基于成果導(dǎo)向理念的新工科實(shí)踐教學(xué)體系革新

徐世平 ， 李玉江 ， 岳欽艷 ， 王 燕 ， 石 巖 ， 高明明

(山東大學(xué)，環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 ， 山東 青島 266237)

0 前言

為培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，自2017年2月以來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)。在《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》中明確提出，要“推進(jìn)基于成果導(dǎo)向(OBE)的工科學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)，設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系，指導(dǎo)改革實(shí)踐”。成果導(dǎo)向教育(OBE)是一種強(qiáng)調(diào)基于學(xué)習(xí)成果的教育改革理念，其課程設(shè)計(jì)過(guò)程中要預(yù)先確定學(xué)習(xí)的結(jié)果，據(jù)此進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，并適時(shí)調(diào)整課程內(nèi)容，提供個(gè)性化學(xué)習(xí)指導(dǎo)和結(jié)果評(píng)定，以確保所有學(xué)生在學(xué)習(xí)結(jié)束后都能獲得諸如創(chuàng)新性思維能力、綜合分析能力、組織策劃能力等高階能力[1]。

環(huán)境工程學(xué)是環(huán)境專業(yè)本科生的專業(yè)核心課，該課程全面、系統(tǒng)地論述了環(huán)境工程學(xué)的基本理論、污染防治技術(shù)與控制工程及其發(fā)展趨勢(shì)。該課程的實(shí)踐教學(xué)效果直接影響到環(huán)境類學(xué)生的基礎(chǔ)理論水平、實(shí)際操作能力及解決復(fù)雜環(huán)境工程問(wèn)題的綜合能力。為強(qiáng)化學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的深入理解與實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)有環(huán)境工程學(xué)課程體系中通常包含多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)體系與教學(xué)模式不能滿足行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)的新形勢(shì)和新需求[1]。筆者從當(dāng)前新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)出發(fā)，引入OBE教育理念，對(duì)環(huán)境工程學(xué)實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行了多項(xiàng)改革與創(chuàng)新，并取得了良好的實(shí)踐教學(xué)效果。

1 環(huán)境工程學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系革新

筆者針對(duì)現(xiàn)有環(huán)境工程學(xué)實(shí)踐教學(xué)體系存在的問(wèn)題，分別從教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)模式和考核體系三個(gè)方面進(jìn)行了革新。

1.1 綜合型、創(chuàng)新型實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)

環(huán)境工程學(xué)知識(shí)體系不僅包括廢水、廢氣、廢渣等多種污染防治技術(shù)，還涵蓋了化學(xué)、水力學(xué)、生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科，是典型的多學(xué)科交叉課程，具有開(kāi)展多學(xué)科交叉教學(xué)的潛力。但目前該課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置仍然是單一污染體系“各自為政”，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容被嚴(yán)格劃分為水污染防治實(shí)驗(yàn)、氣體污染防治實(shí)驗(yàn)、以及固體廢物相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。各污染體系之間缺乏聯(lián)系，更不用說(shuō)學(xué)科交叉等綜合性培養(yǎng)模式的實(shí)施，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生處理具體環(huán)境問(wèn)題所需要的綜合能力。

按照創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，教師團(tuán)隊(duì)結(jié)合目前產(chǎn)業(yè)需求和科研前沿，精心挑選了多個(gè)與理論課相適配、工程實(shí)際相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。比如：①垃圾滲濾液的無(wú)害化處理實(shí)驗(yàn)，該選題融合了固廢處理與高濃度有機(jī)廢水處理兩大環(huán)保問(wèn)題，涉及化學(xué)、微生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科。②農(nóng)業(yè)廢棄物資源化制備活性炭，用于吸附可揮發(fā)性污染物實(shí)驗(yàn)。該選題涉及固廢資源化及氣態(tài)污染物處理等相關(guān)內(nèi)容。③海水養(yǎng)殖區(qū)低濃度抗生素的光催化降解實(shí)驗(yàn)。該選題錨定水體中低濃度、高毒性污染物的深度凈化，并成功引入了綠色低碳概念。通過(guò)提高綜合性、創(chuàng)新性實(shí)踐項(xiàng)目的數(shù)量比例，改變了以往驗(yàn)證性、示教性實(shí)驗(yàn)數(shù)目占比過(guò)高的情況，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)踐積極性，重點(diǎn)培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生解決實(shí)際環(huán)保問(wèn)題的綜合能力。

1.2 多層次、多維度實(shí)踐培養(yǎng)模式探索

在以教師為中心的投入導(dǎo)向型培養(yǎng)模式中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的深入理解為目標(biāo)，以教師演示的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，而缺乏擁有創(chuàng)新性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，沒(méi)有緊跟學(xué)科發(fā)展的步伐，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性較低，創(chuàng)新實(shí)踐能力差。針對(duì)這一現(xiàn)狀，教師團(tuán)隊(duì)積極引入成果導(dǎo)向理念，針對(duì)不同性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，探索出了靈活多樣的多層次培養(yǎng)方式，例如對(duì)于基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，以教師講授和示范為主，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作，以提高其操作的準(zhǔn)確性和規(guī)范性。在掌握了規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作基礎(chǔ)之上，針對(duì)目前環(huán)境領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)環(huán)保問(wèn)題，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)踐課題，綜合環(huán)境、化學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜環(huán)保問(wèn)題的能力。此外，根據(jù)學(xué)生興趣，開(kāi)設(shè)提高型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，不限定實(shí)踐題目與實(shí)驗(yàn)方案，利用翻轉(zhuǎn)課堂等多種形式，將學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)由教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，積極推動(dòng)教師從實(shí)驗(yàn)課程主導(dǎo)者向創(chuàng)新項(xiàng)目引路人的角色轉(zhuǎn)變?；诖耍⒘撕w基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、提高型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的多層次實(shí)踐培養(yǎng)體系，而培養(yǎng)模式也由內(nèi)容局限、單一示范向多層次、開(kāi)放式轉(zhuǎn)變。

此外，為了進(jìn)一步與產(chǎn)業(yè)需求和科研前沿相結(jié)合，積極引導(dǎo)鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自身的能力，挑戰(zhàn)更高的目標(biāo)，指導(dǎo)學(xué)生參加各類國(guó)家級(jí)、校級(jí)學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽項(xiàng)目，如“挑戰(zhàn)杯”科技學(xué)術(shù)競(jìng)賽、節(jié)能減排競(jìng)賽等。通過(guò)競(jìng)賽，不僅能加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并凝練行業(yè)共性問(wèn)題和需求，而且能強(qiáng)化創(chuàng)新性思維培養(yǎng)，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，形成了“實(shí)踐、研究、比賽”互動(dòng)的創(chuàng)新型實(shí)踐新模式。

1.3 多角度、全方位考核體系設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)學(xué)生成績(jī)的考核主要由考勤、實(shí)際操作和報(bào)告成績(jī)組成。指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的課前預(yù)習(xí)、上課表現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告對(duì)學(xué)生的實(shí)踐成績(jī)進(jìn)行打分，具有很強(qiáng)的個(gè)人主觀性以及局限性。當(dāng)學(xué)生人數(shù)較多時(shí)，指導(dǎo)教師往往無(wú)法對(duì)每位同學(xué)的實(shí)際操作進(jìn)行考核，學(xué)生只要被動(dòng)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，即可獲得成績(jī)。這種評(píng)價(jià)方式不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，容易讓學(xué)生產(chǎn)生懈怠情緒，而且也不能對(duì)學(xué)生的自學(xué)能力、數(shù)據(jù)分析、文案制作以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力進(jìn)行全方位的客觀評(píng)價(jià)[2]。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，教師團(tuán)隊(duì)建立了由“實(shí)驗(yàn)方案評(píng)估”“實(shí)驗(yàn)操作”以及“最終成果答辯”三個(gè)環(huán)節(jié)組成的考核評(píng)價(jià)體系，其中各環(huán)節(jié)成績(jī)包括小組互評(píng)及教師團(tuán)隊(duì)的綜合評(píng)議。通過(guò)該評(píng)價(jià)體系，可以對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的合理性、實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性和最終成果水平等進(jìn)行多方面評(píng)價(jià)，并強(qiáng)化了對(duì)學(xué)生自學(xué)、創(chuàng)新、實(shí)踐、文案撰寫、團(tuán)隊(duì)合作等能力的全方位評(píng)價(jià)。

2 實(shí)踐教學(xué)案例介紹

以垃圾滲濾液的無(wú)害化處理實(shí)驗(yàn)為例，教師團(tuán)隊(duì)首先在查閱大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，篩選了高級(jí)氧化技術(shù)中操作簡(jiǎn)單、效率高的光催化氧化以及Fenton技術(shù)為研究對(duì)象；設(shè)計(jì)出了垃圾滲濾液無(wú)害化處理實(shí)驗(yàn)框架，并結(jié)合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)與自身研究經(jīng)驗(yàn)；篩選出了影響處理效果的重要參數(shù)，比如溶液pH值、鐵離子濃度、光催化劑投加量等，并開(kāi)展了模擬實(shí)驗(yàn)?；诖?，編制了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。根據(jù)理論課時(shí)間安排，教師團(tuán)隊(duì)提前引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)垃圾滲濾液處理技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及主要的研究方法，并詳細(xì)介紹了光催化技術(shù)與Fenton工藝的工作原理以工藝特點(diǎn)，然后提出實(shí)驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容、目的和初步的實(shí)驗(yàn)思路?；诖耍瑢W(xué)生自行選擇實(shí)驗(yàn)題目，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容自行組建實(shí)驗(yàn)小組，在大量查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，配合以實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，提出了各小組的實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)參數(shù)。有的小組提出要構(gòu)建高晶度g-C3N4納米片以提高可見(jiàn)光催化效率，有的小組提出要利用電Fenton來(lái)實(shí)現(xiàn)Fe3+和Fe2+的循環(huán)利用，減少鐵泥的生成。經(jīng)與教師團(tuán)隊(duì)充分討論后，在充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上，確定了最終的實(shí)驗(yàn)與研究方案，并預(yù)想了實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的情況與問(wèn)題，以提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)預(yù)案。

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)并不是常規(guī)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟較多，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)用到強(qiáng)光源以及多種易碎的玻璃容器，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)的安全性要求更加嚴(yán)格。為了避免意外事件的發(fā)生，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，教學(xué)團(tuán)隊(duì)組織學(xué)生學(xué)習(xí)了實(shí)驗(yàn)室安全規(guī)范以及可能出現(xiàn)的意外事故的應(yīng)急處理方法，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室安全管理，做好開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備[3]。另外，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果不確定的探索性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)掘并分析實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問(wèn)題，積極應(yīng)對(duì)并最終完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力。實(shí)驗(yàn)后，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有針對(duì)性的撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并進(jìn)行最終成果答辯，提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力及文案撰寫能力。通過(guò)以上開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)新模式，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自行確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并進(jìn)行可行性分析，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，不僅拓展了學(xué)生對(duì)垃圾滲濾液處理技術(shù)的認(rèn)識(shí)與理解，而且強(qiáng)化了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、凝練問(wèn)題以及解決問(wèn)題的綜合能力。

該項(xiàng)目選題基于國(guó)際前沿研究成果，將垃圾滲濾液處理領(lǐng)域的前沿技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)要求引入到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，課題的篩選基于教學(xué)團(tuán)隊(duì)目前正在開(kāi)展的科研項(xiàng)目，充分發(fā)揮了教學(xué)團(tuán)隊(duì)的科研優(yōu)勢(shì)和研究基礎(chǔ)，重點(diǎn)培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力、合作溝通能力和問(wèn)題解決能力。相比于傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)更加具有科學(xué)研究性質(zhì)，小到設(shè)計(jì)表格，大到設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，全方位地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，而且在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，加深了學(xué)生對(duì)垃圾滲濾液性質(zhì)、處理難度和處理指標(biāo)的理解，提高了學(xué)生的基礎(chǔ)理論水平，很好地服務(wù)于本科教學(xué)任務(wù)。另外，在開(kāi)放式創(chuàng)新試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，組建了一支由本科生組成的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了《新型光催化氧化技術(shù)改進(jìn)污水處理工藝》研究。該項(xiàng)目充分發(fā)揮了團(tuán)隊(duì)成員的主觀能動(dòng)性，經(jīng)過(guò)選題、立項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)、答辯等多個(gè)環(huán)節(jié)的磨練，該項(xiàng)目最終榮獲了“山東大學(xué)第十一屆大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽”二等獎(jiǎng)和“第六屆”互聯(lián)網(wǎng)+“山東大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”優(yōu)勝獎(jiǎng)等?？梢钥闯?，通過(guò)該垃圾滲濾液無(wú)害化處理實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)實(shí)際的平穩(wěn)接軌，有利于實(shí)現(xiàn)“新工科”多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

在新工科背景下，為滿足綜合型、應(yīng)用型環(huán)保人才培養(yǎng)的要求，環(huán)境工程學(xué)實(shí)踐培養(yǎng)體系還有很大的創(chuàng)新空間，比如逐步開(kāi)放專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，突破傳統(tǒng)課堂空間的限制，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的延伸。另外，實(shí)踐內(nèi)容必須與時(shí)俱進(jìn)，將相關(guān)行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)的新概念、新技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)要求引入到實(shí)踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，實(shí)踐課題的篩選可以充分發(fā)揮教師團(tuán)隊(duì)的科研優(yōu)勢(shì)和研究基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)課堂實(shí)驗(yàn)、科學(xué)研究、學(xué)科競(jìng)賽的有機(jī)結(jié)合，以培養(yǎng)出富有自驅(qū)力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的多元化、創(chuàng)新性工程人才。