新工科背景下環(huán)境工程專業(yè)科技創(chuàng)新實踐課程建設探索

黃亮 邱斌 程翔

摘 ?要：基于新工科環(huán)境類專業(yè)對應用型人才和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求，探索了由學生掌握課程主動權，教師輔助的科技創(chuàng)新實踐教學模式。學生將全流程參與實驗調(diào)研、設計、操作、總結及成果展示環(huán)節(jié)，充分鍛煉信息獲取能力、專業(yè)文本撰寫能力、動手能力、溝通交流能力，以獲得綜合素質(zhì)的提升。研究成果有助于提升環(huán)境類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，提高畢業(yè)生綜合素質(zhì)，培養(yǎng)滿足我國生態(tài)文明建設戰(zhàn)略需求的環(huán)境工程專業(yè)人才。

關鍵詞：新工科;環(huán)境工程;教學;創(chuàng)新實踐

中圖分類號：G640 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0034-03

Abstract： Based on the training requirements of applied talents and innovative talents in the environmental engineering major of new engineering， this paper explores the practical teaching mode of scientific and technological innovation in which students master the initiative of the course and teachers assist. Students will participate in the whole process of experimental investigation， design， operation， summary and results display， and fully exercise information acquisition ability， professional text writing ability， practical ability， communication ability， and obtain comprehensive quality improvement. The research results will help improve the quality of environmental professional personnel training， improve the overall quality of graduates， and cultivate environmental engineering professionals that meet the strategic needs of my country's ecological civilization construction.

Keywords： new engineering; environmental engineering; teaching; innovative practice

一、研究背景

新工科建設是為主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，基于新時期國家發(fā)展需求、國際競爭形勢，持續(xù)深化工程教育改革的重大行動計劃，對加快我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、推動制造強國建設、實現(xiàn)高質(zhì)量經(jīng)濟增長，都具有十分重要的戰(zhàn)略意義[1]。這也對高校的工科教育提出了新的要求，一方面需推進新興工科專業(yè)的建設，如大數(shù)據(jù)、云計算、智能科學與技術等，另一方面加快傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，培養(yǎng)具備全球視野、實踐能力、整合能力的綜合性人才[2]。

環(huán)境工程是一門典型的工科專業(yè)，旨在利用科學手段解決日益嚴重的環(huán)境問題、改善環(huán)境質(zhì)量、促進社會發(fā)展。環(huán)境工程的研究對象復雜，專業(yè)的交叉性特征非常鮮明、對學生綜合素質(zhì)要求高，本科培養(yǎng)環(huán)節(jié)必須在傳統(tǒng)教育模式的基礎上增加創(chuàng)新課程，提高學生自主學習及創(chuàng)新能力，以滿足能處理復雜問題的環(huán)境工程專業(yè)應用型人才培養(yǎng)需要?？萍紕?chuàng)新實踐課程便是在該背景下開設的，用以對環(huán)境工程基礎實驗進行補充。通過讓學生自主設計創(chuàng)新實驗，完成資料搜集，制定實驗方案、撰寫研究報告以及展示成果等，使其全方位地參與科技創(chuàng)新環(huán)節(jié)，鍛煉綜合素質(zhì)，以培養(yǎng)滿足我國生態(tài)文明建設戰(zhàn)略需求的環(huán)境工程專業(yè)人才。

二、傳統(tǒng)實驗教學的主要問題

環(huán)境工程人才培養(yǎng)中，實驗教學是非常重要的一部分，本校環(huán)境工程專業(yè)培養(yǎng)方案中實驗教學包括環(huán)境工程原理實驗、環(huán)境監(jiān)測實驗、水污染控制工程實驗、大氣污染控制工程實驗、固體廢物處理處置工程實驗等。實驗課程的開設對學生加深理論知識的理解，增強實際動手能力起到了重要作用。但傳統(tǒng)實驗課程已無法滿足處理當下復雜環(huán)境問題的需求，客觀分析目前環(huán)境工程專業(yè)實驗環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)新工科要求的創(chuàng)新型、應用型人才的要求還有一定差距。目前傳統(tǒng)環(huán)境工程專業(yè)實驗存在的問題如下。

（一）實驗內(nèi)容亟待更新

環(huán)境工程專業(yè)在我國經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，專業(yè)人才培養(yǎng)已逐步形成體系，許多課程內(nèi)容也沿用至今。以環(huán)境監(jiān)測課為例，核心實驗課程包括二氧化硫、氮氧化物、PM10、PM2.5等顆粒物的測定原理和方法等，其中氮氧化物采樣采用國家標準（HJ479-2009）《環(huán)境空氣 氮氧化物（一氧化氮和二氧化氮）的測定 鹽酸萘乙二胺分光光度法》，這是最新的手工監(jiān)測技術規(guī)范。但在實際環(huán)境質(zhì)量管理工作中，各監(jiān)測站點（國控站點、省控站點、超級站等）基本已全面采用自動監(jiān)測技術，而大部分高校由于實驗設備的限制無法開展相應的實驗教學，導致學生所學知識實用性不高，與社會服務、科研、生產(chǎn)第一線的聯(lián)系不夠緊密，難以滿足應用型人才的培養(yǎng)需求[3]。

（二）最新科研成果未得到充分利用

大部分高校教師都身兼科研與教學雙重職責，許多教師優(yōu)秀的科研成果本應是良好的教學素材，但由于傳統(tǒng)實驗課程內(nèi)容的限制，很難將其融入到本科實驗教學環(huán)節(jié)，導致優(yōu)質(zhì)教學資源無法得到充分利用。同時教師授課內(nèi)容與科研方向出現(xiàn)脫節(jié)，也影響到了教師職業(yè)生涯的發(fā)展，既無法保證 “科研反哺教學”，又不能滿足“教學反哺科研”。

（三）教學方法有待改進

目前的實驗教學雖經(jīng)過多次改革，但還是未能擺脫“填鴨式”教學的桎梏。目前的授課程序一般包括：課前教師調(diào)試好設備、配置好試劑，課堂上先介紹實驗原理、講解實驗操作及注意事項，然后學生分組按部就班開始實驗、記錄數(shù)據(jù)、基于給定的模板分析實驗結果，撰寫實驗報告。這種驗證性實驗難度小、自由度也低，導致學生無需經(jīng)過全面的思考便可完成培養(yǎng)環(huán)節(jié)[4]。此外，許多高校由于基礎條件的限制，無法保證所有學生都有機會獨立操作課程要求的大型實驗儀器，實驗授課變成了“參觀現(xiàn)場”，教學效果較差，無法滿足創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求。

（四）評價體系需要完善

在傳統(tǒng)實驗課程中，考試的評分指標一般為學生的實驗操作、實驗報告撰寫及試卷答題。由于傳統(tǒng)實驗課程自由度較低，學生實驗報告中難以體現(xiàn)對于課程的理解及思考，考察多基于實驗態(tài)度而非綜合能力，導致實驗評價不能完全體現(xiàn)出學生對于課程的掌握，并且難以全方位地考察學生的團隊協(xié)作能力、溝通能力，無法滿足新時代綜合型人才的培養(yǎng)要求。

三、科技創(chuàng)新實踐課程建設實踐

針對上述傳統(tǒng)環(huán)境工程專業(yè)實驗課程存在的不足，作者探索了創(chuàng)新實踐課程思路。通過翻轉(zhuǎn)課堂形式，將課程主動權交給學生，讓學生全程參與實驗背景調(diào)研、方案設計、實驗操作、數(shù)據(jù)分析及成果展示。科技創(chuàng)新實踐課程以課堂授課→實驗指導→成果匯報形式展開，在三個環(huán)節(jié)將分別培養(yǎng)學生查閱文獻獲取新知識及規(guī)范寫作科技文本的能力、實驗方案優(yōu)化及動手操作能力和團隊協(xié)作溝通表達能力。課程安排見表1所示。

（一）理論講授

傳統(tǒng)實驗教學的理論講授一般基于實驗原理展開，學生對于資料調(diào)研、實驗設計方法、文本撰寫規(guī)范缺乏系統(tǒng)的學習?？萍紕?chuàng)新實踐課程從基礎知識出發(fā)，向?qū)W生系統(tǒng)講授文獻查閱技巧，科技文獻的結構組成，項目申報書、實驗研究報告等文本的寫作規(guī)范、實驗數(shù)據(jù)收集和處理的方法等。在理論課授課后期教師將引導學生確定選題，課程將最大程度以學生為中心，保障學生根據(jù)研究興趣選定主題并分組，實驗以小組形式開展，每組3-5人。教師對各組分別進行實驗指導，由于小組間實驗主題與安排各不相同，能更大程度地保障儀器設備的使用需求，使每個學生都能獨立操作科研設備。

（二）實驗指導

創(chuàng)新實驗的實施過程與傳統(tǒng)實驗有很大差別，在各個環(huán)節(jié)都需要學生自主思考、設計、準備及開展實驗，因此，教師需要在教學過程中充分調(diào)動學生參與的積極性，并及時給予相應指導。首先是實驗方案的確定，由于本科生未接受過系統(tǒng)的科研訓練，根據(jù)文獻設計的實驗方案可能存在考慮不全面、風險不可控和可操作性不強等問題，教師必須結合學校實驗條件以及學生知識水平合理引導學生設計具有一定可行性的實驗方案;其次，在實驗開展過程中學生需全程參與，從儀器設備的調(diào)試，實驗試劑的配置、樣品的采集到實驗數(shù)據(jù)的測定都要由學生獨立完成，對于實驗中出現(xiàn)的問題也應由學生獨立思考、商討，允許學生試錯，教師只需簡單引導、把關，避免出現(xiàn)安全事故即可;最后，對于實驗數(shù)據(jù)的分析與結果的總結環(huán)節(jié)，在學生獨立處理的原則上教師應該更多的引導，讓學生思考數(shù)據(jù)背后的科學原理，而非僅僅停留在表面的數(shù)據(jù)分析，讓學生透過現(xiàn)象看到本質(zhì)，感受科學研究的魅力與實驗的樂趣。由于各實驗進度與周期存在差異，課程采取彈性時間，靈活指導，這要求教師能投入更多的精力進行授課工作。

（三）成果匯報

實驗完成后，教師指導小組成員協(xié)作完成研究報告。與傳統(tǒng)實驗報告形式不同，研究報告要求學生以科技論文形式撰寫，避免傳統(tǒng)的實驗報告流于形式，而學生難以從中鍛煉創(chuàng)新能力與科技論文寫作能力。除紙質(zhì)研究報告之外，研究成果還需以口頭匯報形式展示，匯報內(nèi)容涵蓋實驗背景、實驗設計、方案實施及結果分析各個環(huán)節(jié)，考察方式的多樣性也將促使小組內(nèi)分工協(xié)作，保證各個成員的參與度。匯報完畢后由其他小組提問，并組織探討，提高學生參與積極性，同時也鍛煉了學生的表達能力與交流能力。圖1為學生研究成果展示。

（四）課程考核

課程的考核方式為過程考試，以研究工作的開展過程來評定成績而不看重研究結果的好壞，允許學生失敗，允許學生試錯。評價指標包括課堂表現(xiàn)、實驗方案、實驗操作和實驗報告環(huán)節(jié)。其中，課堂表現(xiàn)占10%，實驗方案占30%，實驗操作占20%，成果匯報占30%，交流提問占10%。

四、課程預期目標

（一）學生達到的知識目標

掌握文獻查閱的方法、掌握項目申報書的寫作方法、掌握實驗數(shù)據(jù)收集和整理的方法、掌握實驗研究報告寫作方法。

（二）學生達到的能力目標

具有自主查閱文獻和獲取新知識，并在此基礎上獨立設計實驗方案的能力;具有正確獲取和處理實驗數(shù)據(jù)，并根據(jù)實驗結果優(yōu)化實驗方案的能力;具有閱讀研究文獻并規(guī)范撰寫研究報告的能力;具有團隊協(xié)作及溝通交流的能力。

五、科技創(chuàng)新實踐課程的思考

科技創(chuàng)新實踐課程的特點在于將課堂主動權完全交給學生，根據(jù)學生興趣追蹤環(huán)境工程領域國際熱點并提出問題，而后設計實驗并動手解決問題。其意義在于既能引導學生主動關注專業(yè)前沿問題，又能促使學生嘗試解決復雜的環(huán)境工程問題。該實踐課程以學生興趣為主導，能更好地調(diào)動學生參與熱情，同時學生全程參與實驗設計、操作與成果展示，彌補了傳統(tǒng)實驗教學對于學生綜合素質(zhì)訓練的不足。但目前，作者僅進行了一年的創(chuàng)新實踐課程探索，學生的實驗內(nèi)容主要關注前沿熱點研究，后續(xù)作者還將深入研究課程改革，將學生主導實驗課程的思路應用于傳統(tǒng)專業(yè)實驗教學，進一步提升專業(yè)人才培養(yǎng)水平，為培養(yǎng)我國環(huán)境領域應用型、創(chuàng)新型人才做貢獻。

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