新工科背景下一流本科建設(shè)課程實(shí)踐教學(xué)改革

黃建軍 馬文超 紀(jì)娜 杜桂月 張時佳 哈瑩 呂學(xué)斌 孫井梅

摘 ?要：新工科在教育理念、知識體系、培養(yǎng)模式等方面均提出了新要求，為適應(yīng)新工科對人才培養(yǎng)的要求，對固體廢物處理實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了改革。固體廢物處理實(shí)踐教學(xué)對改革實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容，開設(shè)綜合型、創(chuàng)新型實(shí)驗，開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗，加強(qiáng)課程實(shí)習(xí)，改善實(shí)驗教學(xué)考核體系，構(gòu)建實(shí)驗-實(shí)訓(xùn)-實(shí)習(xí)實(shí)踐體系，加強(qiáng)實(shí)驗教學(xué)隊伍建設(shè)，實(shí)驗室交叉融合，開放共享等方面進(jìn)行了改革實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：新工科;固體廢物處理;實(shí)驗-實(shí)訓(xùn)-實(shí)習(xí);教學(xué)改革

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0016-04

Abstract： Many requirements are put forward from education concept， knowledge system， training mode and other aspects. In order to meet the requirements of talents training in the new engineering field， we have reformed the practical teaching of Solid Waste Treatment. We have reformed the experimental teaching content， set up comprehensive and innovative experiments， developed virtual simulation experiments， strengthened the course practice， improved the experimental teaching assessment system， and constructed an experiment-practice-practice system. At the same time， we have also carried out reform and practice in strengthening the construction of experimental teaching team， cross-integration of laboratories， opening and sharing.

Keywords： new engineering; Solid Waste Treatment; experiment-practice-practice; teaching reform

“新工科”這一概念自2016年提出以來，在不到一年的時間，教育部組織高校進(jìn)行深入研討，形成了“復(fù)旦共識”和“天大行動”。新工科是在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟(jì)背景下工程教育改革的重大戰(zhàn)略選擇，是今后我國工程教育發(fā)展的新思維、新方式。培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，具有戰(zhàn)略性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開放式的特征[1]。實(shí)驗實(shí)踐教學(xué)作為高等學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生工程能力的一個重要環(huán)節(jié)，在工程教學(xué)人才培養(yǎng)過程中占有舉足輕重的位置[2]。

新工科建設(shè)的本質(zhì)是人才培養(yǎng)，服務(wù)國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，強(qiáng)化實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。教學(xué)過程中需要延展實(shí)踐育人平臺，強(qiáng)化教學(xué)實(shí)驗、科學(xué)實(shí)踐、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，完善創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式。固體廢物處理是環(huán)境工程專業(yè)核心課，2020年獲批為天津市一流本科建設(shè)課程。課程結(jié)合新工科建設(shè)要求，以培養(yǎng)具有“全球視野、應(yīng)對挑戰(zhàn)和建設(shè)未來世界”的環(huán)境工程科技人才為目標(biāo)。實(shí)踐教學(xué)是課堂教學(xué)的重要組成部分，通過對固體廢棄物的處理、無害化處置、資源利用實(shí)驗，使學(xué)生將所掌握的理論知識與實(shí)際工程治理實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來;同時鍛煉學(xué)生的動手能力、獨(dú)立實(shí)驗操作能力、分析和解決問題的能力、總結(jié)歸納和表述的能力。以往的實(shí)驗課教學(xué)主要按教師先講述、演示，學(xué)生驗證等流程開展，學(xué)生積極性低，教學(xué)效果欠佳，不能滿足未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才培養(yǎng)需求，因此針對該類問題，進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)。

一、實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容改革

高等教育呈現(xiàn)出了“大眾化、多樣化、國際化、終身化、信息化”的趨勢[3]，工科教育迫切要求知識體系適應(yīng)這種變化，迎合社會需求，固體廢物處理實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容原來以驗證型實(shí)驗為主[4]，學(xué)生按照教師和實(shí)驗指導(dǎo)說明書完成實(shí)驗，很少關(guān)注實(shí)驗現(xiàn)象和理論知識的內(nèi)在聯(lián)系。這種類型的實(shí)驗在一定程度上抑制了學(xué)生的主觀能動性，新工科要求工程教育從單純追求學(xué)術(shù)表現(xiàn)回歸到與實(shí)踐的相關(guān)性，致力于回應(yīng)、參與和解決不斷涌現(xiàn)的新問題，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容也要與時俱進(jìn)，繼承與創(chuàng)新，交叉融合，在不改變實(shí)驗課時的前提下，調(diào)整實(shí)驗內(nèi)容，縮減驗證性實(shí)驗，加大創(chuàng)新性實(shí)驗比例[5-7]。

（一）驗證性實(shí)驗

固體廢物處理原來開設(shè)的驗證性實(shí)驗主要有：危險固體廢物的溶出實(shí)驗、城市生活垃圾的分選實(shí)驗、城市生活垃圾含水率的測定、生活垃圾的堆肥實(shí)驗等，同學(xué)按既定的步驟和要求被動開展實(shí)驗，沒有發(fā)揮主觀能動性。由于同學(xué)已經(jīng)具備了較扎實(shí)的實(shí)驗操作技能，驗證性實(shí)驗在工程實(shí)踐能力培養(yǎng)方面效果欠佳，因此將四個驗證性實(shí)驗縮減為一個，同學(xué)可以從四個驗證實(shí)驗中任選一個。

（二）綜合型實(shí)驗

固體廢物處理原來的實(shí)驗基本上都是針對某一知識點(diǎn)或原理開設(shè)的針對性的單一實(shí)驗，盡管可以加深學(xué)生對該知識的理解，但是該類實(shí)驗對學(xué)生系統(tǒng)性能力培養(yǎng)效果欠佳。為了提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力和培養(yǎng)綜合思維，開設(shè)綜合型實(shí)驗;以學(xué)生為主導(dǎo)，給定實(shí)驗?zāi)康?，提出?shí)驗任務(wù)和要求，學(xué)生根據(jù)本課程所學(xué)的知識，通過查閱文獻(xiàn)資料，自行設(shè)計實(shí)驗方案，實(shí)驗過程中遇到問題獨(dú)立解決。如開設(shè)“生活垃圾資源化處理”綜合型實(shí)驗，同學(xué)分成若干組，每組首先需要收集、分揀垃圾，然后根據(jù)收集到垃圾的形狀差異，一部分開展好氧堆肥實(shí)驗，一部分進(jìn)行熱解實(shí)驗;好氧堆肥實(shí)驗需要完成垃圾含水率、堆肥過程實(shí)驗參數(shù)記錄、垃圾滲濾液分析等操作;熱解實(shí)驗需要完成垃圾熱值測定、熱解產(chǎn)物液固氣質(zhì)量分布、熱解液的GCM分析、熱解殘留固體穩(wěn)定化等操作;完成垃圾處理的全過程工藝實(shí)驗，需要同學(xué)通過課堂上已經(jīng)學(xué)到的理論知識，設(shè)計并完成實(shí)驗，在設(shè)計實(shí)驗過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題;最后提供最優(yōu)化的資源化利用方案，實(shí)驗結(jié)果不唯一，避免以前完全按照實(shí)驗指導(dǎo)書步驟開展實(shí)驗，將各單一實(shí)驗有機(jī)結(jié)合成工藝實(shí)驗，讓學(xué)生系統(tǒng)掌握、理解固廢資源利用過程中關(guān)鍵知識點(diǎn)。通過綜合型實(shí)驗不僅使學(xué)生鞏固了本課程的理論知識、實(shí)驗的方案思路、具體操作步驟、儀器用具等，還能培養(yǎng)同學(xué)更具獨(dú)立性和創(chuàng)新性，能激發(fā)同學(xué)完全投入實(shí)驗研究中，同時培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、分析數(shù)據(jù)的能力，培養(yǎng)工程嚴(yán)謹(jǐn)性、批判性思維，最終達(dá)到提高實(shí)驗教學(xué)的目的。

（三）創(chuàng)新型實(shí)驗

創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，新工科應(yīng)該積極應(yīng)對變化，引領(lǐng)創(chuàng)新，探索不斷變化背景下的工程教育新理念，培養(yǎng)能夠適應(yīng)時代和未來變化的卓越工程人才。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步，固體廢物處理正朝著資源循環(huán)利用方向演變，教學(xué)中融入循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念。其中，生物質(zhì)的資源化再利用是研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，生物質(zhì)能源是替代傳統(tǒng)化石能源的重要可再生能源之一，是自然界唯一可再生碳資源。針對生物質(zhì)的循環(huán)資源化利用開展了一系列的科學(xué)研究，由科研凝練出“生物質(zhì)平臺化合物乙酰丙酸催化轉(zhuǎn)化制備γ-戊內(nèi)酯”實(shí)驗，結(jié)合最新的科研成果，以乙酰丙酸為原料加氫制備γ-戊內(nèi)酯是生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化的重要反應(yīng)之一[8]，非均相催化體系的發(fā)展與創(chuàng)新則對尋求γ-戊內(nèi)酯的綠色合成路徑具有更顯著的實(shí)踐意義[9]。實(shí)驗內(nèi)容涉及負(fù)載型催化劑的制備，需要考慮影響催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物收率的因素，如反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、溶劑體系、催化劑種類等，以及掌握如氣相色譜、液相色譜分析、內(nèi)標(biāo)法定量、實(shí)際動手能力、儀器設(shè)備操作等相關(guān)知識，加深學(xué)生對生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化過程的理解，做到理論聯(lián)系實(shí)際。學(xué)生需要自主設(shè)計實(shí)驗流程，制訂實(shí)驗方案，設(shè)定反應(yīng)條件，選擇合適的分析儀器設(shè)備，掌握定性定量分析方法等。實(shí)驗方案多樣化，實(shí)驗結(jié)果不唯一，提高了學(xué)生的主觀能動性。以學(xué)生為中心的實(shí)驗教學(xué)，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)、綜合思維的鍛煉有很大的幫助。

（四）虛擬仿真實(shí)驗

以全球化、網(wǎng)絡(luò)化為代表的一系列顛覆性技術(shù)的發(fā)展使得教育、學(xué)習(xí)、信息共享的方式發(fā)生了變化，由此要求教學(xué)方法和模式、教學(xué)環(huán)境和條件需要跟上時代步伐。在實(shí)驗教學(xué)環(huán)節(jié)中受到設(shè)備、場地、投入、成本等條件的制約，部分實(shí)驗在真實(shí)實(shí)驗室難以開展，因此相繼開發(fā)“城市有機(jī)固廢等離子體熱解氣化虛擬仿真實(shí)驗”“垃圾清潔高效焚燒虛擬仿真實(shí)驗”來彌補(bǔ)真實(shí)實(shí)驗教學(xué)的不足。垃圾清潔高效焚燒發(fā)電屬于固體廢棄物資源化、減量化的處理措施，設(shè)備運(yùn)行復(fù)雜、占地面積大且操作運(yùn)行復(fù)雜、投入大，實(shí)體實(shí)驗室不可能實(shí)現(xiàn)，即使去垃圾焚燒發(fā)電廠實(shí)地參觀實(shí)習(xí)時，也很難深入了解各設(shè)備的工作情況。通過建立垃圾清潔高效焚燒虛擬仿真實(shí)驗（實(shí)驗界面如圖1所示），可使學(xué)生深入了解垃圾焚燒發(fā)電原理、焚燒過程、焚燒爐構(gòu)成、關(guān)鍵工藝及參數(shù)、污染物生成情況等。系統(tǒng)由仿真引擎SimuEngine、圖形化建模軟件SimuBuilder、數(shù)學(xué)模型、DCS操作界面、就地操作界面以及多媒體軟件等部分組成，可以進(jìn)入鍋爐、汽機(jī)、電氣、煙氣凈化處理等專業(yè)畫面，可以實(shí)現(xiàn)垃圾進(jìn)料量、調(diào)節(jié)風(fēng)量、煙氣處理系統(tǒng)藥劑投放量、改變蒸汽溫度與壓力等不同運(yùn)行參數(shù)的修改，從而在線觀察溫度、煙氣量、污染物濃度、某種元素的遷移、灰顆粒的遷移、碳元素的轉(zhuǎn)化過程、產(chǎn)生多少熱量和能量、灰渣的產(chǎn)生量等指標(biāo)的變化?？梢酝敢曈^察垃圾焚燒爐的運(yùn)行過程，解決參觀和上課時的焚燒爐內(nèi)部運(yùn)行工況不明晰的問題，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足。

（五）課程實(shí)習(xí)

新工科培養(yǎng)能夠適應(yīng)時代和未來變化的卓越工程人才，直接地把科學(xué)、技術(shù)同產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)系在了一起，因此實(shí)習(xí)顯得尤為重要。深入企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，如泰達(dá)環(huán)保垃圾焚燒發(fā)電廠，圍繞垃圾焚燒無害化處理、余熱發(fā)電、廢棄物資源化回收利用、重金屬污染治理、煙氣凈化工藝等全流程開展學(xué)習(xí)，同時結(jié)合虛擬仿真平臺，達(dá)到虛實(shí)結(jié)合。

二、實(shí)驗教學(xué)管理改革

新工科要面向未來，全面加快改革創(chuàng)新，新工科必須通過人才培養(yǎng)理念的升華、體制機(jī)制的改革以及培養(yǎng)模式的創(chuàng)新應(yīng)對現(xiàn)代社會的快速變化和未來不確定的變革挑戰(zhàn)，因此需要對實(shí)驗教學(xué)管理體系進(jìn)行相應(yīng)的改革，來適應(yīng)工程教學(xué)發(fā)展的需要[10-11]。

（一）實(shí)驗教學(xué)考核體系

建立能力考核的多元化考核體系，考核學(xué)生平時出勤率、課堂表現(xiàn)、操作規(guī)范、實(shí)驗報告質(zhì)量等關(guān)鍵信息，改變以前只關(guān)注實(shí)驗報告而導(dǎo)致學(xué)生敷衍對待實(shí)驗的態(tài)度。實(shí)驗考核成績包括預(yù)習(xí)、平時成績、操作、實(shí)驗報告等，加強(qiáng)科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1. 實(shí)驗預(yù)習(xí)成績

對實(shí)驗相關(guān)知識的提前熟知，特別是設(shè)計性實(shí)驗，可能遇到的問題、解決辦法、方法手段、實(shí)驗方案、組內(nèi)人員的分工合作等，在進(jìn)實(shí)驗室時提交預(yù)習(xí)報告，占總成績的30%。

2. 平時成績

利用實(shí)驗室的門禁刷卡系統(tǒng)，記錄學(xué)生實(shí)驗時是否存在遲到、早退等現(xiàn)象，以及遵守實(shí)驗課紀(jì)律情況，占總成績10%。

3. 實(shí)驗操作成績

包括實(shí)驗技能的基本操作是否合理，儀器設(shè)備是否按操作規(guī)范使用，實(shí)驗藥品的使用、廢液的處理是否符合要求，實(shí)驗后實(shí)驗室安全衛(wèi)生、實(shí)驗儀器的整理等，占總成績的30%。

4. 實(shí)驗報告成績

包含實(shí)驗報告原始數(shù)據(jù)的記錄是否規(guī)范，對實(shí)驗結(jié)果的分析和思考題的解答等，占總成績的30%。

全過程考核，如在每年的研究生面試階段，加入實(shí)驗考核內(nèi)容，要求表述基本的操作步驟、核心的注意事項等，讓學(xué)生參與實(shí)際實(shí)驗的積極性大大增強(qiáng)。

（二）實(shí)驗教學(xué)隊伍

加快工程教育改革，培養(yǎng)創(chuàng)新工程人才，需要一支穩(wěn)定的實(shí)驗教學(xué)隊伍[12-13]，要求理論教學(xué)的教師參與實(shí)驗教學(xué)，實(shí)驗教師隨堂聽理論課，做到授課教師與實(shí)驗教師分工不分家，堅持理論與實(shí)踐相結(jié)合，使實(shí)驗過程中出現(xiàn)的問題能及時在課堂上反饋。同時加強(qiáng)實(shí)驗教師隊伍的建設(shè)，切實(shí)提高實(shí)驗教師的工程實(shí)踐能力。第一，制定發(fā)展規(guī)劃，開展校企合作培養(yǎng)實(shí)驗教師，鼓勵實(shí)驗教師在企業(yè)內(nèi)掛職鍛煉，切實(shí)幫助企業(yè)解決實(shí)際工程難題，把相關(guān)實(shí)踐老師送到相對口的企業(yè)實(shí)習(xí)、鍛煉，如不同地區(qū)固體廢物處理中心，深入企業(yè)了解其生產(chǎn)運(yùn)行、最新的處理工藝及未來的發(fā)展趨勢等，對設(shè)備和技術(shù)發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)了解，提高工程實(shí)踐能力;第二，制定實(shí)驗教學(xué)培訓(xùn)計劃，提供專項經(jīng)費(fèi)，鼓勵實(shí)驗教師參加各種相關(guān)新技術(shù)、新設(shè)備的培訓(xùn)會等，拓寬視野，提高其專業(yè)水平，使之能勝任專業(yè)實(shí)驗教學(xué)的工作;第三，通過教學(xué)改革立項，鼓勵實(shí)驗教師研制實(shí)驗教學(xué)設(shè)備，如垃圾堆肥實(shí)驗裝置、垃圾熱解實(shí)驗裝置等是由實(shí)驗室老師自行設(shè)計研制的，既滿足了實(shí)驗教學(xué)要求，又使實(shí)驗教師工程實(shí)踐能力得到了提高。

（三）交叉融合、開放和共享

新工科的內(nèi)涵之一是交叉融合、開放和共享，將最新的科研成果引入實(shí)驗教學(xué)，產(chǎn)學(xué)研融合，提高資源利用率，將科研課題組引入實(shí)驗室建設(shè)，共同提高實(shí)驗教學(xué)水平[14-17]，如固廢實(shí)驗室與從事固體廢棄物處理、資源化利用的課題組簽訂共建協(xié)議，將科研成果轉(zhuǎn)化到實(shí)驗教學(xué)中。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，各種新技術(shù)、方法、處理工藝層出不窮，要將專業(yè)前沿和先進(jìn)的內(nèi)容融入實(shí)驗教學(xué)。作為研究型工科大學(xué)，將最新的科研成果轉(zhuǎn)化成實(shí)驗教學(xué)項目，既可增加學(xué)生新視野，又可以提高學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)識、使命感，了解專業(yè)研究熱點(diǎn)和研究動態(tài);提供學(xué)生熟悉和掌握本學(xué)科領(lǐng)域前沿技術(shù)，與實(shí)踐和社會需求密切聯(lián)系，如“垃圾清潔高效焚燒虛擬仿真實(shí)驗”是“國家科技支撐計劃（2014BAC02B03）：大型生活垃圾焚燒系統(tǒng)高效清潔運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)”衍生出來的，是科研轉(zhuǎn)化為教學(xué)的成功案例，科研成果在經(jīng)費(fèi)保障上有較大的優(yōu)勢，往往是本領(lǐng)域科技發(fā)展的前沿，可以讓學(xué)生接觸到行業(yè)最新的發(fā)展動態(tài)，了解最新需求，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，提升學(xué)習(xí)動力和效果。在實(shí)驗室空閑時段，如寒暑假，實(shí)驗室無償提供給課題組開放使用，極大提高了實(shí)驗室使用效益。

三、結(jié)束語

目前，我國正在實(shí)施“一帶一路”倡議及“中國制造2025”等重大戰(zhàn)略，迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新。需要重構(gòu)人才知識體系，重塑人才培養(yǎng)質(zhì)量關(guān)，創(chuàng)新教學(xué)方式，完善創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式，強(qiáng)化實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)，以新理念、新要求、新途徑加快我國工程教育改革。

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