新工科背景下一流本科建設課程實踐教學改革

黃建軍 馬文超 紀娜 杜桂月 張時佳 哈瑩 呂學斌 孫井梅

摘 ?要：新工科在教育理念、知識體系、培養模式等方面均提出了新要求，為適應新工科對人才培養的要求，對固體廢物處理實踐教學進行了改革。固體廢物處理實踐教學對改革實驗教學內容，開設綜合型、創新型實驗，開發虛擬仿真實驗，加強課程實習，改善實驗教學考核體系，構建實驗-實訓-實習實踐體系，加強實驗教學隊伍建設，實驗室交叉融合，開放共享等方面進行了改革實踐。

關鍵詞：新工科;固體廢物處理;實驗-實訓-實習;教學改革

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0016-04

Abstract： Many requirements are put forward from education concept， knowledge system， training mode and other aspects. In order to meet the requirements of talents training in the new engineering field， we have reformed the practical teaching of Solid Waste Treatment. We have reformed the experimental teaching content， set up comprehensive and innovative experiments， developed virtual simulation experiments， strengthened the course practice， improved the experimental teaching assessment system， and constructed an experiment-practice-practice system. At the same time， we have also carried out reform and practice in strengthening the construction of experimental teaching team， cross-integration of laboratories， opening and sharing.

Keywords： new engineering; Solid Waste Treatment; experiment-practice-practice; teaching reform

“新工科”這一概念自2016年提出以來，在不到一年的時間，教育部組織高校進行深入研討，形成了“復旦共識”和“天大行動”。新工科是在新科技革命、新產業革命、新經濟背景下工程教育改革的重大戰略選擇，是今后我國工程教育發展的新思維、新方式。培養未來多元化、創新型卓越工程人才，具有戰略性、創新性、系統化、開放式的特征[1]。實驗實踐教學作為高等學校培養學生工程能力的一個重要環節，在工程教學人才培養過程中占有舉足輕重的位置[2]。

新工科建設的本質是人才培養，服務國家戰略發展新需求，強化實踐創新創業能力。教學過程中需要延展實踐育人平臺，強化教學實驗、科學實踐、實習實訓，完善創新創業人才培養模式。固體廢物處理是環境工程專業核心課，2020年獲批為天津市一流本科建設課程。課程結合新工科建設要求，以培養具有“全球視野、應對挑戰和建設未來世界”的環境工程科技人才為目標。實踐教學是課堂教學的重要組成部分，通過對固體廢棄物的處理、無害化處置、資源利用實驗，使學生將所掌握的理論知識與實際工程治理實踐有機地結合起來;同時鍛煉學生的動手能力、獨立實驗操作能力、分析和解決問題的能力、總結歸納和表述的能力。以往的實驗課教學主要按教師先講述、演示，學生驗證等流程開展，學生積極性低，教學效果欠佳，不能滿足未來多元化、創新型卓越工程人才培養需求，因此針對該類問題，進行了持續改進。

一、實驗教學內容改革

高等教育呈現出了“大眾化、多樣化、國際化、終身化、信息化”的趨勢[3]，工科教育迫切要求知識體系適應這種變化，迎合社會需求，固體廢物處理實驗教學內容原來以驗證型實驗為主[4]，學生按照教師和實驗指導說明書完成實驗，很少關注實驗現象和理論知識的內在聯系。這種類型的實驗在一定程度上抑制了學生的主觀能動性，新工科要求工程教育從單純追求學術表現回歸到與實踐的相關性，致力于回應、參與和解決不斷涌現的新問題，培養未來多元化、創新型卓越工程人才，實驗教學內容也要與時俱進，繼承與創新，交叉融合，在不改變實驗課時的前提下，調整實驗內容，縮減驗證性實驗，加大創新性實驗比例[5-7]。

（一）驗證性實驗

固體廢物處理原來開設的驗證性實驗主要有：危險固體廢物的溶出實驗、城市生活垃圾的分選實驗、城市生活垃圾含水率的測定、生活垃圾的堆肥實驗等，同學按既定的步驟和要求被動開展實驗，沒有發揮主觀能動性。由于同學已經具備了較扎實的實驗操作技能，驗證性實驗在工程實踐能力培養方面效果欠佳，因此將四個驗證性實驗縮減為一個，同學可以從四個驗證實驗中任選一個。

（二）綜合型實驗

固體廢物處理原來的實驗基本上都是針對某一知識點或原理開設的針對性的單一實驗，盡管可以加深學生對該知識的理解，但是該類實驗對學生系統性能力培養效果欠佳。為了提高學生解決復雜工程問題的能力和培養綜合思維，開設綜合型實驗;以學生為主導，給定實驗目的，提出實驗任務和要求，學生根據本課程所學的知識，通過查閱文獻資料，自行設計實驗方案，實驗過程中遇到問題獨立解決。如開設“生活垃圾資源化處理”綜合型實驗，同學分成若干組，每組首先需要收集、分揀垃圾，然后根據收集到垃圾的形狀差異，一部分開展好氧堆肥實驗，一部分進行熱解實驗;好氧堆肥實驗需要完成垃圾含水率、堆肥過程實驗參數記錄、垃圾滲濾液分析等操作;熱解實驗需要完成垃圾熱值測定、熱解產物液固氣質量分布、熱解液的GCM分析、熱解殘留固體穩定化等操作;完成垃圾處理的全過程工藝實驗，需要同學通過課堂上已經學到的理論知識，設計并完成實驗，在設計實驗過程中不斷發現問題、解決問題;最后提供最優化的資源化利用方案，實驗結果不唯一，避免以前完全按照實驗指導書步驟開展實驗，將各單一實驗有機結合成工藝實驗，讓學生系統掌握、理解固廢資源利用過程中關鍵知識點。通過綜合型實驗不僅使學生鞏固了本課程的理論知識、實驗的方案思路、具體操作步驟、儀器用具等，還能培養同學更具獨立性和創新性，能激發同學完全投入實驗研究中，同時培養學生查閱文獻、分析數據的能力，培養工程嚴謹性、批判性思維，最終達到提高實驗教學的目的。

（三）創新型實驗

創新是引領發展的第一動力，新工科應該積極應對變化，引領創新，探索不斷變化背景下的工程教育新理念，培養能夠適應時代和未來變化的卓越工程人才。隨著社會經濟發展、科技進步，固體廢物處理正朝著資源循環利用方向演變，教學中融入循環經濟理念。其中，生物質的資源化再利用是研究的熱點和重點，生物質能源是替代傳統化石能源的重要可再生能源之一，是自然界唯一可再生碳資源。針對生物質的循環資源化利用開展了一系列的科學研究，由科研凝練出“生物質平臺化合物乙酰丙酸催化轉化制備γ-戊內酯”實驗，結合最新的科研成果，以乙酰丙酸為原料加氫制備γ-戊內酯是生物質催化轉化的重要反應之一[8]，非均相催化體系的發展與創新則對尋求γ-戊內酯的綠色合成路徑具有更顯著的實踐意義[9]。實驗內容涉及負載型催化劑的制備，需要考慮影響催化轉化反應轉化率及產物收率的因素，如反應溫度、反應壓力、溶劑體系、催化劑種類等，以及掌握如氣相色譜、液相色譜分析、內標法定量、實際動手能力、儀器設備操作等相關知識，加深學生對生物質催化轉化過程的理解，做到理論聯系實際。學生需要自主設計實驗流程，制訂實驗方案，設定反應條件，選擇合適的分析儀器設備，掌握定性定量分析方法等。實驗方案多樣化，實驗結果不唯一，提高了學生的主觀能動性。以學生為中心的實驗教學，對學生創新能力的培養、綜合思維的鍛煉有很大的幫助。

（四）虛擬仿真實驗

以全球化、網絡化為代表的一系列顛覆性技術的發展使得教育、學習、信息共享的方式發生了變化，由此要求教學方法和模式、教學環境和條件需要跟上時代步伐。在實驗教學環節中受到設備、場地、投入、成本等條件的制約，部分實驗在真實實驗室難以開展，因此相繼開發“城市有機固廢等離子體熱解氣化虛擬仿真實驗”“垃圾清潔高效焚燒虛擬仿真實驗”來彌補真實實驗教學的不足。垃圾清潔高效焚燒發電屬于固體廢棄物資源化、減量化的處理措施，設備運行復雜、占地面積大且操作運行復雜、投入大，實體實驗室不可能實現，即使去垃圾焚燒發電廠實地參觀實習時，也很難深入了解各設備的工作情況。通過建立垃圾清潔高效焚燒虛擬仿真實驗（實驗界面如圖1所示），可使學生深入了解垃圾焚燒發電原理、焚燒過程、焚燒爐構成、關鍵工藝及參數、污染物生成情況等。系統由仿真引擎SimuEngine、圖形化建模軟件SimuBuilder、數學模型、DCS操作界面、就地操作界面以及多媒體軟件等部分組成，可以進入鍋爐、汽機、電氣、煙氣凈化處理等專業畫面，可以實現垃圾進料量、調節風量、煙氣處理系統藥劑投放量、改變蒸汽溫度與壓力等不同運行參數的修改，從而在線觀察溫度、煙氣量、污染物濃度、某種元素的遷移、灰顆粒的遷移、碳元素的轉化過程、產生多少熱量和能量、灰渣的產生量等指標的變化。可以透視觀察垃圾焚燒爐的運行過程，解決參觀和上課時的焚燒爐內部運行工況不明晰的問題，彌補課堂教學的不足。

（五）課程實習

新工科培養能夠適應時代和未來變化的卓越工程人才，直接地把科學、技術同產業發展聯系在了一起，因此實習顯得尤為重要。深入企業生產現場，如泰達環保垃圾焚燒發電廠，圍繞垃圾焚燒無害化處理、余熱發電、廢棄物資源化回收利用、重金屬污染治理、煙氣凈化工藝等全流程開展學習，同時結合虛擬仿真平臺，達到虛實結合。

二、實驗教學管理改革

新工科要面向未來，全面加快改革創新，新工科必須通過人才培養理念的升華、體制機制的改革以及培養模式的創新應對現代社會的快速變化和未來不確定的變革挑戰，因此需要對實驗教學管理體系進行相應的改革，來適應工程教學發展的需要[10-11]。

（一）實驗教學考核體系

建立能力考核的多元化考核體系，考核學生平時出勤率、課堂表現、操作規范、實驗報告質量等關鍵信息，改變以前只關注實驗報告而導致學生敷衍對待實驗的態度。實驗考核成績包括預習、平時成績、操作、實驗報告等，加強科學素養的培養。

1. 實驗預習成績

對實驗相關知識的提前熟知，特別是設計性實驗，可能遇到的問題、解決辦法、方法手段、實驗方案、組內人員的分工合作等，在進實驗室時提交預習報告，占總成績的30%。

2. 平時成績

利用實驗室的門禁刷卡系統，記錄學生實驗時是否存在遲到、早退等現象，以及遵守實驗課紀律情況，占總成績10%。

3. 實驗操作成績

包括實驗技能的基本操作是否合理，儀器設備是否按操作規范使用，實驗藥品的使用、廢液的處理是否符合要求，實驗后實驗室安全衛生、實驗儀器的整理等，占總成績的30%。

4. 實驗報告成績

包含實驗報告原始數據的記錄是否規范，對實驗結果的分析和思考題的解答等，占總成績的30%。

全過程考核，如在每年的研究生面試階段，加入實驗考核內容，要求表述基本的操作步驟、核心的注意事項等，讓學生參與實際實驗的積極性大大增強。

（二）實驗教學隊伍

加快工程教育改革，培養創新工程人才，需要一支穩定的實驗教學隊伍[12-13]，要求理論教學的教師參與實驗教學，實驗教師隨堂聽理論課，做到授課教師與實驗教師分工不分家，堅持理論與實踐相結合，使實驗過程中出現的問題能及時在課堂上反饋。同時加強實驗教師隊伍的建設，切實提高實驗教師的工程實踐能力。第一，制定發展規劃，開展校企合作培養實驗教師，鼓勵實驗教師在企業內掛職鍛煉，切實幫助企業解決實際工程難題，把相關實踐老師送到相對口的企業實習、鍛煉，如不同地區固體廢物處理中心，深入企業了解其生產運行、最新的處理工藝及未來的發展趨勢等，對設備和技術發展進行系統了解，提高工程實踐能力;第二，制定實驗教學培訓計劃，提供專項經費，鼓勵實驗教師參加各種相關新技術、新設備的培訓會等，拓寬視野，提高其專業水平，使之能勝任專業實驗教學的工作;第三，通過教學改革立項，鼓勵實驗教師研制實驗教學設備，如垃圾堆肥實驗裝置、垃圾熱解實驗裝置等是由實驗室老師自行設計研制的，既滿足了實驗教學要求，又使實驗教師工程實踐能力得到了提高。

（三）交叉融合、開放和共享

新工科的內涵之一是交叉融合、開放和共享，將最新的科研成果引入實驗教學，產學研融合，提高資源利用率，將科研課題組引入實驗室建設，共同提高實驗教學水平[14-17]，如固廢實驗室與從事固體廢棄物處理、資源化利用的課題組簽訂共建協議，將科研成果轉化到實驗教學中。當前科學技術飛速發展，各種新技術、方法、處理工藝層出不窮，要將專業前沿和先進的內容融入實驗教學。作為研究型工科大學，將最新的科研成果轉化成實驗教學項目，既可增加學生新視野，又可以提高學生對專業的認識、使命感，了解專業研究熱點和研究動態;提供學生熟悉和掌握本學科領域前沿技術，與實踐和社會需求密切聯系，如“垃圾清潔高效焚燒虛擬仿真實驗”是“國家科技支撐計劃（2014BAC02B03）：大型生活垃圾焚燒系統高效清潔運行關鍵技術”衍生出來的，是科研轉化為教學的成功案例，科研成果在經費保障上有較大的優勢，往往是本領域科技發展的前沿，可以讓學生接觸到行業最新的發展動態，了解最新需求，充分激發學生學習積極性和主動性，提升學習動力和效果。在實驗室空閑時段，如寒暑假，實驗室無償提供給課題組開放使用，極大提高了實驗室使用效益。

三、結束語

目前，我國正在實施“一帶一路”倡議及“中國制造2025”等重大戰略，迫切需要加快工程教育改革創新。需要重構人才知識體系，重塑人才培養質量關，創新教學方式，完善創新創業人才培養模式，強化實踐創新創業能力培養，以新理念、新要求、新途徑加快我國工程教育改革。

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