環境科學與工程專業創新設計課程教學實踐研究

胡 清， 王 超， 黃燕鵬， 王 宏

（南方科技大學環境科學與工程學院，廣東深圳 518055）

0 引 言

早在20世紀80年代，環境保護就被立為我國的基本國策［1］。然而，進入21世紀以來，由于工業化的快速發展，我國的環境問題日益突出。習近平總書記的“綠水青山就是金山銀山”“像保護眼睛一樣保護生態環境”等金句時時刻刻在強調保護環境的重要性，國務院也相繼頒布了《大氣污染防治法》《水污染防治法》《土壤污染防治法》等重要法規。而在世界范圍內，環境問題逐漸變得復雜，可持續發展對環境科學與工程學科人才提出了更高的要求［2］。近年來，中央發布了諸多相關文件，提出了要加緊培養為未來服務的高水平創新型的人才。

環境科學與工程專業，其突出特點是學科交叉，學生們在大學一年級需先學習數學、物理、化學等基礎科學課程，之后需要學習污染治理相關的專業課程，例如水污染控制工程、大氣污染控制工程等。此外，學生還需要完成實踐課程［3］。然而，當前面臨的復雜環境問題（例如氣候變化、極端天氣、新興污染物、污染加劇等）和新的環境管理理念（例如源頭管控的循環經濟、大眾環保、基于環保大數據的環境管理與監管等）對環境保護人才的要求將越來越高。在此背景下，當前國內環境科學與工程學科的教學課程設置就顯得比較滯后，尤其是面向未來的環保人才培養方面，還有進一步改進的空間。為此，設置了創新模式下的環境保護人才實踐教育探索模式課程，基于校內外導師聯合，以解決實際污染問題為主線，通過創新的手段、集體的智慧在有限經費、有限時間內共同完成并解決實際企事業單位所設定的問題，并通過答辯的形式展現在第3方評委面前，完成最終的考核。該課程以學生團隊合作為中心，通過多次頭腦風暴、文獻調研、動手實踐培養學生的解決問題、量化思維、工程設計、視覺審美、工程實操、創造力等多項能力，凸顯了講授法、討論法、自主學習法、探究法、任務驅動法、現場教學法等多種教學方法的綜合運用，符合教學規律。實踐表明，該課程具有較強的實用性，取得了良好的教學成效。

1 國內環境科學與工程專業實踐課程概況

環境科學與工程專業的實踐課程在國內一直備受關注，眾多學者在分析問題之余嘗試了改進，但是仍存在停留在原有框架之內、難以讓學生學習將最新的科技應用于污染治理、學生的實際工作能力不足、理論脫離實際等問題［4-5］。在我國，環境科學與工程專業的實踐課程一般可分為：認識實習、實驗課程、課程設計、畢業實習、畢業論文／設計等。

1.1 認識實習

認識實習是多數環境科學與工程學生接觸到的第一門專業課。課程的形式一般由帶隊老師帶領學生前往垃圾填埋場、污水處理廠等環保單位進行認識參觀，聽一線的工作人員現場講解工作流程，并在課后由學生提交認識實習報告，作為評價學習成果的依據。主要目的是給尚未系統學習專業知識的學生以直觀的認識，了解環境行業的具體工作流程和方法，一方面可以激發學生的學習熱情，另一方面使學生對后續專業知識的學習有初步的概念［6］。

1.2 實驗課程

實驗課程在環境科學與工程專業中占據重要地位，每個高校都會設置大量的學時來進行實驗課程的授課。實驗課程一般包括環境監測、環境化學、環境微生物等基礎性實驗課程，還有水污染控制工程、大氣污染控制工程等專業性實驗課程，幫助學生理解理論課程中提到的各種工藝的基礎原理，掌握基礎的環境監測技能，并提高他們的動手能力［7-8］。

1.3 課程設計

為了使學生更深入理解專業課的基礎知識，同時讓學生們更好地掌握就業技能，國內高校的環境科學與工程專業普遍設置了污水處理課程設計、環境影響評價課程設計等設計實踐課程，為培養合格的環境工程師奠定基礎［9］。課程設計要求每位同學綜合自己所學的知識，根據教師給定的設計目標，通過查閱資料和思考完成圖紙繪制、計算說明書的編寫，最終完成污水處理廠、環境影響評價項目的設計。

1.4 畢業實習

在畢業前，環境工程專業的學生通常需要到一線生產單位進行實踐學習。國內各高校對畢業實習的時長要求不太一致，一般是兩周或一個月。畢業實習要求學生在這段時間內找到一家相關環保單位進行實習。實習期結束后，學生請實習單位開具實習證明，并在返校后提交實習報告或進行答辯考核［10-11］。

1.5 畢業論文／設計

畢業論文／設計是每個大學生畢業前的最后一道關卡。對于環境科學與工程專業的學生來說，他們選擇通過實驗探究科學，如嘗試某一種新型的污水處理技術的效果；或是設計某城市的排水系統。

1.6 問題分析

上述5大類課程構成了一個相對完備的實踐課體系：認識實習讓學生對環境專業有了初步認識；實驗課程讓學生掌握了基本的實驗技能；課程設計使學生更深入學習工程類技能（繪圖、計算）；畢業實習讓學生到一線生產單位進行實踐；畢業論文／設計則讓學生按照自己的興趣或就業方向，選擇課題并完成，大大提升了實踐能力。

然而，這樣的課程體系仍存在一些問題。首先，我們培養的環境工程師們在實際工作中需要團隊合作。團隊合作是工程師教育的重要組成部分［12］，而現有課程涉及團隊合作的成分較少。其次，課程實踐的內容比較固定、陳舊，對培養學生的創新能力不利。此外，高校的老師往往更注重科學研究，工程實踐涉及較少，使得學生所做的課程設計、畢業論文等不夠接地氣，即使有畢業實習這一讓學生走到企業前線的課程，但因存在資源短缺、考核松散等問題，不利于培養學生的職業能力［10］。最重要的是，傳統的課程所教授的內容更多注重于環境污染的末端處理，難以應對當前復雜的環境問題，實際上，環境保護應當走到“源頭治理”，從前端設計環節來避免環境污染的發生。國外大學早已進行了創新設計課程實踐，其特點是：重實踐與行業實戰、課題制（項目制）、理念創新（關注可持續性、生態友好、城市友好）。結合對國外課程建設情況的調研，本文所提出的“創新設計課程”將能很好彌補國內實踐課程體系現有的缺點，有利于更進一步培養學生的實際問題解決能力和創新能力。

2 創新設計課程模式構建

創新設計課程教學模式的內涵是基于校企共同以實際應用型課題為導向的聯合培養，包括校企聯合以解決實際問題為出發點篩選課題、學生團隊參與課題、教師團隊講授指導、學生與校企導師共同頭腦風暴、學生依靠團隊合作不設邊界解決問題進行創新設計、學生在有限時間和資金支持下完成改進與驗收等教學環節。各教學環節之間的關系見圖1。

圖1 創新設計課程教學模式

2.1 校企聯合以解決實際問題為出發點篩選課題

開課前1～2個月，任課教師聯系數家相關環保企事業單位，確定聯合培養學生的合作關系，并請這些單位安排1或2名經驗豐富的工程師或相關專家作為校外指導老師，共同指導學生。在此基礎上，由企業提供基于實際環保項目的課題，課題需緊密結合當前環保市場的需求，可以是一個迫切需要解決的環保問題（環境咨詢項目），也可以是創新型環保材料研發等。匯總各企業提供的課題，教師結合學生的實際情況、課題難度、課題實施的意義、創新的可能性等多種因素選擇課題，最終選定6～7個課題供學生選擇。

2.2 學生團隊參與課題

任課教師向同學們介紹各個課題，并請學生填報選題意愿。根據學生所填報的選題意愿（每人可選3個），結合學生成績、特長、興趣等眾多因素，為學生進行分組，最終確定5～6個小組，每組6或7人（學生總人數為30～40人），并為每個小組配備校內指導老師，形成學生-校內導師的合作小組，該小組可直接深入社會企事業單位與校外導師進行聯系，有助于學生與社會單位的深度融合，提高課題完成的質量。

需要注意的是，每個小組的人數需適量。太小的團隊對突發情況的抵御力不足，容易導致任務失敗；而人數眾多的團隊，不利于學生發揮主觀能動性。研究表明，問題解決型團隊的最佳人數在5～12名［13-14］。綜合考慮選課的人數，并保證校企導師可以進行有效的指導，確定團隊的人數為6或7人。

2.3 教師團隊講授指導

在第一堂課上，教師向學生全面介紹生態環境的國內外發展及創新應用、課程具體內容與任務、進度安排、注意事項等，并結合自身完成環境工程項目的經歷向同學們展示實際的環境工程項目是如何運行的，有助于學生后續更好開展自己的“創新設計”。同時，校內外導師也會就課題背景對同學們進行指導講解，帶領同學們入門。

2.4 師生共同開展頭腦風暴

第1堂課之后，每個小組需要盡快根據課題進行深入的背景調研，整理該領域的理論研究與實際應用的研究進展，挖掘可能的創新點。然后，與組內的兩位導師——校內導師與企業導師，共同討論，開展頭腦風暴，明確需要解決的問題，確定創新設計邊界，并確定初步的創新設計思路。

完成初步思路以后的另一個關鍵階段是對潛在創新設計進行評估。而在此步驟中，明確解決方案是非常重要的。同學們需要仔細思考，比較在頭腦風暴階段開發的各種設計想法，以更好地達成既定設計目標，團隊將能夠更仔細、高效地利用時間及材料。因此，必須仔細研究，以決定下一階段采取哪種方法。

導師團的指導和團隊合作都是創新的重要因素，在這個過程中，學生們可以很好地鍛煉自己的思維，同時，因為有導師指導，能保證不偏離原始的設計目標。在完成設計目標的同時，亦可提升創新思維與能力［15］。

2.5 團隊合作不設解決問題的邊界進行創新設計

評估完第1次頭腦風暴確定具體的設計目標與思路后，同學們就要根據擬定的思路進行“創新設計”。由于各組的課題性質并不一樣，因此，實行的途徑并不一致：可先進行現場調研，或者先開始進行設備或材料的采購等。從設計理念到實現的過程一般需要10周時間（授課總時長以16個教學周計）。此外，在這個過程中需要穿插多次的頭腦風暴（小組每周開會討論），通過頭腦風暴，小組不斷迭代、優化設計方案，并針對遇到的困難與不足提出解決辦法，建立并測試設計方案的原型，即“小版本”。

在進行創新設計的過程中，最重要的是團隊合作。作為團隊成員如何有效工作是每個人必須學會的基本技能。一個團隊由6或7個人組成，每個人都各有優缺點，不同的個性。因此，找到最好的團隊合作方式不是一件易事，但探索最佳合作方式的過程是極其寶貴的。一個成功的團隊往往是多元化的團隊，團隊工作按時高效，成員們互相尊重并分工明確。

2.6 有限時間、有限資金支持下完成改進與驗收

為了便于各小組之間互相學習、交流，幫助各小組改進、完善創新設計，同時促進校企導師對各小組的指導作用，課程中實施了周報、月報、期中匯報制度，每個小組每周要撰寫周報，每月要提交月報。周報、月報要求學生們對1周／1月的工作進行總結，跟進進度，并指出當前現存的問題與可能的改進方法。期中匯報則是在第8個教學周后開展，學生們展示當前的設計進度，所有的校企導師都參與周報、月報、期中匯報的評分，并給出建設性意見，以幫助同學們更好地完成創新設計。

整個教學環節周期是16周。經過大約12周的努力，每個組基本完成了創新設計，最后的4周是改進與驗收。“羅馬不是一天建成的”，創新設計也不會一次就達到最好，反復地評估“產品”是創新設計過程的一個重要環節，團隊應通過這個環節評估“產品”的優缺點。學生需要抓住最后4周進行改進與評估，確保所設計的產品或方案確實能解決實際問題，這也是創新設計的最終目標。

完成創新設計后，各小組還需撰寫對應的產品說明書或設計計算書等（統稱為項目結題報告）。在學期末，將邀請各個企業代表、校企導師共同參與創新設計評審，為“項目”召開“驗收會議”，作為考核的重要依據（50%）（見圖2）。考核的其他要素還包括：月報／周報按時提交與質量（20%）、期中匯報（10%）、組員互評（10%）、預算執行（10%）。這些考核的指標在課程開始時向學生說明，以調動學生們的學習熱情，提高教學效果［16］。

圖2 “創新設計課程”考核模式

3 創新設計課程教學實踐總結

3.1 課程實踐成效

課程在2017～2019年已開展了3年，取得了良好的成果。學生與校企導師組成的團隊共計完成了16個創新設計項目（見表1），解決了諸多亟待解決的實際環境問題，包括深圳市某污水廠總磷超標原因分析與應對策略、某濕地公園生態環境提升、基于模擬的污水處理廠提標改造、危險廢物處理市場與創新技術調研報告、環保數據實時傳輸APP制作等。這些創新設計得到了合作企業的一致好評，為企業帶來了實在的經濟效益，并促進了深圳市生態環境質量的提升，其中一些成果可推廣應用。

表1 學生在2017～2019年間已完成的創新設計課題列表

同時，創新設計課程有助于培養學生的表達能力、時間管理能力、團隊合作能力、解決實際環境問題能力、充分調用資源能力等。筆者以走訪、座談的形式對參與課程的學生進行了調查，參與課程的學生普遍認為，在修讀該課程后，他們在處理實際環境問題時的思維和動手能力都有顯著的進步。此外，與企業的交流、接觸使得他們了解了環保領域的企業或機構在運營、管理項目和解決問題方面的操作流程及經驗，這對同學們的創業、就業有重要的啟發和指導意義。

3.2 課程優缺點分析與未來改進空間

創新設計課程具有如下優點：

(1)學生參與度提高。創新設計課程以學生為主體，有效提高了學生的課程參與度。在整個課程過程中，學生用創新的思維方式占據課堂主導地位，導師起輔助、把關作用，這樣的氛圍有效地提高了學生的課程參與度。尤其是每周同學們進行的頭腦風暴，充分調動了同學們的積極性。

(2)學生對大學4年所學知識深化理解。創新設計不是完全推翻舊的理論知識，而是要求同學們基于自己的專業知識，輔以前沿創新科技或理念，來完成創新設計，這對同學們進一步理解自己的專業理論知識有極大的提升作用。

(3)學生創新、實踐能力得到磨煉。創新設計課程有助于提高學生的創新能力和實踐能力，并培養了學生利用創新解決實際問題的能力。通過自主完成創新設計，同學們提高了實踐能力，而團隊合作、思維碰撞也提高了同學們的創新能力。

(4)學生團隊合作能力得到提升。創新設計課程使學生學會在團隊中工作，對團隊合作有充分理解。這對合格工程師的培養至關重要。

(5)可接觸前沿應用課題。學生同企業充分接觸，有助于學生了解當前業界前沿與未來的技術發展趨勢。

(6)促進產學研合作。創新設計課程促進了高校、企業與科研機構的產學研合作，有利于高校向業界輸送高質量的人才。

通過創新設計課程的實踐，深深感到在今后的教學活動中應關注以下兩點：①企業資源的篩選。教師需要在前期做大量的工作，先是找到有合作意向的企業，并達成聯合培養學生的意向。然后需要針對學生的特點與興趣進行課題篩選，這需要授課老師耗費大量的時間與精力；②課題難易的差異。盡管已經對課題進行了篩選，但由于實際環境問題的復雜性、多樣性，難免存在難度不一的課題，這給教師如何充分調動學生積極性帶來一定挑戰。

在下列兩方面仍存在改進的空間：①與企業長期保持合作。基于現有的合作企業，選取其中幾家優秀的進行長期合作，這樣未來可以提高合作的效率，而且隨著學生們完成的創新設計項目越來越多，企業對高校人才的培養模式滿意度越來越高，對未來進一步提高課題的質量有很大的意義。但企業的類型也需要不斷變化，以便讓學生接觸各種類型的課題；②改革考核制度。對于不同難度的課題，當難度差異達到一定水平后，應實行靈活評價制度。舉個例子，對于一些前期推進較慢的課題，比如利用模型進行模擬分析這一類的課題，可適當降低期中匯報的要求，以鼓勵學生并充分調動學生積極性完成創新設計。

4 結 語

大學四年級是銜接在校教育與職場的重要階段，在大學四年級強化實踐課程教學具有深遠意義。針對環境科學與工程學科現有實踐課程的不足，提出“創新設計課程”教學模式，并以我校2017～2019屆環境科學與工程學生為研究對象進行了教學實踐。實踐結果證明，創新設計課程起到了實效，不僅提高了學生的課堂參與度和學生團隊合作的能力，同時充分鍛煉學生利用創新思維解決實際環境問題的能力。

當前，該課程尚存在企業資源配對、課題難度存在差異等不足，未來需要進一步深化與企業的長期合作，探究校企導師的指導程度對學生創新能力、團隊合作、解決實際環境問題能力等多種能力的提升作用，并對課程考核制度進行探索，以達到更好的教學效果，培養更加優秀的、面向未來的環保人才。