新工科背景下環境類一體化實驗教學體系構建研究

胡將軍 劉慧龍 毛旭輝 王 旭

武漢大學資源與環境科學學院，湖北 武漢 430079

2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設，對培養適應經濟社會發展的寬口徑、厚基礎、高素質、強能力的創造、創新、創業型復合人才提出了要求，以對我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐［1-2］。在新工科的背景下，環境科學與工程專業的發展也受到了新的挑戰，要求環境學科培養全方位、多層次、全面型發展人才［3-4］。而實驗教學是環境類專業教學過程的重要組成部分。高水平實驗教學是培養創新型人才的基礎，也是學生鞏固和加強課堂理論教學內容、具體實踐理論知識的重要環節［5-6］。

因此，為了提高環境類專業學生的能力，特別是工程實際應用的能力，各高校環境類專業對實驗教學課程體系進行改革和創新，重點是強化綜合、創新能力的培養［7-8］，特別是一些知名高校。如清華大學環境學院“以不斷創新實驗實踐教學體系與教學模式為動力，提高學生的環境保護意識、知識綜合應用能力、實踐能力和創新能力，培養高質量、復合型拔尖創新人才”，突出復合型人才的培養。北京大學在原來環境科學專業的基礎上，突出基礎學習與專業學習的有機結合，強化本學科在環境科學—管理—工程技術上的綜合性、系統性。但這些改革對于工程應用型的實驗開展仍然沒有取得突破性進展，沒有實現科學研究與工程應用為一體的實驗教學體系［9-10］。因此，在新工科的背景下，為培養環境類專業的全面復合型人才，提高學生的知識綜合應用，工程問題分析及創新發展能力，構建“科學研究—技術創新—工程應用”的一體化實驗教學體系是當務之急，也是長遠之策。

一、環境類專業實驗教學現狀

環境科學與工程一級學科是一門新興的邊緣性科學，其中下設的兩個二級學科是環境科學和環境工程，環境科學是理科專業，更注重基礎理論研究的實驗，環境工程是工科專業，更注重工程應用的實驗。過去兩個專業的實驗教學內容相互獨立，互相滲透和融合比較少，同時也存在實驗創新性不足，過于理論化導致實踐價值不強，特別是針對工程應用方面的缺失等問題。然而，當前社會需求的環境類專業畢業生既要具有研究創新能力，又要具有工程應用能力。因此，新工科背景下要求環境類專業進行交叉融合，形成科學創新、技術開發和工程應用的新型實驗教學體系。但目前各高校環境類專業實驗教學顯然不能滿足當今社會發展對人才的要求。

（一）實驗教學的創新性不足

當前社會的科學技術飛速發展，但很多高校環境專業的實驗課內容僅僅局限于課本，實驗內容陳舊，大多是驗證性實驗，缺乏讓學生思考的實驗內容，沒有創新性，沒有捕捉專業前沿的科研成果和社會的需求并將其補充到實驗教學內容中，鮮有涉及新的實驗技術和方法。這樣的教學模式下培養出的學生將不能夠及時了解學科發展動態和趨勢，缺乏科學研究的創新性，不能適應現代科學技術發展的要求。

（二）實驗教學的工程應用性不強

由于實驗條件的限制，特別是缺少工程應用型的實驗裝置，以及缺少熟悉環境工程應用經驗的老師，目前的實驗教學設計過于理論化，與實際工程的情況相差較大，工程應用性不強，導致學生的工程問題分析及解決能力不能得到發展，缺乏專業相關的實踐能力，不利于培養環境類專業復合型人才。

（三）實驗教學的交叉融合不夠

環境類專業由環境科學與環境工程構成，其中環境科學實驗包括環境化學實驗、環境微生物學實驗、環境監測實驗等；環境工程實驗則包括水污染控制工程實驗、大氣污染控制工程實驗、固體廢棄物處理處置實驗等。環境類專業的實驗課設計通常繁亂而分散，專業基礎實驗課較多而專業課較少，同時在設計實驗項目時，通常以單個實驗項目為基礎進行設計，而缺少從學科角度思考的實驗項目之間的交叉滲透、相互融合，使得目前的實驗教學缺乏系統性和整體性，不利于學生專業能力和綜合素質的培養。

二、環境類一體化實驗教學體系構建

為滿足目前新工科建設中社會對復合型人才的需求，提高學生的創新水平和工程應用能力，建立了以基礎實驗—專業實驗—創新實踐為基礎的“科學研究—技術創新—工程應用”的一體化實驗教學體系，如圖1 所示。首先，通過基礎實驗訓練提升學生的實驗基本技能和基礎實驗能力；其次，再通過環境科學—環境工程理工交叉融合的專業實驗課程，來提高學生的專業實驗能力和綜合應用能力，在豐富科學上的專業研究知識的同時注重工程上的綜合應用情況；再次，通過以應用性實驗為基礎的創新實踐的內容，培養學生的應用創新能力；最終，達到實驗基本技能—基礎實驗能力—專業實驗能力—綜合應用能力—科研創新能力—工程應用能力的多層次能力的培養目標，實現科學研究—技術創新—工程應用一體化的實驗教學。使得培養后的畢業生既具有研究創新能力，又具有工程應用能力，基本符合目前新工科背景下社會對環境類復合型人才的需求。

圖1 環境類一體化實驗教學體系圖

（一）基礎實驗

基礎實驗分為學科基礎實驗和專業基礎實驗兩個部分。其中學科基礎實驗包括大學物理實驗、儀器分析實驗和基礎化學實驗，如無機化學實驗、有機化學實驗、物理化學實驗等。學科基礎實驗的教學注重培養學生的實驗基礎技能，使學生掌握科學的實驗方法，具備良好的實驗素養，是大學實驗課程的基礎。而專業基礎實驗則包括環境微生物學實驗、環境化學實驗、環境監測實驗等。在專業基礎實驗的設計中，不僅要注重每項實驗課程的教學，還應該注重環境科學與工程綜合實驗的實施，強調不同課程的交叉融合，使學生不僅能熟悉不同實驗課程的實驗內容，還能具有將課程所學知識應用于解決基礎環境問題的能力。通過鼓勵學生將所學理論知識融入專業基礎課程，并將理論知識應用于分析和解決實際環境問題，培養學生理論聯系實際的創新應用能力，為專業實驗教學模塊的建設奠定基礎。

（二）專業實驗

專業實驗分為環境科學理論實驗和環境工程治理實驗兩個部分。傳統的環境科學實驗與環境工程實驗教學中，前者更注重基礎理論研究的實驗，而后者則更注重工程應用的實驗。兩個專業的實驗教學內容相互獨立，交叉滲透性較差，不利于復合型應用人才的培養。針對此問題，改進了環境類專業實驗的課程內容，以實現環境類專業在實驗教學內容上的理工交叉融合。

具體來看，環境科學理論實驗包括環境質量綜合評價實驗、環境工程學實驗和室內環境監測實驗等。這既體現了環境科學的科學研究性特點，又與當前的工程應用市場需求密切相關。不僅注重理論分析，而且注重工程實踐，有助于加強學生應用專業知識解決環境問題的實踐能力，提高學生獨立自主地理解、分析和解決實際環境問題的素養。環境工程治理實驗則以治理環境污染的實驗為主，主要包括水污染控制實驗、大氣污染控制實驗、固體廢物處理處置實驗、環境工程原理實驗等。本模塊的實驗課程除了單一物態污染物的處理技術外，更注重運用不同課程之間的相互整合以綜合處理不同物態的污染物，使學生不僅能有效地分析及解決復雜的環境污染問題，而且能發展他們的環境類學科的宏觀知識體系的概念，在注重工程應用的同時鞏固并深化了理論知識，綜合利用不同課程的知識來達到環境工程學科的污染治理的目的。

在實驗教學內容選取上，將教師原創性的研究成果轉化為實驗項目，從某種意義上代表了本學科領域或研究方向的新思想、新方法和新技術，不僅內容新穎，針對性和實用性都很強。例如“水中羥基自由基的間接法測定”是一個設計實驗項目，學生已經從在前面的實驗“活性染料在水溶液中的光化學降解”利用羥基自由基完成了對橙黃Ⅱ的降解，具備了一定的基礎知識，學生對這一選題很有興趣。該實驗為學生提供了較寬闊的思考空間和選擇余地，充分發揮學生的創造力。

在廢水處理實驗項目中，結合工程實際的特點，選擇環境水處理工程中較難處理的工業廢水如印染廢水、重金屬廢水和含油廢水，教師將學生分成若干小組，提出廢水處理基本要求，學生查閱資料，自主設計實驗方案，自主動手組裝實驗裝置，完成實驗，分析實驗數據并完成實驗報告，整個過程相當于一個廢水處理工程的全流程。如以處理油廢水為例，處理原理有：乳化破乳、電氧化還原、超濾處理等，要解決的問題有：乳化劑比例、攪拌破乳速度時間、電氧化還原選用的電極、電氧化還原電壓電流、超濾材料的選用等等參數的確定，與工程實際比較接近，培養了學生綜合應用理論知識的能力和工程應用的能力。

（三）創新創業競賽“以賽促學”

創新實踐分為生產實習、學科競賽、創新創業、畢業論文四個部分。其中生產實習是讓學生投入環境方面的實際工作中，讓學生有機會將理論知識與實際工作需求相結合，充分體現了理論聯系實際的人才培養目標，有助于提高學生的創新意識和應用能力。而學科競賽，創新創業項目和畢業論文等創新實踐內容則是以大學中導師的科研項目作為任務，通過開放式、討論式、研究式融于一體的教學方法，驅動學生獨立思考、自主完成創新性的研究課題。相比于常規的專業實驗，導師的科研課題更具有學科發展前沿和工程實際應用的特征。通過學科競賽、創新創業、畢業論文等任務驅動型實驗教學，可以培養學生的文獻查找及閱讀能力，了解環境學科的最新發展動態；同時將基礎和專業知識聯系起來并應用于實際工程問題的解決，發展學生的創新實踐能力，有利于復合型環境專業人才的培養。

三、結語

新工科的建設背景對環境類專業的發展提出了新的挑戰，要求環境學科培養全方位、多層次、全面型發展人才。針對目前環境類專業的實驗設計中存在的創新性不足、應用性不強、系統性和整體性不足等問題，提出了以基礎實驗—專業實驗—創新實踐為基礎的“科學研究—技術創新—工程應用”的一體化實驗教學體系，并做到實驗教學內容將環境科學與環境工程理工交叉融合。以此達到實驗基本技能、基礎實驗能力、專業實驗能力、綜合應用能力和應用創新能力的多層次能力的培養目標，綜合發展學生的研究創新和工程應用素養，以滿足新工科背景下社會對環境類復合型人才的需求。