礦冶背景下環境工程原理實驗教學體系建設

周遠松 唐曉龍 高鳳雨 于慶君

[摘要]環境工程原理課程教學重點之一在于培養學生的工程觀念、創新能力、實踐動手能力和應用所學的環境工程原理理論知識分析、解決工程實際問題能力，因此，課程教學的實驗教學環節顯得尤為重要。北京科技大學環境工程實驗教學中心根據學校辦學理念，結合學科特點，通過對環境工程原理實驗教學內容、教學方法以及考核模式等方面進行設計和建設，形成了具有礦冶背景特色的實驗教學體系。

[關鍵詞]環境工程原理;礦冶背景;實驗教學體系

[中圖分類號]G642

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-3437（2020）03-0020-04

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》中強調，“高等教育的任務是著力培養信念執著、品德優良、知識豐富、本領過硬的高素質專門人才和拔尖創新人才”“強化實踐教學環節”;教育部在《教育部等部門關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》（教思政[2010]1號）中指出，“實踐育人特別是實踐教學依然是高校人才培養中的薄弱環節，與培養拔尖創新人才的要求還有差距”“注重學思結合，注重知行統一，注重因材施教……努力推動高校實踐育人工作取得新成效、開創新局面”;2018年9月，習近平總書記在全國教育大會上強調，要提升教育服務經濟社會發展能力，著重培養創新型、復合型、應用型人才。由此可見，提高實踐教學水平，培養具有創新意識、富有實踐能力的高素質尖端人才是全國高校教育教學面臨的重要課題之一。

北京科技大學環境科學與工程學科作為北京市重點學科，在2017年全國高校學科評估中排名第16名（共155名），本專業注重培養學生的實踐能力，提高學生的社會責任感和專業情懷，為社會的發展貢獻力量。經過近十年的探索，本專業以創新型人才培養為目標、實踐能力培養為主線、實踐教學改革為切入點，結合學校和專業特色，構建特色化的實踐課程教學體系，切實解決學生實踐動手和工程設計能力不足、自主創新意識和能力缺乏等問題。本文以環境工程原理實驗課程為例，針對我校礦冶行業背景下實驗課程體系的建設進行探討。

一、環境工程原理實驗課程體系設計

環境工程原理課程源于化工原理，是高等學校環境工程專業的一門重要的專業基礎課，教育部高等學校環境工程教學指導委員會已于2014年8月將該課程確定為高等學校環境工程專業的核心課程之一，并列入專業規范。課程針對環境工程專業特點，經過分析和總結，系統闡述了水處理、大氣污染、固體廢物處理與處置等環境污染控制工程中存在的共性污染防治技術原理，具有較強的理論性和系統性，為后續專業課程開設打下了良好的理論基礎。

本課程教學重點之一即在于培養學生的工程觀念、創新能力、實踐動手操作和解決工程實際問題的能力。實驗教學作為實踐的重要環節是課程體系建設過程中不可或缺的一部分。實驗教學相較于理論教學更具有直觀性、綜合性和創新性，對于提高學生的綜合素質、工程實踐能力和科技創新能力具有不可替代的重要作用。

我校環境工程原理實驗教學體系是以學生能力培養為出發點，結合專業特征將學生畢業要求細化為兩個指標點，每個指標點對應一項或兩項課程目標，不同的目標設計不同的教學內容，采取不同的教學模式及考核方法等，學生最終能力培養達成情況作為課程評價體系，為日后持續性改進教學提供參考依據（見圖1）。具體教學體系設計如下：

1.實驗課程內容配合課堂教學進行設置，涉及環境工程學物料與能量衡算、流體流動、熱量傳遞和質量傳遞過程的基本概念和基本原理，以演示實驗形式直觀展示給學生，使其加深、加快對抽象內容的理解。

2.培養學生動手實踐的能力，引導學生掌握基本實驗技能，通過實驗了解基本分離過程沉淀、過濾、吸收、吸附、離子交換、膜分離等的原理及現象。同時，要求學生扎實掌握理論基礎，學會對先進凈化裝置儀器的操作利用。

3.綜合性實驗教學，圍繞學生解決復雜工程問題能力、形成創新思維、激發探索未知世界的熱情與興趣、團隊之間協同合作等方面進行教學體系設計，通過多種教學模式并行，強化實驗教學環節，提升學生培養質量。

4.結合我校礦冶行業特色，著重圍繞采礦、冶煉生產過程中排放的水、氣、固等環境污染物整理技術及裝置進行設計性實驗，與一般環境污染治理及化工行業環境污染治理相區別，突出行業背景和專業特色，強化深度，解決泛泛而做、多而不精的問題。

二、礦冶行業背景下的實驗教學內容特色化建設

（一）不同于化工原理實驗教學內容

目前，國內高等院校還未有專門的環境工程原理實驗指導書，實驗課程教學內容多采用化工原理實驗教學項目，內容上雖可以保證實驗教學的水平和質量，達到教學指導委員會的要求，但由于內容與環境工程專業關聯性，項目類型多為驗證型和演示型，因此實驗課程教學在調動學生自主學習熱情上、開拓創新思維和創造能力的培養方面貢獻略有不足。

我校環境工程原理課程教學研究組在實驗課程設計和內容安排上遵循既要涵蓋單元處理技術基本原理的共性實驗部分，又要體現環境工程專業的特色教學內容，同時提高學生自主學習熱情，培養學生創新思維和實踐能力的原則。一方面強調基礎知識的學習，重視單元操作實驗。充分利用原有較為系統的化工原理實驗設備設計實驗項目，保留了“流體機械能轉換實驗”“板框壓濾機過濾常數測定”“吸收系數測定”“洞道干燥”等驗證型、演示型傳統實驗的內容，確保學生能夠通過實驗課程的學習，對這些基礎的重要概念原理有清晰的理解，能夠熟練運用公式，熟悉各個單元操作。另一方面充分考慮環境工程專業特點，理論聯系實際，積極設計題目新穎、簡潔實用的綜合型實驗，注重考察學生的綜合能力，拓展學生素質。結合本學院的科研背景和實驗條件，設計了一系列研究型綜合實驗，如“液相法凈化硫化氫氣體”“吸附法凈化低濃度有害氣體”等。實驗內容從單一化轉變為復合化，充分調動學生的主觀能動性，如指導學生自行完成實驗系統的組合搭建、制備吸收液或吸附劑、完成氣體濃度測量及結果分析等，讓他們通過一套較為系統完整的實驗流程，了解和熟悉實際研究過程中涉及的單元操作原理和流程，掌握基本的測試分析方法等。

（二）具有礦冶行業背景的實驗教學內容

隨著國家對環保行業的重視，全國開辦環境工程專業的院校逐步增多，各高等院校編制的環境工程原理課程教學內容類似，設置的實驗課程教學項目相差無幾，內容均過于“大眾化”，無法體現不同行業、不同領域的環境問題，以及采用的不同處理技術和工藝流程。這種內容設置下培養的本科生缺乏鮮明“行業”特點，難以成為各行各業領軍人才和拔尖創新人才。

我們從教學實際需求出發，兼顧專業特色，設計優化實驗課程教學內容。在共性基礎實驗教學上，依托我校“礦冶”特色行業背景進行環境污染治理單元操作、處理工藝流程設計的實驗課程教學。如實驗過程中選用的環境治理污染物，源自鋼廠、鉛鋅廠等工業生產中排放的廢水、廢氣、廢渣，采樣后直接送至實驗室內用于教學;綜合性實驗項目教學過程中，以河北某鋼廠真實生產線為樣本，進行污染物綜合治理的各部分工藝流程講解，期間完成“板框壓濾機過濾常數測定”“吸收系數測定”“洞道干燥”等基礎單元操作的實驗項目。這種具有行業背景的實驗教學內容，不僅易于學生對基礎單元操作原理進行理解，還使學生對“采礦、冶煉”行業內環境污染物的種類、排放濃度、限定標準以及采用的治理工藝有所了解，更易于激發學生的實驗熱情和學習興趣。

三、特色化實驗教學方法改革

在以往的實驗課程教學中，依賴于已有的較為成熟的化工原理設備，以簡單的演示和驗證實驗為主，教學形式單一、枯燥。受實驗設備所限，分組實驗過程中，一般只有2～3名學生參與到實驗操作和數據記錄，其他同學只能旁觀，整個實驗過程機械單調，效果不佳，難以激起學生們的自主學習熱情。為此，我們在教學體系建設中嘗試采用多種方式來豐富實驗教學環境，以期取得更好的教學效果。

（一）虛擬仿真實驗教學

利用仿真軟件模擬環境工程原理單元操作實驗條件和裝置，在實驗課程教學之前先安排學生進行虛擬仿真操作，讓學生在真實操作之前就做到心中有數，這樣大大提高了實際實驗效率，減少學生的錯誤操作。

虛擬仿真實驗教學采用的仿真實驗系統界面友好（見圖2），形象生動，快速靈活，能夠使學生同時從不同的角度（如基礎理論、設計、操作、實驗組裝方法等）掌握實驗技能，為學生創造了一個嚴肅認真而又輕松愉悅的學習環境，對提升學生自主學習熱情具有極大的幫助。

（二）研究型實驗教學

課堂教學后期，大部分知識點均已講授完畢，對應的單元操作基礎實驗已完成教學，為強化學生對知識點的融會貫通，并系統考察學生的學習情況，我們根據學院自身的科研背景，充分利用現有的實驗研究條件，設計幾個與環境工程專業技術密切相關的研究型實驗。如“液相催化氧化法凈化硫化氫氣體”實驗，預先在課堂上介紹實驗目的和要求，由學生分組自行設計凈化流程，并通過小組討論的方式完善并確定各組的具體實驗方案和內容;確定方案后，按其內容提供必要的實驗器材，在實驗室內搭建出各組的實驗裝置，然后進行分組實驗。后期包括吸收液配制、進出口氣體濃度檢測、數據整理及分析等環節，需要小組內每一位學生都清楚地了解實驗細節，并親自動手完成其中的某個環節，既有分工又有合作，學生必須認真對待每一個環節，因為任何一個環節有誤都會對整體實驗效果造成影響。獲得的實驗數據處理完成后，在課堂上進行對比分析，各組之間相互討論實驗中存在的各種問題，最終得到一個優化的實驗方案。實驗全部過程，均由學生利用所需知識，結合行業背景，通過查閱文獻進行確定，老師只是從旁協助指導，這種研究型實驗教學方法，不僅可以系統考察學生多個知識點掌握以及靈活運用的情況，還能夠調動學生的主觀能動性，激發學生的學習積極性，培養學生獨立思考和實踐動手能力。

（三）網絡化實驗教學

實驗課程受時間、空間、儀器裝置等客觀條件限制，無法開設過多實驗項目，已開設的項目也沒有足夠能力安排學生進行課后重復性實驗，缺少了發現問題、分析問題、解決問題的訓練環節，不利于學生自主創新意識的培養。我們在參考國家重點學科教學模式基礎上，提出了網絡化實驗教學方式，構建一個依托現代信息技術、服務于廣大師生的環境工程原理實驗教學綜合服務平臺。

實驗教學綜合服務平臺包含豐富多樣的教學資源，如：課程指導書、實驗教學講義、實驗過程操作視頻、實驗動畫、儀器設備結構示意圖等媒體視頻音頻文件。此外，還涵蓋全國教學名師經典授課資料（內容、授課方法等）以及實驗課程設計案例等供學生選擇瀏覽。不同層次學生可根據知識點掌握情況，對學習內容、學習順序、學習方式進行個性化選擇，并利用平臺完成課前預習、課程復習和課后拓展的自主性學習任務。平臺還為師生提供便捷、高效、互動的交流渠道，老師或學生可在此對實驗內容提出問題，先由學生進行在線討論，最后由老師進行總結。

這種教學方法不僅解決了“時空”的問題，同時拓寬了學生視野，擴充了學生知識面，更能夠使學生在積極、自由的互動環境中激發自主學習興趣，養成獨立思考的習慣，完成創新思維的培養目標。

四、實驗教學考核體系設計

環境工程原理實驗教學作為課程教學的重要部分之一，其考核方式和評價標準要能夠體現學生能力培養的成效。傳統考核方式一般采用“實驗報告定全局”的單一模式，即通過一份報告來評估學生的學習情況，事實上，這種考核方式是無法準確衡量學生的真實水平和能力培養的。實驗報告只能體現實驗數據整理和報告撰寫能力，對于動手實踐、創新思維的能力就無法得到準確的反饋信息，如僅通過報告成績作為考核方式的唯一標準，易使學生為追求高分而認真書寫報告，卻忽視實驗操作過程，不重視實踐動手操作和綜合性思維能力訓練，這與當代人才培養體系宗旨相悖。

在全國工程教育專業認證的大環境下，我們實施“以產出為導向”的特色考核方式，即根據已制訂環境工程原理實驗課程教學培養目標，分別通過一種或多種考核環節評價學生對知識掌握程度和能力培養情況，將所有環節成績按不同比重匯總，作為最終的實驗課程考核成績。最后，我們將結合畢業要求和分解的指標點，驗算課程培養目標的達成情況，反饋用于課程體系的改進。

五、結束語

實驗課程是通過對實驗內容、教學方法和考核方式的不斷探索與改進，逐步建設成為能夠提升學生實踐能力，激發創新思維的高效教學體系，進一步提高專業的本科教學質量。北京科技大學環境科學與工程學科在實驗課程教學體系建設過程中，結合學校礦冶專業特色行業背景，加強課堂教學、實驗教學和科研教學融合，不斷進行持續改進，最終實現環境工程專業學生解決實際工程復雜問題能力培養的有效達成。

[責任編輯：鐘嵐]