新工科背景下環境工程專業中膜技術實踐教學改革與探索

王捷 吳云 趙學輝 張陽 張超

摘 ?要：在新工科建設的背景下，如何加強專業教學以滿足社會對人才的特殊需求是我們需要解決的主要問題。膜技術是環境工程領域新興方向，文章結合環保產業對于膜技術人才日益增加的需求，介紹了在環境工程專業新工科建設中的膜技術實踐的教學思路、教學體系和相關教學資源的開發，探討了如何將特色化的實踐課程有機結合在環境工程培養體系中的方法和途徑，以及在此基礎上開展的實踐課程改革措施，以期為環境工程新工科的建設思路提供一些探索性的借鑒。

關鍵詞：環境工程專業;膜法水處理;實驗教學;教學改革

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0116-05

Abstract： In the context of the construction of new engineering， how to strengthen professional teaching to meet the characteristics of the social demand for talents is the main problem we need to solve. Membrane technology is a new direction in the field of environmental engineering. Combining with the increasing demand for environmental protection industry in membrane technology talents， this paper introduces the new engineering construction of the membrane in environmental engineering technology practice teaching ideas， teaching system and the related the development of the teaching resources. The paper discusses how to combine the characteristic of practical courses in environmental engineering method and way of cultivation system， and on this basis to carry out the practice of curriculum reform measures. The aim of the study is to provide some exploratory reference for the construction of new engineering of environmental engineering.

Keywords： environmental engineering; membrane water treatment; experimental teaching; teaching reform

黨的十九大以來，生態環境保護和生態文明建設已經全面提高到國家發展戰略層面，具有豐富經驗的環境工程專業技術人才成為國內就業的熱點和高薪行業人員，各大環保企業事業單位都在大力培養專業技術人員，為此對環境工程專業人才培養提出了更高的要求。環境工程是技術科學的主要分支學科和專業，具有典型工科的專業屬性，具有學科交叉，面向工程應用，實際操作性強的特征。目前我國開設環境工程專業的高校已超過200所，面臨社會不斷發展的人才需求，如何解決環境工程專業在培養環節的趨同，突出特色，增強人才的社會競爭力，是環境工程專業教學改革的核心內容。在高等工程教育領域，教育部近年提出了新工科建設的理念和要求，而環境工程近年呈現快速、多元化發展趨勢。環境工程專業已經與信息科學、材料科學、控制科學等現代科學技術成果充分交叉融合，逐步走向信息化、智能化、設備化、裝備化、儀表化，并與生態文明建設、區域經濟發展、人居環境改善、居民衛生健康等諸多領域緊密聯系，這也是新工科背景下人才培養的方向與趨勢[1-3]。這些新的變化與發展必然使環保行業對高級專門技術人才的需求在質量、素質和能力等方面均產生轉變。膜技術是環境保護行業中的新興方向，近年來已成為解決我國用水安全、水環境治理、空氣污染乃至清潔能源的關鍵技術，其具有技術迭代快，需求領域廣，應用規模大的顯著特點。但現有的環境工程專業培養體系并未有效地與之匹配并更新，以滿足當前膜技術人才的社會需要。

天津工業大學膜法水處理技術教學團隊結合本校在膜技術領域的優勢和特色，通過近十年的積累和實踐，在環境工程專業培養中形成了膜技術的專業培養特色。通過不同教學資源的整合，課程體系的建設和實驗資源的開發，尤其是對實踐教學環節的持續改進，一方面突出了實踐教學對課堂理論教學的輔助性、認識性、驗證性功能，另一方面充分體現了科研反哺教學，將膜技術領域的前沿技術體現在學生的教學過程中的教學理念，形成了一條特色實踐教學與應用型人才培養結合的路線。

一、膜法水處理技術的實踐教學模式的現狀與不足

環境工程專業的教學目標是讓學生運用工程技術和有關學科的原理和方法，保護和合理利用自然資源，防治環境污染，以改善環境質量，因此強化實踐能力的培養至關重要。為了進一步加快我國“綠水青山”的建設，很多高校近年擴大了環境工程專業建設和發展，但環境工程實踐教學體系存在理論與實踐脫節的問題，實踐環節缺乏特色，學生在技能方面的提升不夠明顯的一系列問題。新工科建設思維與理念的提出，無疑為上述問題的解決提出了全新的方向[4-5]。如何在當前水資源與水環境保護迫切需求的社會大背景下，將具有膜這一具有巨大市場潛能的技術與工程實踐緊密對接，使具有專業膜系統理論的人才更加適應產業的需求，充分體現新工科建設的培養目標，還需要進一步深入探索。

（一）面向社會的多元化需求，課程體系的建設還有待完善

膜技術具有典型的學科交叉特點，目前開設單獨膜技術課程的高校為數還較少，尤其在環境工程專業中，往往是將其簡略地介紹并納入諸如水污染控制工程、工業水處理等課程之中。但程式化的教學內容距離用人單位在膜技術工程設計、應用和運行等方面的多元化要求還相差甚遠，根本無法滿足企業對于專業人才的需要。加之膜技術涉及材料、環境、化工、水力等多學科內容，如何在實驗環節中貫穿理論課程中的知識點，更好地實現理論與教學相呼應，加強對學生綜合職業能力和素質素養的培養，并在此基礎上，培養學生的創新能力和創新意識。這是在近年教學實踐中需要重點解決的工作。

（二）教學實踐環節上創新思維不夠，沒有做到與時俱進

與技術前沿和工程實際相結合是新工科專業建設的重要特征。環境保護領域是以技術進步和可持續發展為主導思想的，新思維和新技術的引入是環保產業發展的動力，而環境工程專業的培養理應對新趨勢、新技術作出及時的響應[6-7]。新工科“問產業需求建專業，問技術發展改內容”的建設理念給環境工程專業建設提出了目標和方向，同時也對其實踐環節的構建提出了更高的要求。但目前多數環境工程專業的課程建設并未以適應當前就業方向和創新思維的培養為重點，大綱需進行及時的更新與替換，因為教學內容很難做到與時俱進，所以一些新興技術的課程體系和課程內容無法很好地與社會需求相適應。

（三）與新興技術和課程相適應的實踐教學資源還不能滿足教學目標的需要

環境工程專業中新興技術課程的軟硬件配置普遍都不完善，這也是目前開展環境工程實踐教學的關鍵瓶頸。環境工程專業實驗教學中，分組式教學往往是多名學生共享一臺儀器，限制了每個學生充分的動手實驗時間，而大型設備的學習只能是局限于認識學習，無法實際操作，因此對實驗流程并不能有一個很充分的了解和深入學習。另一方面，能夠體現的膜技術核心概念和原理的實踐教學設備與資源非常有限，如何擺脫傳統、陳舊的教學模式，亟需開發體現膜技術工藝內涵和創新性的硬件資源。

二、膜法水處理實踐教學資源的構建與整合

新工科的專業建設中要求專業培養應與工程實踐緊密結合，通過先進知識的獲取，更新工程人才知識體系，使課程與經濟發展相協調，才能有效地滿足社會經濟發展需要。膜技術課程作為新興技術類課程，需要結合課程特點與專業培養目標，形成特色的課程體系。為此，教學團隊整合現有專業的優勢資源，根據行業對人才的需求的不同維度，結合近年的教學實踐，逐步形成了課程的培養體系，如圖1。

在教學實踐中，教學團隊在膜技術課程中逐步整合了現有環境工程專業課程體系中的不同維度的課程、實驗以及特色平臺資源，按照實際工程應用中的工藝模塊和教師專長劃分教學任務，將工藝原理與工藝設計和運行調控有機銜接。如在課程理論內容部分上注重與水污染控制工程、給水工程等教學內容的銜接與差異。在課程時間分配上，一方面充分利用所在單位的工程實踐平臺，另一方面也注重與其他實驗類課程的對接，以把工程問題解決的思維與能力，提升實踐能力的“工匠”意識融合到課程中。上述資源的整合在具體實施上也體現課程之間的雙向關聯，其他的課程為新技術課程提供的可以依托的資源，而新興技術課程也促進了其他課程的動態更新。在具體的教學環節中，我們通過自編的《膜法水處理技術實驗》教材，將以往學過的課程知識進行前期的梳理和引導，并在平臺資源和實驗課程資源上得以應用，通過不同形式的操作訓練，達到資源銜接的目的，也打通了理論教學與實踐教學的通道。從教學中我們發現，對于新興技術課程的教材建設是推動其培養模式實施的關鍵。

膜技術實踐類課程的重點是使學生如何從所學的膜技術的理論向水、氣等污染治理工程應用實踐轉變，并在這個過程中讓學生理解掌握典型膜系統在給水、排水、氣體凈化等工程體系中的設計、運行方法，在滿足污染排放要求的基礎上合理控制膜系統的運行，達到處理標準、優化處理工藝、降低運行成本的目的。使學生具備一定的典型膜工藝過程實際操作能力。為此，教學團隊在實踐環節設計了涵蓋“基礎類實驗-專業類實驗-綜合類實驗-實習實踐”及“課外實踐”實驗實踐教學框架，有針對性設計了以膜技術為特色的系列實驗實踐項目。配合自編《膜法水處理實驗》教材，形成完整的實踐教學體系。在擴展教學資源方面，引進微課建設、多媒體課件共享等形式，彌補由于課時限制部分內容不能在課堂上展現的問題。同時為了更好地滿足社會對膜技術專門人才的需求，激發學生的學習積極性，教學團隊近年通過組織學生加入創新實驗室，建立校企合作實訓聯盟，以賽促學的形式，提升學生在實踐環節培養的深度和廣度，尤其是在膜技術課程的實施，近年也受到了許多行業內知名企業的充分肯定。

三、膜法水處理課程實踐資源的開發與設計

膜技術實踐課程實施目的就是解決與當前環保產業發展和工程前沿應用相適應的問題。因此，如何著力提升學生的實踐能力，是課程培養目標的核心內容。課程的建設需要學生在直觀、形象地掌握知識點的基礎上，通過不同形式的實踐加深和鞏固對理論知識的理解與吸收。但由于現有可借鑒的軟硬件資源有限，因此教學團隊一方面基于現有的平臺和實驗室資源，根據當前在環境保護領域中應用最為廣泛的膜技術的工藝形式，自主開發了系列化的膜法水處理技術教學系列設備。如圖2，課程體系中涵蓋了目前膜技術在水處理應用的最為主流的膜生物反應器（MBR）技術實驗、連續膜過濾（CMF）技術實驗和浸沒式連續膜過濾（SMF）技術實驗，同時通過理論性較強的截留、污染和孔徑評價等實驗加強學生對課程中核心知識點的理解和掌握。另一方面，根據未來學生就業走向和企業需求，開發以典型膜法水處理技術為核心的虛擬仿真平臺，突破現有教學手段在實踐過程中“參與度不夠，無法實操”的瓶頸。在此過程中，教學團隊總計開發了10個膜法水處理工藝實驗，14個膜法水處理性能參數測試實驗和4個膜制備實驗，建設國家級虛擬仿真平臺1個。

（一）膜法水處理工藝虛擬仿真系統的開發

結合新工科面向產業需求，支撐創新驅動的建設理念，教學團隊根據當前信息化技術在教學環節中的推廣和應用的發展趨勢，以天津工業大學中水處理站為原型，自主開發了基于網絡教學的“生活污水膜生物反應器中水回用工程”虛擬仿真平臺，以教學團隊自主編寫的《膜法水處理技術實驗》教材中“膜通量及截留率測定分析實驗”和“膜生物反應器（MBR）污水處理工藝實驗”為藍本， 借助虛擬仿真的教學方式和手段，學生通過虛擬實驗可掌握13個工藝知識點：包括膜生物反應器預處理、進水、生化曝氣、膜曝氣、生化系統，回流系統、產水、在線反洗系統、離線加藥系統、膜離線清洗系統、在線加藥系統、膜通量測試系統、膜截留測試系統。按照操作型-綜合型-設計型-創新型逐漸拓展的教學路徑設計，將膜性能分析的虛擬實驗模塊與膜工藝單元虛擬實驗模塊進行了有機結合。

教學團隊基于自主開發和設計，開發了針對具有膜法水處理技術特色的虛擬仿真實訓平臺，充分將信息技術、網絡技術融入到教學環節中。由于虛擬平臺的設計源于工程實際過程，可將課堂教學與實驗的內容以人機交互界面的形式呈現，可實現各種常用膜工藝的全流程參數的調節與控制。通過內嵌的互動反饋系統，在實驗課堂上能夠及時有效地評價學生對于相關知識熟悉和掌握程度，以評價實訓效果。虛擬仿真教學平臺作為培養課程體系的關鍵一環，與課堂實驗、現場實習形成了有效的互補與支撐。尤其對于大型膜法水處理系統的控制，使學生從“敢動手、能動手”到最終“會動手、擅動手”。改變了以往認識實習階段中存在的“觀察難、調控難、耗時長、風險高”的問題。教學團隊借助便捷高效的網絡化教學模式，增強了學生學習的主動性和參與性。切實解決并突破了在環境工程領域實踐環節中，大規模工程化裝置和設備學生實踐機會少，運行操控存在風險等問題。

從近年的教學反饋來看，虛擬仿真實踐形式在環境工程專業中的應用，順應了新工科人才培養在專業強化素質能力的需求，從專業內涵、知識結構、培養模式等方面對新興技術課程的實踐教學構成了有力的支撐。

（二）膜法水處理裝置的開發

雖然開設環境工程專業的高校數量、規模不斷擴大，能夠提供環境工程類教學儀器和實驗設備的供應廠家也為數不少，但是要找到能夠適用于膜技術實踐教學的教輔儀器，目前還是比較困難的。為了解決這個問題，行之有效的方法是進行實驗教學裝置開發與自制。為此，教學團隊結合多年的教學和工程經驗，根據教輔儀器兼具科學性、技術性以及可操作性的綜合特點，設計了系列化的實驗教學裝置，實現了教學科研平臺一體化、成套化和系列化，見圖3。

教學團隊結合多年的教學經驗發現，學生對板書和電子課件結合的講授方式在一些抽象的結構上的理解往往不到位，例如對膜組件的分離過程，分離中流體流動的方式與膜微觀結構等內容上教學達成度不夠。因此如何將課上所學的有關膜分離理論進一步強化認識并掌握，需要通過更具有針對性的膜分離實驗裝置的設計與開發來實現。在教學實驗設備開發關鍵是需要通過對課程內容的精準把握并將其與課程目標達成的工藝環節緊密銜接而實施的。如對膜截留分子量的測試，根據對膜分離過程中的篩分與截留理論，我們開發了可實現快速更換與密封的膜評價裝置，能夠在有限的課程時間內中完成3至4種截留分子量膜的更換，非常有助于學生對截留分子量概念的理解。而混凝-平板膜連續膜過濾實驗裝置的設計，則是對飲用水深度處理的“短流程”工藝的再現，能夠幫助學生熟悉工藝參數調整操作，以便增進對通量設定、曝氣、反洗等關鍵工藝參數的理解。考慮到大規模工程在可研及論證階段都會進行前期的小試和中試環節，教學團隊在實驗裝置的開發上也充分考慮到了這一因素，在裝置中設計的參數上做到盡量與工程實際契合。開發的連續膜過濾實驗裝置能夠模擬大型連續膜過濾對工藝的操作過程，并能夠實現每個學生獨立操作和對工藝參數的調整。上述教學實驗設備的開發提升了學生工程實踐能力的深度和廣度，使學生在實踐與操作過程中進一步強化對理論知識的理解和掌握。

在實踐教學的實施過程中，教學團隊還借助團隊成員承擔的科研項目而形成的優勢資源，將科研成果轉化成為實踐教學的案例與成果，及時將新工藝、新技術及先進儀器設備等融入教學內容，做到了與時俱進。通過上述工作的開展，本專業學生參加各類競賽的比例顯著增加，近年團隊成員指導在校生參加專業學科競賽并獲獎14項，期間發表學術論文19篇，申請發明專利3項，同時畢業生的實踐能力也獲得了用人單位的充分肯定。

四、新興技術課程在課程思政建設中的思考

課程思政工作是當前高等教育中教學環節的關鍵內容，而對于新興技術課程，如何更好地與課程思政相結合則是課程建設中我們需要思考的問題，也是體現建設更為全面的新工科課程需要完善的內容之一[8-9]。為此，教學團隊主要從以下幾個方面入手來實現膜技術實踐課程的課程思政工作。首先是在實踐課程中融入我國目前在水資源與水環境保護、大氣污染防治等重要政策的介紹與宣講，不但能夠讓學生了解國家環保領域的政策和導向，同時也有利于學生掌握學習的背景和目標。其次，結合不同裝置的操作，穿插向學生介紹我國膜技術和膜產業的發展歷程，及國內外最新的前沿技術，有利于激發學生學習的興趣，樹立未來服務我國環保事業的理想。再次，通過實踐平臺輔助學生參加一些環保活動和環保公益，發揮課程建設的外延作用。通過近年的教學探索，我們發現，新興技術類課程是否能夠很好地與當前國家重要的發展戰略與政策對接融合，對于吸引學生的學習興趣，樹立正確的職業發展規劃具有重要的作用。

五、結束語

在新工科建設背景下，學生的動手能力、思維能力和創新能力的綜合提升是環境工程專業實踐類課程改革和發展的方向。在新工科教學體系建設的探索中，教學團隊緊緊抓住“問產業需求建專業，問技術發展改內容，問學生志趣變方法”的核心理念。在膜技術實踐課程中通過教學理念的創新、教學體系的構建和實驗教學資源的開發，將“特色教學”與“實訓實踐”培養的模式貫穿于整個專業培養中。以新工科建設理念為引領，廣開資源、延伸時空、拓展內涵，為提升學生實踐創新能力創建了全過程、全方位的學習平臺和資源。在課程形式上充分體現了實踐教學緊密銜接課堂教學和工程實踐的特點，實現了對環境工程專業新工科建設實踐教學培養模式的進一步改革和探索。

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