更好的引導(dǎo)、培養(yǎng)學(xué)生。

4 結(jié)語

當(dāng)前，世界科技革命和產(chǎn)業(yè)浪潮奔騰而至，迎接新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)，世界各國為搶占工業(yè)科技創(chuàng)新制高點，競相推出新戰(zhàn)略舉措。為了把我國打造成引領(lǐng)世界的制造業(yè)強國，工科建設(shè)必須全面提質(zhì)增效。在"新工科"建設(shè)背景下，對環(huán)境類生物實驗教學(xué)提出了新的要求及挑戰(zhàn)。本著“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，結(jié)合“新工科”對學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力的要求，科學(xué)地改革環(huán)境類生物實驗教學(xué)模式，增加新的教學(xué)方法及教學(xué)手段，增強校企合作，充分提高教學(xué)質(zhì)量，推動產(chǎn)教融合，培養(yǎng)出創(chuàng)新型卓越工程科技人才，促進新工科從理念走向行動，為中國高等工程教育助跑。