以全程能力強(qiáng)化為目標(biāo)，提升環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量

薛 罡， 陳 紅， 張 艾， 錢雅潔， 李 響， 張文啟， 饒品華， 張文娟， 劉振鴻

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，上海 201620)

我國(guó)環(huán)境工程專業(yè)最早設(shè)立于20世紀(jì)70年代，部分源于土木工程系的給水排水工程專業(yè)，部分基于工業(yè)行業(yè)污染治理需求設(shè)立[1]。環(huán)境工程專業(yè)設(shè)立于我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程興盛時(shí)期。社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的直接需求，決定了環(huán)境工程專業(yè)的人才培養(yǎng)定位以培養(yǎng)面向一線的工程技術(shù)人才為主，教學(xué)知識(shí)體系以理論與工程經(jīng)驗(yàn)為主[2]。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著工業(yè)化進(jìn)程進(jìn)一步深入、生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)的提出以及環(huán)境污染高標(biāo)準(zhǔn)治理倒逼機(jī)制的實(shí)施，環(huán)境污染治理問題逐步由單一工程問題演變?yōu)閺?fù)雜工程問題，并呈現(xiàn)日益突出的態(tài)勢(shì)[3]。相應(yīng)地，高校環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)應(yīng)逐步轉(zhuǎn)向涵蓋科學(xué)研究的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)模式[4]。

為進(jìn)一步前瞻性地應(yīng)對(duì)復(fù)雜工程問題及高標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境保護(hù)要求，在技術(shù)研發(fā)、工程示范及產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域逐步出現(xiàn)前瞻性技術(shù)引領(lǐng)發(fā)展模式。例如，目前諸多龍頭水務(wù)企業(yè)、設(shè)計(jì)院開始設(shè)置研究院所，主要為前瞻性技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用提供科技支撐。當(dāng)前，科學(xué)驗(yàn)證及工程應(yīng)用全方位相互融合、相互支撐的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)模式開始走向歷史舞臺(tái)，并逐步融入高校環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系。其中，兼具科學(xué)素養(yǎng)及工程能力的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)已成為發(fā)展趨勢(shì)[5]。

為實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)，需構(gòu)建涵蓋“需求辨識(shí)、工程問題剖析、科學(xué)問題解析、解決方案優(yōu)化”全鏈條的問題導(dǎo)向型人才培養(yǎng)模式。現(xiàn)代工程教學(xué)內(nèi)容已不僅僅限于理論與工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)，更為重要的是使學(xué)生具備從復(fù)雜工程問題中理清各種矛盾的能力，進(jìn)而能夠以先進(jìn)的、前瞻性的科學(xué)分析提出最優(yōu)解決方案。為此需要教師與學(xué)生協(xié)同一致，培養(yǎng)學(xué)生“需求-工程問題-科學(xué)問題-解決方案”全過程分析及解決問題的能力，以達(dá)到創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)要求。

一、全程能力強(qiáng)化培養(yǎng)要求的提出

要解決工程問題，首先必須認(rèn)識(shí)工程問題的來源、技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用需求，尤其要深度認(rèn)識(shí)大型、系統(tǒng)工程中的復(fù)雜問題，進(jìn)而以科學(xué)理念和方法剖析復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵所在，以及問題產(chǎn)生和解決的內(nèi)在機(jī)制，最后提出最優(yōu)解決方案。“需求—工程問題—科學(xué)問題—解決方案”全程能力強(qiáng)化人才培養(yǎng)模式涉及以下四方面的內(nèi)容。

1.需求辨識(shí)

環(huán)境污染治理領(lǐng)域需求的判別不僅限于常規(guī)理解的污染治理、技術(shù)研發(fā)及工程實(shí)施需求，而且涉及共性和個(gè)性科學(xué)問題、工程問題需求的宏觀和前瞻性預(yù)判。例如，對(duì)于污廢水處理高級(jí)氧化問題，不僅需結(jié)合現(xiàn)實(shí)的工程案例使學(xué)生掌握傳統(tǒng)芬頓等高級(jí)氧化技術(shù)的適用范圍及其在污廢水處理領(lǐng)域的需求，而且要讓學(xué)生掌握該技術(shù)在中性反應(yīng)條件下的障礙以及芬頓污泥減量資源化的共性問題，并結(jié)合當(dāng)前科學(xué)進(jìn)展對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判分析。簡(jiǎn)言之，對(duì)一個(gè)環(huán)境污染治理的實(shí)際問題和技術(shù)，不僅要辨別是否是領(lǐng)域共性實(shí)際需求，更重要的是在此基礎(chǔ)上判別由此衍生的科學(xué)研究、工程技術(shù)研發(fā)問題及發(fā)展動(dòng)態(tài)。

在人才培養(yǎng)過程中，需求辨識(shí)能力的形成遠(yuǎn)不限于對(duì)課內(nèi)專業(yè)知識(shí)的理解，尚需豐富的工程實(shí)踐，甚至對(duì)環(huán)境倫理學(xué)、生態(tài)學(xué)的理解。對(duì)需求的深度認(rèn)識(shí)不僅有助于學(xué)生深刻理解所從事專業(yè)學(xué)習(xí)和工作的重要性，而且可使學(xué)生發(fā)乎內(nèi)心地認(rèn)識(shí)專業(yè)內(nèi)涵及魅力。此外，對(duì)需求的認(rèn)識(shí)目前已不限于實(shí)際的工程應(yīng)用需求，已擴(kuò)展至對(duì)技術(shù)研發(fā)及科學(xué)研究需求的認(rèn)識(shí)。因此，要求學(xué)生通過長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)、科研及工程實(shí)踐培養(yǎng)對(duì)專業(yè)需求問題的敏銳判別力，同時(shí)對(duì)教師提升自我，具備良好的科研、教學(xué)能力及個(gè)人素養(yǎng)也提出了更高要求。

2.工程問題剖析

依據(jù)環(huán)境工程領(lǐng)域的水、氣、固、土污染治理技術(shù)的發(fā)展、演變特征，環(huán)境污染治理工程問題可分為單一工程問題和復(fù)雜工程問題(圖1)。

圖1 環(huán)境污染治理工程問題分類及相應(yīng)技術(shù)特征

工程問題的演變隨生態(tài)環(huán)境治理要求的發(fā)展大致分為兩個(gè)階段：第一階段，在工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展初期，環(huán)境污染治理要求初步構(gòu)建時(shí)，限于較低的環(huán)境保護(hù)要求及標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)的工程問題大多呈現(xiàn)單一目標(biāo)、單一介質(zhì)及單一污染特征；第二階段，隨著工業(yè)生產(chǎn)能力的擴(kuò)容及污染物排放量的增加，可資利用的環(huán)境容量逐漸減小，環(huán)境治理要求逐步提升，單一工程問題逐步演化為復(fù)雜工程問題。例如：對(duì)于紡織印染行業(yè)，早期的水污染排放標(biāo)準(zhǔn)要求較低，同時(shí)限于印染產(chǎn)品單一，染整生產(chǎn)工藝所使用的染料、助劑等可生化性較好，這一階段的水污染控制工程以較為簡(jiǎn)單的生物處理為主，物化處理為輔；后期水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)及回用率提升，印染廢水治理不僅面臨深度處理和回用的問題，而且除有機(jī)物之外，苯胺、六價(jià)鉻、銻等特征污染物也成為印染廢水治理工程實(shí)踐中的重點(diǎn)關(guān)注污染物，在工程實(shí)踐中面臨多目標(biāo)污染物同時(shí)存在及協(xié)同去除的難點(diǎn)，從而演變?yōu)槎嗄繕?biāo)、復(fù)合污染的復(fù)雜工程問題。

單一工程問題在既定的治理目標(biāo)下，采用成熟技術(shù)或其組合即可解決，主要涉及工藝方案確定、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)等問題，但復(fù)雜工程問題解決難度較大。例如：受污染地下水、土壤協(xié)同治理的“土水共治”，是更為復(fù)雜的多介質(zhì)污染治理問題；采用化學(xué)氧化修復(fù)雖然對(duì)土壤或地下水中污染物有效，但修復(fù)土壤時(shí)外加藥劑易于污染地下水，采用化學(xué)氧化法原位修復(fù)地下水時(shí)外加藥劑又易于污染土壤，因此需研發(fā)“土水共治”綠色修復(fù)技術(shù)。而目前的教學(xué)中主要集中講授單一介質(zhì)、單一目標(biāo)污染物去除的基本原理及方法，基本不涉及多目標(biāo)、多介質(zhì)、復(fù)合污染的復(fù)雜工程問題原理、過程及技術(shù)。未來在人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，應(yīng)著重設(shè)置復(fù)雜工程問題及其相關(guān)解決方案的理論與實(shí)踐教學(xué)，以提升學(xué)生對(duì)復(fù)雜工程問題的剖析及解決能力。

3.科學(xué)問題解析

依據(jù)環(huán)境污染治理領(lǐng)域中科學(xué)問題的屬性，可分為面向應(yīng)用基礎(chǔ)研究的工程性科學(xué)問題及基于基礎(chǔ)研究的前瞻性科學(xué)問題(圖2)。

圖2 環(huán)境污染治理科學(xué)問題分類及相應(yīng)特征

環(huán)境工程是典型的交叉學(xué)科，因而環(huán)境污染治理中的科學(xué)問題不僅限于基礎(chǔ)研究中關(guān)鍵問題溯源和原創(chuàng)性科學(xué)發(fā)現(xiàn)的相關(guān)前瞻性科學(xué)問題，還包括在工程技術(shù)研發(fā)及優(yōu)化的應(yīng)用基礎(chǔ)研究中滋生的工程性科學(xué)問題，包括技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用過程中涉及的方法與技術(shù)有效性、條件及影響因素、作用機(jī)理及機(jī)制等。對(duì)于環(huán)境污染治理領(lǐng)域的科學(xué)問題分析能力也是當(dāng)前創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)必不可少之要素，對(duì)科學(xué)問題的準(zhǔn)確把握及解決是理清復(fù)雜工程問題并提出最佳解決方案的基礎(chǔ)。

對(duì)于環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)，通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)、實(shí)踐，掌握工程科學(xué)性問題的分析方法往往更為重要。例如：工業(yè)廢水組分的復(fù)雜性導(dǎo)致在工程實(shí)施前必須進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在進(jìn)行創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)時(shí)，面對(duì)一種從未接觸過的工業(yè)廢水，需要通過實(shí)驗(yàn)確定方法和技術(shù)的有效性，進(jìn)而通過對(duì)比試驗(yàn)摸清相關(guān)條件和影響因素，學(xué)有余力的學(xué)生還可進(jìn)一步探索水污染物去除的相關(guān)機(jī)理。盡管在環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系中已設(shè)置部分相關(guān)內(nèi)容(大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、課外科技活動(dòng)等)，然而目前尚未構(gòu)建成熟、完備的提升學(xué)生對(duì)工程科學(xué)性問題剖析及解決能力的培養(yǎng)體系。基于基礎(chǔ)研究的前瞻性科學(xué)問題剖析有助于在新技術(shù)研發(fā)中構(gòu)建工藝或技術(shù)原型，這一能力的培養(yǎng)主要集中于研究生教育階段。

4.解決方案優(yōu)化

工程問題主要分為單一工程問題及復(fù)雜工程問題，工程問題解決的落腳點(diǎn)為可行性工程方案及實(shí)施。針對(duì)單一工程問題，其治理目標(biāo)、特征污染物及介質(zhì)較為單一，采用處理單元或技術(shù)的串聯(lián)組合即可解決。例如：對(duì)于污廢水中有機(jī)物及氮素常規(guī)指標(biāo)的去除并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，需要設(shè)置水解酸化、缺氧和好氧、高級(jí)氧化等單元組合工藝，屬單一介質(zhì)、單一目標(biāo)工程問題；對(duì)于碳纖維生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水，僅去除廢水中特征污染物二甲基亞砜削減其廢水毒性，以利于后續(xù)生物處理，屬單一目標(biāo)、單一污染工程問題，僅采用芬頓高級(jí)氧化可達(dá)到排放水質(zhì)要求。在人才培養(yǎng)過程中，課程講授涉及各單元技術(shù)的原理、功能及設(shè)計(jì)參數(shù)選取，而具體實(shí)踐主要集中于課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。通過各教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握工程設(shè)計(jì)、操作技能。對(duì)于無設(shè)計(jì)規(guī)范可循的工藝參數(shù)優(yōu)化及工藝技術(shù)二次研發(fā)，則需具備一定的科研能力，通過設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)及課外科技活動(dòng)等環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生解決問題能力的培養(yǎng)。

對(duì)于涉及多元目標(biāo)、復(fù)合污染、多種介質(zhì)的復(fù)雜工程問題，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是單一技術(shù)或多種技術(shù)的簡(jiǎn)單組合所能解決的。例如：對(duì)于新疆印染廢水、棉漿粕和黏膠纖維廢水治理，是典型的多目標(biāo)、復(fù)合污染交錯(cuò)的水污染治理復(fù)雜工程問題。新疆屬干旱及水環(huán)境脆弱地區(qū)，基本無受納水體接納處理后廢水，廢水最終出路不同于內(nèi)地達(dá)標(biāo)排放至水體最終入海的模式，只能在沙漠地區(qū)建設(shè)中水庫(kù)貯存處理后廢水并最終用于生態(tài)林灌溉，但隨之引發(fā)鹽度在沙漠庫(kù)區(qū)富集的問題。而印染、棉漿粕和黏粘膠纖維生產(chǎn)過程中用鹽量較大，如不進(jìn)行脫鹽則易于引發(fā)沙漠庫(kù)區(qū)土壤及地下水鹽堿化。故新疆印染廢水、棉漿粕和黏膠纖維廢水治理不僅涉及常規(guī)污染物的去除問題，而且涉及廢水治理成本最高的脫鹽環(huán)節(jié)，因此必須基于鹽和污染物的“源頭減排、過程控制、末端治理”綜合考慮鹽度和污染物的削減問題。針對(duì)復(fù)雜工程問題，需在課程講授、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)、課外科技活動(dòng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等各環(huán)節(jié)積極并及時(shí)引入相關(guān)問題的理論講解及分析，在實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)引入大型、復(fù)雜工程的參觀甚至操作管理，在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)環(huán)節(jié)引入相關(guān)素材，有意識(shí)引導(dǎo)學(xué)生樹立解決復(fù)雜工程問題的理念并掌握其方法。

二、全程能力強(qiáng)化的人才培養(yǎng)體系構(gòu)建

基于上述分析，提出面向“需求—工程問題—科學(xué)問題—解決方案”全程能力強(qiáng)化的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)體系，見圖3。

圖3 面向“需求—工程問題—科學(xué)問題—解決方案”全程能力強(qiáng)化的人才培養(yǎng)體系

圍繞“需求—工程問題—科學(xué)問題—解決方案”全程能力強(qiáng)化的人才培養(yǎng)要求，在課程講授、課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)各環(huán)節(jié)應(yīng)重點(diǎn)把握人才培養(yǎng)工作要點(diǎn)。為達(dá)到需求辨識(shí)目標(biāo)，在課程講授中需重點(diǎn)引入環(huán)境污染治理問題分析、科學(xué)研究及工程技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)分析，在實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)重點(diǎn)引入新技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用的工程案例參觀及操作。在提升學(xué)生工程問題剖析能力方面，通過課程講授、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，引入單一工程、大型及系統(tǒng)工程案例素材，使學(xué)生明晰單一及復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵及關(guān)鍵環(huán)節(jié)；在科學(xué)問題的解析能力方面，以創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)論文涉及的科學(xué)研究為載體，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)技術(shù)研發(fā)和工藝優(yōu)化等應(yīng)用基礎(chǔ)研究中蘊(yùn)含的工程性科學(xué)問題的挖掘，以及對(duì)污染物去除的內(nèi)在機(jī)理等工程性科學(xué)問題的充分理解；在工程問題解決方案能力方面，主要通過畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練提升。

基于上述培養(yǎng)體系架構(gòu)，以期在“需求—工程問題—科學(xué)問題—解決方案”全過程綜合提升學(xué)生的理論水平和工程實(shí)踐能力，奠定科學(xué)驗(yàn)證-工程應(yīng)用全方位相互融合、支撐的創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)基礎(chǔ)。

三、人才培養(yǎng)中的關(guān)鍵問題

要在人才培養(yǎng)實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)“需求—工程問題—科學(xué)問題—解決方案”全程能力強(qiáng)化目標(biāo)，需重點(diǎn)把握“教與學(xué)”和“學(xué)與做”兩方面的辯證關(guān)系，尤其對(duì)于工科人才培養(yǎng)，使學(xué)生具備知行合一的能力至關(guān)重要。

“教與學(xué)”是人才培養(yǎng)的第一環(huán)節(jié)，事關(guān)教師能否把自己掌握的知識(shí)充分傳遞給學(xué)生，以及學(xué)生是否能夠充分接納、掌握教師傳遞的知識(shí)。在這一問題上，學(xué)生和教師的互動(dòng)尤為關(guān)鍵。在環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)中，教師是教的主體和知識(shí)的供體，除結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐，不斷提升自身對(duì)環(huán)境污染治理領(lǐng)域動(dòng)態(tài)發(fā)展的理解和認(rèn)識(shí)之外，還需掌握向?qū)W生傳遞知識(shí)的方法及藝術(shù)。例如：采用與工程實(shí)踐緊密結(jié)合的水污染控制工程案例教學(xué)法可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣并加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，是將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)深深印入學(xué)生頭腦的重要方法。同時(shí)，學(xué)生作為學(xué)習(xí)者及知識(shí)的受體，將枯燥的工科知識(shí)形成腦海中的畫面感并藝術(shù)化，是提升學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性的關(guān)鍵。其中一個(gè)重要問題是，教師作為學(xué)習(xí)實(shí)踐的發(fā)起者，除具備應(yīng)有的專業(yè)知識(shí)外，還應(yīng)以高超的教學(xué)水平和藝術(shù)、高昂的教學(xué)熱情去激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

“學(xué)與做”是學(xué)生真正將教學(xué)過程中學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)化為自身能熟練應(yīng)用的工程能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。人才培養(yǎng)過程中的課程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)及畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)“學(xué)與做”銜接和統(tǒng)一的重要途徑。在此過程中，學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體，因此學(xué)生充分發(fā)揮意識(shí)的能動(dòng)性，將所學(xué)理論知識(shí)通過實(shí)驗(yàn)操作、設(shè)計(jì)等實(shí)踐升華課堂知識(shí)并轉(zhuǎn)化為自身的能力。在這一過程中，教師主要發(fā)揮引導(dǎo)和審核作用，必要時(shí)讓學(xué)生參與創(chuàng)新性的科研課題、工程項(xiàng)目，助力實(shí)現(xiàn)“學(xué)與做”的并軌。

“教與學(xué)”和“學(xué)與做”的有效銜接是實(shí)現(xiàn)“需求-工程問題-科學(xué)問題-解決方案”全程能力強(qiáng)化并提升工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量的保障。尤其在工程問題剖析、科學(xué)問題解析、解決方案三個(gè)環(huán)節(jié)，這一措施尤為重要，因?yàn)檫@三個(gè)環(huán)節(jié)同時(shí)涉及“教、學(xué)、做”三方面交叉、互動(dòng)的人才培養(yǎng)內(nèi)容。

四、結(jié)語

時(shí)代的發(fā)展賦予工程能力培養(yǎng)新的內(nèi)涵，兼具科學(xué)分析與工程實(shí)踐能力已成為未來創(chuàng)新型工程技術(shù)人才培養(yǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。在環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)實(shí)踐中，除構(gòu)建融合理論與實(shí)踐、科學(xué)與工程、基礎(chǔ)與前沿三位一體的人才培養(yǎng)體系外，還應(yīng)把握“教與學(xué)”“學(xué)與做”兩大環(huán)節(jié)的無縫銜接，方能實(shí)現(xiàn)富有成效且符合生態(tài)文明建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)要求的環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)。