基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的環(huán)境工程原理課程教學(xué)改革與實(shí)踐

石鳳娟 段學(xué)軍 楊書申

摘 要：本研究針對(duì)環(huán)境工程原理課程在課程規(guī)劃、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)特色、教學(xué)形式及考核方式等方面存在的問題，分析課程改革的必要性，提出教學(xué)改革方案，即在充分體現(xiàn)環(huán)境工程學(xué)科特色的基礎(chǔ)上，科教結(jié)合，使教學(xué)內(nèi)容體系得到優(yōu)化;校企聯(lián)合，構(gòu)建新型教學(xué)模式;考核學(xué)生學(xué)習(xí)全過(guò)程。通過(guò)教學(xué)改革與實(shí)踐，學(xué)生可以在掌握環(huán)境工程原理基本理論和知識(shí)的基礎(chǔ)上，達(dá)到思維創(chuàng)新和能力培養(yǎng)的目的。

關(guān)鍵詞：環(huán)境工程原理;創(chuàng)新能力;教學(xué)改革

2015年11月5日，國(guó)務(wù)院發(fā)布《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》文件。文件圍繞“中國(guó)特色”“世界一流”的核心要求，在建設(shè)方面提出了“培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才”的任務(wù)，要“堅(jiān)持立德樹人，突出人才培養(yǎng)的核心地位，著力培養(yǎng)具有歷史使命感和社會(huì)責(zé)任心、富有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的各類創(chuàng)新型、應(yīng)用型、復(fù)合型優(yōu)秀人才”。同時(shí)，在改革方面提出要“實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)突破。加快推進(jìn)人才培養(yǎng)模式改革，推進(jìn)科教協(xié)同育人，完善高水平科研支撐拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制”?？梢?，“雙一流”建設(shè)的重要任務(wù)之一——拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)至關(guān)重要。課程作為大學(xué)教育的基本單元，是培養(yǎng)人才的核心要素。因此，課程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)能力是大學(xué)教師乃至一所大學(xué)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

一、環(huán)境工程原理課程教學(xué)的現(xiàn)狀分析

環(huán)境工程原理是我國(guó)高校環(huán)境學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究工業(yè)及生活排污治理技術(shù)中各單元過(guò)程的基本原理、典型設(shè)備的構(gòu)造與操作原理，以及各單元過(guò)程的設(shè)計(jì)計(jì)算。它以高等數(shù)學(xué)、物理、物理化學(xué)等為基礎(chǔ)課程。該課程不僅適用于環(huán)境治理工程，而且在化工、冶金、電子、醫(yī)藥、輕工、航空等行業(yè)也發(fā)揮著效能。在高校教學(xué)計(jì)劃中，環(huán)境工程原理是自然學(xué)科到應(yīng)用學(xué)科的橋梁。因此，對(duì)于環(huán)境工程專業(yè)而言，環(huán)境工程原理課程的規(guī)劃直接影響著專業(yè)學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展，其教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)提高學(xué)生綜合素質(zhì)、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標(biāo)意義重大。

目前，中原工學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)在環(huán)境工程原理課程的建設(shè)方面還存在著許多亟待改進(jìn)和改革之處，具體體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

（一）課程規(guī)劃

環(huán)境工程原理課程內(nèi)容雖多源于物理化學(xué)、生物化學(xué)及化工原理等課程，但這些學(xué)科的知識(shí)點(diǎn)并不能很好地反映環(huán)境工程學(xué)科本身的理論以及環(huán)境工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。因此，基于環(huán)境工程學(xué)科的專業(yè)需求特色，環(huán)境工程原理的教學(xué)規(guī)劃不能等同于以上三門學(xué)科的簡(jiǎn)單組合。

（二）教學(xué)內(nèi)容

中原工學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)選用的教材是清華大學(xué)胡洪營(yíng)教授主編的《環(huán)境工程原理》。該教材屬于國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材。在教學(xué)過(guò)程中，環(huán)境工程原理的教學(xué)內(nèi)容多局限于該教材，對(duì)相關(guān)相近學(xué)科知識(shí)并未涉及，這必然限制課程的發(fā)展更新及學(xué)生學(xué)術(shù)視野和思維的拓展。

（三）實(shí)驗(yàn)特色

現(xiàn)有的環(huán)境工程原理實(shí)驗(yàn)多以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主，以單一知識(shí)點(diǎn)為內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏綜合性、系統(tǒng)性和連續(xù)性。此類實(shí)驗(yàn)的設(shè)置不僅限制了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的融會(huì)貫通，而且也不利于創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)。

（四）教學(xué)形式

教學(xué)只限于在限定的時(shí)間內(nèi)在教室授課，一般是完全按照教材既定方案進(jìn)行課堂教學(xué)。此種教學(xué)形式不利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力。

（五）考核方式

在實(shí)施教改前，環(huán)境工程原理課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課，其考核方式為平時(shí)成績(jī)與期末成績(jī)相結(jié)合。平時(shí)成績(jī)由出勤率和作業(yè)成績(jī)構(gòu)成，作業(yè)內(nèi)容為章節(jié)后的練習(xí)題，平時(shí)成績(jī)占綜合成績(jī)的20%。期末成績(jī)即為試卷成績(jī)。單一的考核方式既不能全面考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，也不能體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程。

因此，擴(kuò)展教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)形式、開展多樣的學(xué)生學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)模式勢(shì)在必行。

二、環(huán)境工程原理課程教學(xué)改革實(shí)踐

（一）注重理論系統(tǒng)構(gòu)建，規(guī)劃知識(shí)模塊

作為環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程，環(huán)境工程原理與大氣污染控制工程、水污染控制工程及環(huán)境工程微生物學(xué)等研究方向及課程都密切相關(guān)，其知識(shí)源于物理化學(xué)、生物化學(xué)及化工原理的有機(jī)結(jié)合。在教材內(nèi)容的規(guī)劃上，環(huán)境工程原理更傾向于基本原理和理論在典型設(shè)備、典型工藝及環(huán)境工程中的應(yīng)用。因此，環(huán)境工程原理的課程規(guī)劃，不能完全參照以上三門學(xué)科的內(nèi)容，要以建設(shè)一流學(xué)科為目標(biāo)，在遵循該課程自身課程理念的基礎(chǔ)上，更多地體現(xiàn)學(xué)校本專業(yè)的學(xué)科特色，充分考慮后續(xù)專業(yè)課程的銜接性和延續(xù)性，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情及參與科研的積極性，培養(yǎng)并增強(qiáng)學(xué)生靈活運(yùn)用理論知識(shí)分析和解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新意識(shí)和能力。

因此，在教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃中，避免相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)，明確環(huán)境工程原理的教學(xué)內(nèi)容與重點(diǎn)難點(diǎn)，優(yōu)化課程教學(xué)體系格外重要。例如，熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、過(guò)濾、吸收、吸附、萃取等操作單元的基本原理及典型設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算等內(nèi)容在化工原理課程中為主要講授內(nèi)容，而環(huán)境工程原理則是針對(duì)知識(shí)體系規(guī)劃課程相關(guān)知識(shí)模塊。教學(xué)規(guī)劃中可以將相互聯(lián)系的知識(shí)點(diǎn)重新組合，使教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化。例如，選取基礎(chǔ)理論部分的質(zhì)量傳遞與分離過(guò)程原理的吸收、吸附及其他分離過(guò)程為模塊，該模塊的規(guī)劃突出體現(xiàn)了基本理論和操作單元實(shí)踐應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合。

（二）科教結(jié)合，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容體系

隨著環(huán)境工程中單元操作的新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，環(huán)境工程原理的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)及時(shí)更新。2012年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深化科技體制改革加快國(guó)家創(chuàng)新體系建設(shè)的意見》，強(qiáng)調(diào)要“大力推進(jìn)科技與教育相結(jié)合的改革，促進(jìn)科研與教學(xué)互動(dòng)、科研與人才培養(yǎng)緊密結(jié)合”。在環(huán)境工程原理教學(xué)實(shí)踐中，教師應(yīng)及時(shí)采用前沿科技成果優(yōu)化課程體系，更新教學(xué)內(nèi)容，及時(shí)了解環(huán)境工程領(lǐng)域科技發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)。例如，在膜分離教學(xué)過(guò)程中，將前沿海水淡化技術(shù)引入其中，不僅可以使學(xué)生了解膜分離的機(jī)理，掌握相關(guān)的分離理論，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的科研理念。將科技前沿理念應(yīng)用于理論教學(xué)中，可以開拓學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

（三）注重學(xué)科特色，增加探究性的科研實(shí)驗(yàn)

探究性實(shí)驗(yàn)提倡理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立思考和科學(xué)探索精神，有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和開拓創(chuàng)新能力。因此，環(huán)境工程原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容摒棄以往體現(xiàn)單一知識(shí)點(diǎn)與技術(shù)方法的實(shí)驗(yàn)，增加具有本學(xué)科特色的印染廢水處理綜合實(shí)驗(yàn)。例如，印染廢水中有機(jī)污染物對(duì)硝基苯酚的催化降解實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)不是要求學(xué)生按既定的催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而是要求學(xué)生通過(guò)分小組查閱中外文獻(xiàn)進(jìn)行歸納總結(jié)之后，制訂催化劑制備方案，經(jīng)教師審閱后再進(jìn)行催化劑的制備。從催化劑的制備、物化性質(zhì)表征到催化劑對(duì)污染物的催化活性評(píng)價(jià)，整個(gè)過(guò)程無(wú)一不是對(duì)學(xué)生動(dòng)手操作能力和科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。從教學(xué)反饋來(lái)看，學(xué)生制備的催化劑種類多樣、形態(tài)迥異、催化活性不佳。然而，該實(shí)驗(yàn)并不是為了驗(yàn)證某些原理或相關(guān)參數(shù)，制備出形貌規(guī)整、催化活性極佳的催化劑，而是為了給學(xué)生更多思考和創(chuàng)新的空間。

（四）校企聯(lián)合，構(gòu)建新型教學(xué)模式

環(huán)境工程專業(yè)以培養(yǎng)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域高級(jí)應(yīng)用型人才為目標(biāo)。學(xué)生須具備環(huán)境污染防治的基本技能，能夠在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域一線勝任污染控制工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行、管理、規(guī)劃、研發(fā)及環(huán)境評(píng)價(jià)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的工作。因此，在環(huán)境工程原理課程的教學(xué)中，教師應(yīng)以社會(huì)需求和培養(yǎng)目標(biāo)為基準(zhǔn)，加強(qiáng)校企聯(lián)合，充分利用社會(huì)資源，增加校外課堂，依托實(shí)習(xí)基地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)理論課堂和實(shí)踐課堂的相互融合。例如，帶領(lǐng)學(xué)生在鄭州雙橋污水處理廠和鄭州馬頭崗污水處理廠學(xué)習(xí)微生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行機(jī)理;帶領(lǐng)學(xué)生在鄭州垃圾填埋場(chǎng)基地現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)微濾、超濾及反滲透膜在滲濾液處理中應(yīng)用等。教學(xué)形式和場(chǎng)地的轉(zhuǎn)換，不僅使教學(xué)內(nèi)容更加豐富，還能使學(xué)生深刻理解理論、技術(shù)和工程應(yīng)用之間的融合。

（五）以學(xué)生為中心，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的全過(guò)程考核

教師改變“教師講，學(xué)生聽”的傳統(tǒng)教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑的精神，以探究性的課題引導(dǎo)學(xué)生組織研討;讓學(xué)生理解和掌握環(huán)境工程原理特色的思維方式，訓(xùn)練其創(chuàng)新性思維。教學(xué)過(guò)程應(yīng)實(shí)現(xiàn)考核常態(tài)化，形成過(guò)程考核，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)、任務(wù)、成果等方面的階段考核，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)全過(guò)程的考核。

課堂教學(xué)之前，教師應(yīng)設(shè)置貫穿獨(dú)立篇章的探索性問題。這些問題為遞進(jìn)關(guān)系，從學(xué)生熟悉的生活現(xiàn)象和基本理論出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)教材、查閱文獻(xiàn)、自主思考。例如，在環(huán)境工程原理的熱量傳遞章節(jié)的教學(xué)中，先設(shè)置問題：地暖和空調(diào)安裝位置為什么不同？?jī)烧邆鳠岬姆绞绞鞘裁矗康嘏涂照{(diào)如何傳熱？哪些因素可能影響傳熱效能？關(guān)于問題的回答和討論都以混合式教學(xué)的線上形式進(jìn)行。通過(guò)回答問題和討論，教師及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的理解程度，并對(duì)預(yù)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以調(diào)整課堂教學(xué)中重點(diǎn)難點(diǎn)的時(shí)間分配，提高課堂教學(xué)效率。這些環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)可以使學(xué)生積極主動(dòng)地參與教學(xué)過(guò)程，提高溝通交流的能力。

探究性教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用探究的方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，主動(dòng)獲取知識(shí)，從而培養(yǎng)學(xué)生積極探索創(chuàng)新的精神，提高科學(xué)探究能力。課堂教學(xué)從預(yù)習(xí)的問題出發(fā)，以探究的方式引入本章節(jié)的新知識(shí)點(diǎn)。課堂教學(xué)中，教師鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)言，通過(guò)師生對(duì)操作單元之間的內(nèi)在聯(lián)系的探討，激發(fā)學(xué)生的探索興趣。

為了培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新思維能力，教師除了可以依據(jù)課堂內(nèi)容設(shè)置基礎(chǔ)題檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，還可以開設(shè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)型課題，要求學(xué)生在課余時(shí)間完成。創(chuàng)新設(shè)計(jì)型課題只提出研究方向和目的，沒有具體的實(shí)驗(yàn)材料、操作步驟及相關(guān)數(shù)據(jù)等信息，學(xué)生需要查找文獻(xiàn)，經(jīng)歸納總結(jié)后制訂研究方案。這一過(guò)程的考核包括基礎(chǔ)和創(chuàng)新兩部分。教師根據(jù)基礎(chǔ)題的對(duì)錯(cuò)及研究方案的完整性和可行性分析對(duì)成績(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)。教學(xué)反饋的結(jié)果表明，這種教學(xué)方法實(shí)施后，部分學(xué)生學(xué)會(huì)了進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究方案的可行性。盡管得到的結(jié)論不合邏輯甚至違反了科學(xué)定理和定律，但實(shí)驗(yàn)無(wú)論成功還是失敗，該教學(xué)方法對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、加深其對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握、提高學(xué)生的科研創(chuàng)新能力大有裨益。目前，環(huán)境工程原理課程的考核形式仍為平時(shí)成績(jī)與期末成績(jī)相結(jié)合的方式。但平時(shí)成績(jī)改為由預(yù)習(xí)與討論、課題創(chuàng)新、作業(yè)和階段測(cè)試四部分構(gòu)成，平時(shí)成績(jī)?cè)诰C合成績(jī)中的占比由原來(lái)的20%提升到50%。期末成績(jī)占綜合成績(jī)的50%，期末考試的內(nèi)容著重考察學(xué)生利用環(huán)境工程原理對(duì)環(huán)境工程中的復(fù)雜問題進(jìn)行分析的能力。

通過(guò)對(duì)環(huán)境工程原理課程的教學(xué)改革，教師積極引導(dǎo)、支持和鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)科研創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。目前，一些學(xué)生已在校級(jí)和省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃中取得優(yōu)異成績(jī)。

在“雙一流”建設(shè)背景下，環(huán)境工程原理課程在建設(shè)一流課程方向上進(jìn)行課程內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式等方面的教學(xué)改革，不僅提高了教師的教學(xué)技能和質(zhì)量，而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

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責(zé)編：艾 和