新工科背景下大氣污染控制領(lǐng)域創(chuàng)新與實踐復(fù)合型人才培養(yǎng)模式探索

王婷 史國良 畢曉輝 田瑛澤 孫妍 徐準

摘 ?要：近幾十年來，我國在大氣污染控制和空氣質(zhì)量管理方面做了大量的工作并取得了顯著成效，但是很多問題的難度和復(fù)雜性遠遠超出目前人類的科學(xué)認知和技術(shù)水平，使用傳統(tǒng)工學(xué)的技術(shù)方法恐難以滿足復(fù)雜多變的大氣污染治理現(xiàn)狀。為應(yīng)對新的挑戰(zhàn)，教育部積極推進新工科建設(shè)，致力于培養(yǎng)面向未來的多元化、創(chuàng)新型卓越人才。為此，首先立足根基，通過完善課程體系建設(shè)，為學(xué)生建立大氣污染控制領(lǐng)域問題導(dǎo)向、目標引領(lǐng)、全程控制、精準施策的系統(tǒng)知識體系。此外，將教學(xué)育人與科研育人相結(jié)合，提高學(xué)生對領(lǐng)域前沿的敏感性。積極鼓勵學(xué)生利用課堂講授的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維進行創(chuàng)新性成果轉(zhuǎn)化，發(fā)表論文、獲得獎勵、申請課題等。進而指導(dǎo)學(xué)生作為“學(xué)術(shù)帶頭人”申請科研項目或參與國家重大研究項目，促進實踐出真知，提升學(xué)生實踐能力。通過多元化多舉措并行，不僅夯實了學(xué)生的專業(yè)知識，更從理論創(chuàng)新、技術(shù)研發(fā)、社會實踐等多角度對學(xué)生進行全過程培養(yǎng)，建立了具有環(huán)境新工科特色的大氣污染防治領(lǐng)域創(chuàng)新與實踐復(fù)合型人才的培養(yǎng)體系。

關(guān)鍵詞：新工科;大氣污染控制;創(chuàng)新;實踐;人才培養(yǎng)

中圖分類號：C961 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0143-04

Abstract： In recent decades， lots of measures have been implemented on air pollution control and air quality management and achieved remarkable results in our country. However， there are still many the difficult and complex problems far beyond the current human scientific cognition and technical level. Application of traditional engineering technical methods might be difficult to meet the complex and changeable air pollution control situation. To face the new challenges， the Ministry of Education vigorously promotes the construction of new engineering education， aiming to cultivating future-oriented outstanding talents with diversification and innovation. For this purpose， a systematic knowledge system of problem orientation， goal guidance， whole-process control and accurate measure was established for students based on the foundation and through the improvement of curriculum system construction. Furthermore， the teaching education and scientific research education were combined， which will improve sensitivity of students to the forefront of the field. In addition， actively encourage students to use the theoretical knowledge taught in the classroom and cultivate students' innovative thinking to develop innovative outcomes， including paper publication， awards acquisition， funding application， etc. Moreover， guide students to apply as academic leaders for application of scientific research projects or participation in major national scientific research projects， which could promote students to acquire genuine knowledge from practice and improve the practical ability. The diversified measures in parallel could consolidate the professional knowledge of students， and further cultivate students from multiple angles in the whole process through the theoretical innovation， technology research and development， social practice， and so on aiming to establish the cultivation system for innovative and practical interdisciplinary talents with new engineering features in air pollution control field.

Keywords： new engineering; air pollution control; innovation; practice; talent cultivation

地球是人類賴以生存的家園，隨著現(xiàn)代工業(yè)文明的快速發(fā)展，人類賴以生存的環(huán)境正在受到前所未有的挑戰(zhàn)，形形色色的污染物排放到環(huán)境中，與水體、土壤、大氣形成復(fù)雜的混合體，在地球化學(xué)反應(yīng)和環(huán)境生物的共同作用下，污染物不斷變化，對環(huán)境造成了巨大的破壞。空氣作為維持人類正常生活的必要物質(zhì)，空氣質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到人類的生存居住環(huán)境，近幾十年來，我國大氣污染形勢嚴峻，大氣環(huán)境保護事關(guān)人民群眾根本利益，事關(guān)經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展，事關(guān)全面建成小康社會，事關(guān)實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢[1]。但是，我國大氣污染呈現(xiàn)區(qū)域性復(fù)合型污染的復(fù)雜特點，大氣污染的來源多、污染的因子多、污染的成因復(fù)雜[2-3]。從《大氣污染防治行動計劃》《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》到“十四五”期間全面改善空氣質(zhì)量行動計劃，近期，國務(wù)院再次提出深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)，強調(diào)要著力以更高標準打好藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，推動高質(zhì)量發(fā)展、創(chuàng)造高品質(zhì)生活。大氣污染治理工作任重道遠，難度和復(fù)雜性遠遠超出目前人類的科學(xué)認知和技術(shù)水平，使用傳統(tǒng)工學(xué)的技術(shù)方法恐難以勝任復(fù)雜多變的大氣污染治理現(xiàn)狀。

近年來，為應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，主動服務(wù)國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展等重大戰(zhàn)略實施，加快工程教育改革創(chuàng)新，培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，教育部積極推進新工科建設(shè)[4]。新工科教育致力于培養(yǎng)面向未來的多元化、創(chuàng)新型卓越人才，以開拓的精神，打破固有的學(xué)科壁壘，強化實踐訓(xùn)練，以應(yīng)對紛繁復(fù)雜的大氣污染防治新形勢、國家戰(zhàn)略發(fā)展和人才培養(yǎng)的新需求。我校環(huán)境工程專業(yè)作為學(xué)校首個通過工程教育認證的工科專業(yè)，在教學(xué)工作中堅持貫徹“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進”的教育理念，主動對標《華盛頓協(xié)議》和中國工程教育認證標準要求，在新工科建設(shè)的大背景下，力爭通過不斷完善課程體系、深化課堂改革，依托高校培養(yǎng)高科技人才，提升專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，走向高等教育強國之路[5]。

一、課程體系建設(shè)

環(huán)境工程學(xué)主要針對的是環(huán)境中以水、土、氣、固廢為介質(zhì)的污染治理研究，大氣污染控制工程課程是從事大氣污染防治領(lǐng)域研究的環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生的必修專業(yè)課程。傳統(tǒng)的課程體系側(cè)重于大氣污染物的種類、擴散機制和其主要來源鍋爐的煙氣后處理技術(shù)的逐一講述。而隨著幾十年來我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、交通運輸結(jié)構(gòu)等的調(diào)整和優(yōu)化，大氣污染控制和空氣質(zhì)量管理手段已發(fā)生翻天覆地的變化[2]。作為人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)，為配合創(chuàng)新與實踐復(fù)合型大氣污染控制人才的要求，課程體系和課程理念勢必與時俱進，本課程在基礎(chǔ)知識上形成新的架構(gòu)，形成了從大氣污染物的產(chǎn)生和污染特征至大氣污染控制技術(shù)與手段的從源到匯的完整知識體系。即首先解決大氣污染物“是什么”的問題，從污染物種類、理化性質(zhì)和產(chǎn)生來源夯實專業(yè)基礎(chǔ)知識;繼而，通過系統(tǒng)講述大氣污染物的源解析技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生對污染物精準溯源的能力，解決“從哪兒來”的問題;進而，對于各污染源有針對性地介紹采樣及分析技術(shù)，并根據(jù)本領(lǐng)域研究前沿逐年更新教學(xué)內(nèi)容，為今后科研或工作中解決實際問題提供方法學(xué)依據(jù)，解決大氣污染物“有多少”的問題;最后，講述各類污染源的污染物排放控制工程技術(shù)，既包括傳統(tǒng)的成熟的技術(shù)手段，又不斷更新新技術(shù)與新對策，培養(yǎng)能解決實際工程問題的專業(yè)人才，解決“怎么辦”的問題。為學(xué)生建立大氣污染控制領(lǐng)域問題導(dǎo)向、目標引領(lǐng)、全程控制、精準施策的系統(tǒng)知識體系。學(xué)生通過系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)，對本領(lǐng)域?qū)I(yè)知識得到一定的積累，目前已在Science of the Total Environment等領(lǐng)域內(nèi)高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表大氣顆粒物源解析方面的綜述文章。

二、領(lǐng)域前沿引領(lǐng)

在課程教學(xué)過程中，教學(xué)團隊將科研育人與教學(xué)育人相結(jié)合，以科研反哺教學(xué)的形式，將科學(xué)研究的最新成果編入教材，引領(lǐng)本領(lǐng)域研究前沿，豐富了課程內(nèi)容。例如，課程組梳理了大氣顆粒物來源解析研究的國內(nèi)外最新研究進展，編著了英文教材Recent Development of Receptor Model for Ambient Particulate Matter Source Apportionment，系統(tǒng)全面地介紹了大氣顆粒物源解析技術(shù)的基礎(chǔ)理論和發(fā)展歷程，對源解析技術(shù)的方法學(xué)及其應(yīng)用案例進行了詳細闡述，并對復(fù)合受體模型、來向解析等一些較新的大氣顆粒物來源解析技術(shù)和最新國內(nèi)外研究進展進行梳理，為學(xué)生建立完整的大氣顆粒物源解析理論與實踐知識體系，該書作為授課教材之一，使學(xué)生更清晰地了解當(dāng)前領(lǐng)域科學(xué)研究的最新成果，開拓學(xué)生眼界，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。

大氣污染復(fù)雜多變，存在多污染物共存、新舊污染問題交織、傳統(tǒng)與新型污染源貢獻多變等問題，大氣污染控制技術(shù)亦飛速發(fā)展，日新月異，這些都要求大氣污染控制工作者具有敏銳的嗅覺，采用更加科學(xué)先進的技術(shù)手段進行精準防控，大氣污染控制教學(xué)內(nèi)容需重視實效性與前沿性。為此，課程組每年修訂課程教學(xué)內(nèi)容，立足國內(nèi)外污染現(xiàn)狀，放眼領(lǐng)域最新研究成果。課程組成員由專業(yè)從事大氣污染控制領(lǐng)域研究的教師組成，主持和參與國家級、省部級和地方級科研項目，在本領(lǐng)域頂尖期刊發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文，獲省部級以上多項科研獎勵，具有較強的領(lǐng)域前沿敏銳性和研究經(jīng)驗。因此，課程內(nèi)容從傳統(tǒng)污染物的新污染問題、新型污染物的污染特征、新污染源識別、先進采樣與分析技術(shù)到前沿污染控制與后處理技術(shù)發(fā)展，全面覆蓋大氣污染控制領(lǐng)域研究內(nèi)容，引領(lǐng)前沿，讓學(xué)生在課堂上盡可能地接觸本領(lǐng)域前沿理論與技術(shù)，努力實現(xiàn)從課堂到工作實踐的“無縫銜接”，滿足未來大氣污染控制工作一線的需求。

三、創(chuàng)新思維培養(yǎng)

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力，已經(jīng)成為全社會的共識[6]。習(xí)近平總書記也再三強調(diào)，“誰牽住了科技創(chuàng)新這個‘牛鼻子’，誰走好了科技創(chuàng)新這步先手棋，誰就能占領(lǐng)先機、贏得優(yōu)勢”[7]，“加強創(chuàng)新人才教育培養(yǎng)……要把教育擺在更加重要位置，全面提高教育質(zhì)量，注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力”[8]。這都為創(chuàng)新教育注入了新的動力和提出了更高的要求。為此，課程組將傳統(tǒng)教學(xué)方式與多元教學(xué)模式相結(jié)合。在傳統(tǒng)教學(xué)方法的基礎(chǔ)上，補充了最新的教學(xué)手段，豐富了課堂的教學(xué)內(nèi)容。例如，在課堂上，通過講解、演示、示范等可視化手段講授大氣污染控制理論與技術(shù)涉及的新模型、技術(shù)和方法，使學(xué)生更直觀地了解其理論內(nèi)涵、適用范圍和應(yīng)用效果。在課堂、課后指導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，進一步熟悉和使用課堂講授的模型和軟件，并通過學(xué)術(shù)研討會的方式，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維，使學(xué)生更深層次地熟練了解和掌握最新的技術(shù)手段。鼓勵學(xué)生利用課堂講授的理論知識，進行創(chuàng)新性成果轉(zhuǎn)化，多名研究生已撰寫論文，并以第一作者身份發(fā)表在領(lǐng)域內(nèi)頂尖學(xué)術(shù)期刊上，例如學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)受體模型源解析技術(shù)，將其應(yīng)用于科研工作中，成果發(fā)表于Environment Science & Technology等本領(lǐng)域高水平學(xué)術(shù)期刊上;多名研究生獲得國家獎學(xué)金、南開大學(xué)一等獎學(xué)金等;研究生多次主持、申請科研項目及課題，多次獲創(chuàng)新項目立項，例如在課程組教師的指導(dǎo)下，研究生獲得多項南開大學(xué)“知行南開”研究生創(chuàng)新能力提升計劃項目立項，研究內(nèi)容包括大氣降塵污染特征及來源解析研究、機動車排放清單的構(gòu)建等，部分項目獲得優(yōu)秀項目獎。這些舉措極大地促進了學(xué)生的創(chuàng)新思維培養(yǎng)和科研主人翁意識。

四、專業(yè)實踐培訓(xùn)

將教學(xué)育人、科研育人、實踐育人相結(jié)合，以教學(xué)促科研，教學(xué)成果提升科研思維，培養(yǎng)科研實踐人才。實踐是方法論的客觀標準，脫離實踐，再好的理論都是空談。因此，課程組在課程講授關(guān)于大氣污染控制的理論、技術(shù)與方法基礎(chǔ)上，積極鼓勵學(xué)生參與國家大氣污染防治工作。例如，鼓勵學(xué)生作為“學(xué)術(shù)帶頭人”申請科研項目，多名學(xué)生作為主持人獲學(xué)校創(chuàng)新項目立項，學(xué)生通過撰寫項目申請書、設(shè)計研究方案、組織項目執(zhí)行、參與項目答辯等過程，將理論知識極大地應(yīng)用于實踐，且從實踐過程中發(fā)現(xiàn)個人理論知識的不足和短板，通過與教師討論和查閱文獻等方式，拓寬和加深了領(lǐng)域相關(guān)知識的廣度與深度，部分項目完成后獲得優(yōu)秀項目獎勵，學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研積極性與自信心也得到了有效提升。此外，指導(dǎo)學(xué)生參與學(xué)院相關(guān)研究方向教師的科研課題，例如將空氣污染控制技術(shù)應(yīng)用在京津冀周邊空氣污染來源及成因分析等研究課題上，綜合利用受體模型、排放源清單等源解析技術(shù)分析了京津冀及周邊區(qū)域的空氣污染來源及對顆粒物的貢獻，及參與山西省晉中市等地區(qū)大氣顆粒物來源解析工作，幫助環(huán)境管理部門找到了污染成因和主要來源，實踐工作受到了管理部門的肯定;所建立的污染物溯源及預(yù)警技術(shù)，多次獲得省部級獎項和專利授權(quán);協(xié)助監(jiān)測部門開展京津冀及周邊地區(qū)大氣顆粒物組分網(wǎng)手工監(jiān)測、模型計算工作，所建立的源解析新技術(shù)應(yīng)用在國家大氣重污染攻關(guān)防治研究工作上，為我國大氣污染防治貢獻了力量。正所謂紙上談兵不如躬行實踐，研究生參加實踐工作，解決了實際中的大氣污染控制問題，學(xué)術(shù)能力和實踐能力均得到提高，學(xué)生的愛國情懷得到了提升，主人翁意識得到了樹立，科技報國的理念得到了培養(yǎng)，日后將成為國家大氣污染控制領(lǐng)域?qū)I(yè)的創(chuàng)新實踐復(fù)合型人才。

五、結(jié)束語

綜上所述，在新工科建設(shè)的背景下，為建設(shè)美麗中國，加強生態(tài)文明建設(shè)，堅決響應(yīng)國務(wù)院深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的號召，培養(yǎng)可應(yīng)對復(fù)雜多變的大氣污染形勢的大氣污染控制專業(yè)人才。在學(xué)生培養(yǎng)過程中，通過多元化多舉措并行，在提升了學(xué)生對專業(yè)理論的綜合認知基礎(chǔ)上，從理論創(chuàng)新（發(fā)表論文）、技術(shù)研發(fā)（獲得授權(quán)專利）、社會實踐（服務(wù)國家）等多角度對學(xué)生進行全過程培養(yǎng)。近兩年的復(fù)合培養(yǎng)模式探索下，學(xué)生綜合素質(zhì)得到大幅度提升，獲得多項國家級獎學(xué)金、主持校級科研項目、發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文、參與國家級項目和政府決策，并在綜合實踐的過程中對所學(xué)基礎(chǔ)知識進行實踐、對本領(lǐng)域科學(xué)前沿有了更深的了解、創(chuàng)新思維能力得到大幅度提升。這些成果與進步說明具有環(huán)境新工科特色的大氣污染防治領(lǐng)域創(chuàng)新和實踐的復(fù)合型人才培養(yǎng)體系的有效性，在今后的教學(xué)中進行持續(xù)維持與不斷改進，必將為國家輸送大氣污染控制領(lǐng)域復(fù)合型高素質(zhì)人才，為實現(xiàn)建設(shè)人與自然共生的美麗中國的目標而努力。

參考文獻：

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