基于國際科考的環(huán)境專業(yè)實踐教學(xué)探索與實踐

李 梅，蔣麗娟，顧雪元，季 榮，周 慶

（南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，環(huán)境科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心（南京大學(xué)），南京 210023）

0 引 言

目前，環(huán)境問題日益全球化，而建設(shè)美麗中國始終是我們的追求目標。如何培養(yǎng)具備國際化視野、突出創(chuàng)新思維、卓越實踐能力和多學(xué)科交叉的環(huán)境類新工科復(fù)合型人才，是對深化環(huán)境專業(yè)本科人才培養(yǎng)體系改革和發(fā)展提出的又一大挑戰(zhàn)。2021 年4 月，習(xí)近平考察清華大學(xué)時強調(diào)，要打破學(xué)科專業(yè)壁壘，推進新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)，加快培養(yǎng)緊缺人才；要加強國際交流合作，主動搭建中外教育文化友好交往的合作平臺，共同應(yīng)對全球性挑戰(zhàn)。在新工科背景下堅持多學(xué)科交叉和開放合作的實踐教學(xué)模式，是環(huán)境專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的新要求［1-2］。

1 環(huán)境學(xué)科的國際化實踐教學(xué)改革

國際化實踐教學(xué)模式作為人才培養(yǎng)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可發(fā)揮培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、提升學(xué)生創(chuàng)新思維、拓展學(xué)生國際視野等多重作用［3-4］，是我校在新時期堅持實踐教學(xué)、全面育人的重要載體。我校環(huán)境學(xué)院多年來堅持從院系特色出發(fā)，依托全球優(yōu)質(zhì)教育資源，積極創(chuàng)造條件，為學(xué)生提供參與專業(yè)實踐、接受引導(dǎo)性科研訓(xùn)練的機會［5-6］。結(jié)合學(xué)科特點，學(xué)院于2019 年首次開展“萊茵河流域生態(tài)環(huán)境國際科考與科研訓(xùn)練”項目，以國際科考為平臺，開展綜合性、跨學(xué)科、研究性的科研訓(xùn)練，為學(xué)生創(chuàng)造融入國內(nèi)外一流教研機構(gòu)、公共組織和實踐平臺的學(xué)習(xí)機會，營造開放、自主的成長氛圍；同時，這也為培養(yǎng)以創(chuàng)新實踐能力為導(dǎo)向的專業(yè)、跨界和綜合型新工科人才提供了豐厚土壤。

2 以學(xué)科交叉為特色的項目知識結(jié)構(gòu)設(shè)計

萊茵河全長1 230 km，流經(jīng)6 個國家，流域面積22 萬km2，流域人口6 100 萬。作為歐洲的“父親河”，其流域管理作為成功案例對全球流域治理意義深遠，是開展教學(xué)和創(chuàng)新研究的天然實驗室［7］。我校依托與萊茵河沿線國家高校的良好交流合作基礎(chǔ)，設(shè)立了“萊茵河流域生態(tài)環(huán)境科考與國際訓(xùn)練項目”，為學(xué)生們提供科研訓(xùn)練和實踐的國際化平臺?？瓶柬椖恐饕嫦蛭倚－h(huán)境學(xué)院已完成環(huán)境專業(yè)基礎(chǔ)課程及環(huán)境化學(xué)實驗和污染生態(tài)學(xué)實驗等實驗課程的本科二、三年級學(xué)生，幫助他們在具備理論知識儲備和實驗技能基礎(chǔ)上，整合提高已有知識能力，盡早參與到國際化的科研實踐訓(xùn)練中去。

為提升環(huán)境專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，實踐項目融合環(huán)境、水文、化學(xué)、管理等多學(xué)科專業(yè)內(nèi)容，為學(xué)生提供交叉復(fù)合型知識。項目制訂了科考指導(dǎo)手冊，內(nèi)容包括萊茵河地理基本情況、水文特征和水生種群分布、環(huán)境保護和污染控制政策、水質(zhì)監(jiān)測和污染處理方法等，據(jù)此各專業(yè)小組完成選題、匯報和修改定稿，使科考更具目的性。帶著明確目標出發(fā)，將更有利于學(xué)生在科考中主動發(fā)現(xiàn)問題、探索問題。科考期間，及時更新日志及推文，每日匯總實地考察數(shù)據(jù)并討論，記錄科考情況并動態(tài)調(diào)整進度安排；科考結(jié)束后，以小組形式高質(zhì)量完成項目成果的總結(jié)和匯報，制作視頻并匯編手冊，為后續(xù)的科考接力留下珍貴資料（見圖1）。

圖1 2019年暑期萊茵河流域科考方案

3 以沉浸式體驗為手段的實踐資源供給

科考團于2019 年4 月由3 位老師、21 名本科生和1 名“飛越計劃”選拔的中學(xué)生正式組成，并邀請瑞士西北應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)（University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland，F(xiàn)HNW）生態(tài)創(chuàng)業(yè)研究所所長Philippe Corvini教授和德國利奧波第那（Leopoldina）國家科學(xué)院院士、康斯坦茨大學(xué)（Konstanz University）Bernhard Schink教授牽頭參與指導(dǎo)。除本專業(yè)主力軍外，科考團還包括了與環(huán)境領(lǐng)域密切相關(guān)的地球科學(xué)與工程學(xué)院、地理與海洋科學(xué)學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院、化學(xué)化工學(xué)院的多名本科生。隊員具備了理、工、文多學(xué)科交叉背景與視野，既能獨立開展工作，又可實現(xiàn)多學(xué)科背景的團隊合作。出發(fā)前，團隊已接受了全面的知識培訓(xùn)和技能強化，包括相關(guān)儀器設(shè)備使用培訓(xùn)、野外實地考察培訓(xùn)等，并在對長江入江口及其下游九鄉(xiāng)河實地水樣采集和水質(zhì)檢測分析實踐活動中得以磨合，實現(xiàn)了優(yōu)化分工、改進方案、提升效率的目標。

科考項目在萊茵河流域設(shè)計了20 多個生態(tài)環(huán)境考察點位（見圖2），覆蓋從上游到下游全流域，為學(xué)生提供了“沉浸式”考察萊茵河全流域生態(tài)環(huán)境的機會。自上游康斯坦茨（Konstanz）出發(fā)，途徑巴塞爾（Basel）、路德維希港（Ludwigshafen）、美茵茨（Mainz）、科布倫茨（Koblenz）、科隆（K?ln）、杜塞爾多夫（Düsseldorf）、杜伊斯堡（Duisburg）和艾默里奇（Emmerich）等地，團隊在15 天內(nèi)跨越了3 個國家11個城市，歷經(jīng)600 余km，采集預(yù)設(shè)點位的水體、生物和底泥樣品。不僅在現(xiàn)場測定了pH 值、氮、磷、生化需氧量、透明度和濁度等水質(zhì)基礎(chǔ)指標，還在康斯坦茨大學(xué)實驗室觀察了水樣中微生物形態(tài)、密度等生物指標，并在FHNW 大學(xué)實驗室采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀分析了水樣中重金屬含量。同時科考團還考察了多個研究機構(gòu)，并實地參觀了多處現(xiàn)場，如位于德國、法國和瑞士3 國交界的萊茵河水質(zhì)監(jiān)測站，基于土地處理法（過濾后的萊茵河水周期性注入森林地表，二次處理后作為地下水補充）的飲用水處理廠，集生活污水、工業(yè)廢水處理和污泥焚燒于一體的ProRheno AG污水處理廠（https：／ ／www.prorheno.ch／home），以及配備有遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)的ARA Birs 污水處理廠（http：／ ／www.aib.bl.ch／）等（見圖3）?？瓶紙F隊教師引導(dǎo)學(xué)生通過10 年監(jiān)測數(shù)據(jù)來對比長江和萊茵河的水質(zhì)變化趨勢，并通過開展萊茵河流域和長江流域的比較研究，探討了兩者在污水處理技術(shù)與理念方面的差異，梳理總結(jié)了西歐環(huán)境治理經(jīng)驗及其對我國重點流域治理的啟示。學(xué)生們在激烈的討論中，結(jié)合歐洲“父親河”萊茵河與我國“母親河”長江相關(guān)的流域知識，從兩者的水質(zhì)水文情況、環(huán)境管理政策、水體處理工藝等方面進行比較，在理清萊茵河流域污染與治理歷程的基礎(chǔ)上，逐漸認識到流域內(nèi)不同國家通力合作開展環(huán)境治理的重要性，進一步鞏固和驗證了水環(huán)境污染治理的理論知識，在此基礎(chǔ)上對長江流域的環(huán)境治理進行了深入思考。

圖2 2019年暑期萊茵河科考路線圖

圖3 參觀污水處理廠

4 面向?qū)W科前沿的國際學(xué)術(shù)交流與培訓(xùn)

科考參與者需要具備一定的國際視野，以理解和尊重世界不同文化的差異性和多樣性［8］。面向世界培養(yǎng)具有廣闊國際視角、人類命運共同體環(huán)境治理格局的人才，是我國未來深入?yún)⑴c國際交流的關(guān)鍵［9］。為了讓學(xué)生充分了解環(huán)境領(lǐng)域的國際發(fā)展趨勢與研究熱點，科考項目還組織策劃了對瑞士FHNW 大學(xué)、德國康斯坦茨大學(xué)、科隆大學(xué)生物中心（Biocentre，University K?ln）及亞琛工業(yè)大學(xué)（RWTH Aachen University）等5 所知名學(xué)府的參觀考察，并邀請相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者進行6 場學(xué)術(shù)講座（見圖4），為學(xué)生提供了環(huán)境領(lǐng)域國際研究前沿知識培訓(xùn)。

圖4 聆聽專家講座

國內(nèi)外學(xué)者之間的積極互動是使相關(guān)學(xué)術(shù)活動和學(xué)術(shù)研究活躍的重要因素和必要條件。國際科考可以作為學(xué)術(shù)深度合作的鋪墊和過渡，而國際化的語言表達能力和跨國界的高效溝通能力，對獲取考察區(qū)域科研部門的支持和自身的科考收益至關(guān)重要，是推動科學(xué)考察順利進行的基礎(chǔ)［10］。為此，整個科考團隊在出發(fā)前組織學(xué)習(xí)了大量的專業(yè)相關(guān)詞匯和語法，以應(yīng)對國外科考中可能遇到的問題?？紤]到語言是未來科學(xué)考察和研究工作開展過程中的關(guān)鍵問題，因而在萊茵河科考全程皆要求隊員以英文進行日常交流，覆蓋團隊內(nèi)部溝通、定期數(shù)據(jù)匯報、想法碰撞以及科學(xué)研究的整個過程。這不僅有效破解了語言障礙問題，學(xué)生的國際交流水平也得到了極大的提升。在與外籍教授的交流過程中，學(xué)生們對答如流，也常令教授們豎起拇指贊嘆。

在康斯坦茨期間，Schink 教授熱情地介紹了當?shù)氐牟┑呛↙ake Constance）在1960 代曾面臨過的水華危機。由于生活污水、農(nóng)業(yè)污水和工業(yè)廢水的大量排放，及當?shù)仞B(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，湖中營養(yǎng)元素比例不協(xié)調(diào)，磷元素比例過高，最終導(dǎo)致藍藻迅速爆發(fā)。不僅遮擋了照射進湖中的光線，消耗了大量湖中氧氣，還釋放出有毒物質(zhì)，種種惡化使博登湖無法作為飲用水源供給，甚至無法作為旅游景點供游客參觀。在此背景下，德國、瑞士和奧地利3 國針對該區(qū)域聯(lián)合立法，當?shù)孛癖姺e極配合。最終，在多方共同努力下，博登湖水中的磷含量降低到了10 μg／L以下，水華得到了有效治理，博登湖的生態(tài)價值也恢復(fù)如初。課堂上，學(xué)生們針對水體氮磷污染何者主導(dǎo)水華危機等問題與Schink 教授展開了高效而熱烈的討論；還登上科考船在Schink教授指導(dǎo)下對博登湖不同深度水體與底泥采樣和比較，并在康斯坦茨大學(xué)微生物實驗室觀察了樣品中的浮游生物（見圖5）。

圖5 跟隨科考船在博登湖生態(tài)考察

5 應(yīng)對疫情與“云科考”

突如其來的新冠疫情打亂了高校正常課堂教學(xué)，也打亂了后續(xù)的科考活動，因而如何有效開展基于線上實踐教學(xué)的國際科考活動成為疫情期間首要關(guān)注問題。相對理論課的在線教學(xué)活動，“云”科考集中于解決和弱化線上與線下實踐教學(xué)的差異性，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)互作的能動性，可將科考成果以在線直播和視頻分享的形式惠及更多人群，并在限度范圍內(nèi)合理落實實踐?！霸啤笨瓶贾饕譃? 個模塊，即在線教學(xué)、“云”參觀和現(xiàn)場實踐?？瓶紙F隊邀請萊茵河沿線名校教授，通過線上課程講解，使學(xué)生感受國際化教學(xué)基本模式，驗證鞏固課堂上關(guān)于流域水環(huán)境污染及治理的理論知識，體驗世界經(jīng)典環(huán)境污染保護歷程。通過對方引導(dǎo)參觀各高校實驗室、巴賽爾污水處理廠、科隆地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站、康斯坦茨考察站、瓦赫寧根飲用水廠等研究機構(gòu)和工業(yè)場所，多方位、多角度體驗水環(huán)境的污染與治理過程，培養(yǎng)學(xué)生熱愛環(huán)境、保護生態(tài)的意識，提高對環(huán)境專業(yè)的認同感?，F(xiàn)場實踐主要集中在對長江中下游重點點位水樣的采集，通過常規(guī)水質(zhì)指標、重金屬分析及水生生物觀察，收集資料對比長江和萊茵河生態(tài)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生動手能力、觀察能力和合作能力，鍛煉綜合素質(zhì)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

6 實踐效果

“國際科考”這一應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系的目的是在多學(xué)科背景下創(chuàng)建綜合性、研究性、跨學(xué)科的本科生培養(yǎng)模式。團隊教師將目光投注在新生代復(fù)合型創(chuàng)新人才的隊伍建設(shè)，以期能多維度提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)研究志趣，助力其在未來成長為多學(xué)科理論基礎(chǔ)扎實、野外作業(yè)經(jīng)驗豐富、精通現(xiàn)代信息技術(shù)的優(yōu)秀青年骨干。

（1）搭建綜合性實踐教學(xué)平臺?！皣H科考”與專業(yè)理論課、實驗課及專業(yè)實習(xí)等共同建立起了縱橫交叉的人才培養(yǎng)體系，搭建了一個集理論教學(xué)、實驗教學(xué)、課程學(xué)習(xí)和專業(yè)應(yīng)用實踐于一體的綜合性實踐教學(xué)平臺［11-13］。萊茵河科考充分利用了學(xué)生的暑期時間，在提升學(xué)生認知能力、創(chuàng)新能力和實踐動手能力等方面取得了一定的成績，在國際一流期刊上發(fā)表了3篇以本科生為第一作者的SCI 文章［14-16］，為其將來從事環(huán)境領(lǐng)域相關(guān)工作奠定了堅實基礎(chǔ)，團隊成員相繼進入境內(nèi)外一流大學(xué)深造或進入優(yōu)質(zhì)企業(yè)就業(yè)。

（2）拓展國際化視野與意識。學(xué)生在參觀和學(xué)習(xí)過程中，加深了對國外環(huán)境領(lǐng)域主流研究方向及發(fā)展現(xiàn)狀的認識，了解到國內(nèi)外研究和教學(xué)上的異同點，有助于其國際化視野的拓展。此外，團隊教師注重激發(fā)學(xué)生對國內(nèi)現(xiàn)有環(huán)境問題的思考，積極開展“頭腦風暴”式主題討論，集思廣益，有效發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析問題的意識，引導(dǎo)學(xué)生對環(huán)境問題進行整體性分析，團隊成員在充分吸取國外流域治理的經(jīng)驗和教訓(xùn)后，對長江流域的環(huán)境治理進行了系統(tǒng)分析并提出了建設(shè)性意見。

（3）提升調(diào)研的主觀能動性。實地采樣與分析可加深環(huán)境專業(yè)學(xué)生對野外環(huán)境的認知，學(xué)習(xí)如何獲取野外數(shù)據(jù)能夠切實提高自身動手能力和觀察能力、培養(yǎng)團隊合作精神、加強師生凝聚力，為營造寓教于學(xué)的課堂奠定了基礎(chǔ)。

（4）推動建設(shè)人才培養(yǎng)體系?！皣H科考”不僅拓展了科考實踐的廣度、深度和精度，而且其實踐成果也是系統(tǒng)的、科學(xué)的和高效的，未來也必將催生出一個中國特色、世界一流的人才培養(yǎng)體系。

7 結(jié) 語

“萊茵河流域生態(tài)環(huán)境國際科考與科研訓(xùn)練項目”的舉辦，是我校環(huán)境專業(yè)實踐教學(xué)具有特別意義的嘗試與探索，從實踐結(jié)果來看激發(fā)了學(xué)生的研究志趣，培養(yǎng)了實踐能力，拓展了國際視野，使學(xué)生獲得頂峰體驗，極具推廣和應(yīng)用價值。未來學(xué)院將有步驟、有重點地持續(xù)推進國際科考項目建設(shè)，并依托教育部高教司“虛擬教研室”試點建設(shè)，邀請長江沿線高校共同參與“長江-萊茵河生態(tài)環(huán)境‘云’科考”，構(gòu)建服務(wù)于拔尖創(chuàng)新人才成長的實踐教學(xué)體系，為培養(yǎng)新工科人才提供可持續(xù)、可借鑒的教學(xué)模式。