基于國際科考的環境專業實踐教學探索與實踐

李 梅，蔣麗娟，顧雪元，季 榮，周 慶

（南京大學環境學院，環境科學與工程國家級實驗教學示范中心（南京大學），南京 210023）

0 引 言

目前，環境問題日益全球化，而建設美麗中國始終是我們的追求目標。如何培養具備國際化視野、突出創新思維、卓越實踐能力和多學科交叉的環境類新工科復合型人才，是對深化環境專業本科人才培養體系改革和發展提出的又一大挑戰。2021 年4 月，習近平考察清華大學時強調，要打破學科專業壁壘，推進新工科、新醫科、新農科、新文科建設，加快培養緊缺人才；要加強國際交流合作，主動搭建中外教育文化友好交往的合作平臺，共同應對全球性挑戰。在新工科背景下堅持多學科交叉和開放合作的實踐教學模式，是環境專業創新型人才培養的新要求［1-2］。

1 環境學科的國際化實踐教學改革

國際化實踐教學模式作為人才培養體系的關鍵環節，可發揮培養學生實踐能力、提升學生創新思維、拓展學生國際視野等多重作用［3-4］，是我校在新時期堅持實踐教學、全面育人的重要載體。我校環境學院多年來堅持從院系特色出發，依托全球優質教育資源，積極創造條件，為學生提供參與專業實踐、接受引導性科研訓練的機會［5-6］。結合學科特點，學院于2019 年首次開展“萊茵河流域生態環境國際科考與科研訓練”項目，以國際科考為平臺，開展綜合性、跨學科、研究性的科研訓練，為學生創造融入國內外一流教研機構、公共組織和實踐平臺的學習機會，營造開放、自主的成長氛圍；同時，這也為培養以創新實踐能力為導向的專業、跨界和綜合型新工科人才提供了豐厚土壤。

2 以學科交叉為特色的項目知識結構設計

萊茵河全長1 230 km，流經6 個國家，流域面積22 萬km2，流域人口6 100 萬。作為歐洲的“父親河”，其流域管理作為成功案例對全球流域治理意義深遠，是開展教學和創新研究的天然實驗室［7］。我校依托與萊茵河沿線國家高校的良好交流合作基礎，設立了“萊茵河流域生態環境科考與國際訓練項目”，為學生們提供科研訓練和實踐的國際化平臺。科考項目主要面向我校環境學院已完成環境專業基礎課程及環境化學實驗和污染生態學實驗等實驗課程的本科二、三年級學生，幫助他們在具備理論知識儲備和實驗技能基礎上，整合提高已有知識能力，盡早參與到國際化的科研實踐訓練中去。

為提升環境專業學生的綜合素質，實踐項目融合環境、水文、化學、管理等多學科專業內容，為學生提供交叉復合型知識。項目制訂了科考指導手冊，內容包括萊茵河地理基本情況、水文特征和水生種群分布、環境保護和污染控制政策、水質監測和污染處理方法等，據此各專業小組完成選題、匯報和修改定稿，使科考更具目的性。帶著明確目標出發，將更有利于學生在科考中主動發現問題、探索問題。科考期間，及時更新日志及推文，每日匯總實地考察數據并討論，記錄科考情況并動態調整進度安排；科考結束后，以小組形式高質量完成項目成果的總結和匯報，制作視頻并匯編手冊，為后續的科考接力留下珍貴資料（見圖1）。

圖1 2019年暑期萊茵河流域科考方案

3 以沉浸式體驗為手段的實踐資源供給

科考團于2019 年4 月由3 位老師、21 名本科生和1 名“飛越計劃”選拔的中學生正式組成，并邀請瑞士西北應用科學與藝術大學（University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland，FHNW）生態創業研究所所長Philippe Corvini教授和德國利奧波第那（Leopoldina）國家科學院院士、康斯坦茨大學（Konstanz University）Bernhard Schink教授牽頭參與指導。除本專業主力軍外，科考團還包括了與環境領域密切相關的地球科學與工程學院、地理與海洋科學學院、生命科學學院、化學化工學院的多名本科生。隊員具備了理、工、文多學科交叉背景與視野，既能獨立開展工作，又可實現多學科背景的團隊合作。出發前，團隊已接受了全面的知識培訓和技能強化，包括相關儀器設備使用培訓、野外實地考察培訓等，并在對長江入江口及其下游九鄉河實地水樣采集和水質檢測分析實踐活動中得以磨合，實現了優化分工、改進方案、提升效率的目標。

科考項目在萊茵河流域設計了20 多個生態環境考察點位（見圖2），覆蓋從上游到下游全流域，為學生提供了“沉浸式”考察萊茵河全流域生態環境的機會。自上游康斯坦茨（Konstanz）出發，途徑巴塞爾（Basel）、路德維希港（Ludwigshafen）、美茵茨（Mainz）、科布倫茨（Koblenz）、科隆（K?ln）、杜塞爾多夫（Düsseldorf）、杜伊斯堡（Duisburg）和艾默里奇（Emmerich）等地，團隊在15 天內跨越了3 個國家11個城市，歷經600 余km，采集預設點位的水體、生物和底泥樣品。不僅在現場測定了pH 值、氮、磷、生化需氧量、透明度和濁度等水質基礎指標，還在康斯坦茨大學實驗室觀察了水樣中微生物形態、密度等生物指標，并在FHNW 大學實驗室采用電感耦合等離子體質譜儀分析了水樣中重金屬含量。同時科考團還考察了多個研究機構，并實地參觀了多處現場，如位于德國、法國和瑞士3 國交界的萊茵河水質監測站，基于土地處理法（過濾后的萊茵河水周期性注入森林地表，二次處理后作為地下水補充）的飲用水處理廠，集生活污水、工業廢水處理和污泥焚燒于一體的ProRheno AG污水處理廠（https：／ ／www.prorheno.ch／home），以及配備有遠程監測控制系統的ARA Birs 污水處理廠（http：／ ／www.aib.bl.ch／）等（見圖3）。科考團隊教師引導學生通過10 年監測數據來對比長江和萊茵河的水質變化趨勢，并通過開展萊茵河流域和長江流域的比較研究，探討了兩者在污水處理技術與理念方面的差異，梳理總結了西歐環境治理經驗及其對我國重點流域治理的啟示。學生們在激烈的討論中，結合歐洲“父親河”萊茵河與我國“母親河”長江相關的流域知識，從兩者的水質水文情況、環境管理政策、水體處理工藝等方面進行比較，在理清萊茵河流域污染與治理歷程的基礎上，逐漸認識到流域內不同國家通力合作開展環境治理的重要性，進一步鞏固和驗證了水環境污染治理的理論知識，在此基礎上對長江流域的環境治理進行了深入思考。

圖2 2019年暑期萊茵河科考路線圖

圖3 參觀污水處理廠

4 面向學科前沿的國際學術交流與培訓

科考參與者需要具備一定的國際視野，以理解和尊重世界不同文化的差異性和多樣性［8］。面向世界培養具有廣闊國際視角、人類命運共同體環境治理格局的人才，是我國未來深入參與國際交流的關鍵［9］。為了讓學生充分了解環境領域的國際發展趨勢與研究熱點，科考項目還組織策劃了對瑞士FHNW 大學、德國康斯坦茨大學、科隆大學生物中心（Biocentre，University K?ln）及亞琛工業大學（RWTH Aachen University）等5 所知名學府的參觀考察，并邀請相關領域專家學者進行6 場學術講座（見圖4），為學生提供了環境領域國際研究前沿知識培訓。

圖4 聆聽專家講座

國內外學者之間的積極互動是使相關學術活動和學術研究活躍的重要因素和必要條件。國際科考可以作為學術深度合作的鋪墊和過渡，而國際化的語言表達能力和跨國界的高效溝通能力，對獲取考察區域科研部門的支持和自身的科考收益至關重要，是推動科學考察順利進行的基礎［10］。為此，整個科考團隊在出發前組織學習了大量的專業相關詞匯和語法，以應對國外科考中可能遇到的問題。考慮到語言是未來科學考察和研究工作開展過程中的關鍵問題，因而在萊茵河科考全程皆要求隊員以英文進行日常交流，覆蓋團隊內部溝通、定期數據匯報、想法碰撞以及科學研究的整個過程。這不僅有效破解了語言障礙問題，學生的國際交流水平也得到了極大的提升。在與外籍教授的交流過程中，學生們對答如流，也常令教授們豎起拇指贊嘆。

在康斯坦茨期間，Schink 教授熱情地介紹了當地的博登湖（Lake Constance）在1960 代曾面臨過的水華危機。由于生活污水、農業污水和工業廢水的大量排放，及當地養殖業的快速發展，湖中營養元素比例不協調，磷元素比例過高，最終導致藍藻迅速爆發。不僅遮擋了照射進湖中的光線，消耗了大量湖中氧氣，還釋放出有毒物質，種種惡化使博登湖無法作為飲用水源供給，甚至無法作為旅游景點供游客參觀。在此背景下，德國、瑞士和奧地利3 國針對該區域聯合立法，當地民眾積極配合。最終，在多方共同努力下，博登湖水中的磷含量降低到了10 μg／L以下，水華得到了有效治理，博登湖的生態價值也恢復如初。課堂上，學生們針對水體氮磷污染何者主導水華危機等問題與Schink 教授展開了高效而熱烈的討論；還登上科考船在Schink教授指導下對博登湖不同深度水體與底泥采樣和比較，并在康斯坦茨大學微生物實驗室觀察了樣品中的浮游生物（見圖5）。

圖5 跟隨科考船在博登湖生態考察

5 應對疫情與“云科考”

突如其來的新冠疫情打亂了高校正常課堂教學，也打亂了后續的科考活動，因而如何有效開展基于線上實踐教學的國際科考活動成為疫情期間首要關注問題。相對理論課的在線教學活動，“云”科考集中于解決和弱化線上與線下實踐教學的差異性，充分發揮網絡互作的能動性，可將科考成果以在線直播和視頻分享的形式惠及更多人群，并在限度范圍內合理落實實踐。“云”科考主要分為3 個模塊，即在線教學、“云”參觀和現場實踐。科考團隊邀請萊茵河沿線名校教授，通過線上課程講解，使學生感受國際化教學基本模式，驗證鞏固課堂上關于流域水環境污染及治理的理論知識，體驗世界經典環境污染保護歷程。通過對方引導參觀各高校實驗室、巴賽爾污水處理廠、科隆地表水環境質量監測站、康斯坦茨考察站、瓦赫寧根飲用水廠等研究機構和工業場所，多方位、多角度體驗水環境的污染與治理過程，培養學生熱愛環境、保護生態的意識，提高對環境專業的認同感。現場實踐主要集中在對長江中下游重點點位水樣的采集，通過常規水質指標、重金屬分析及水生生物觀察，收集資料對比長江和萊茵河生態環境，培養學生動手能力、觀察能力和合作能力，鍛煉綜合素質，激發學習興趣。

6 實踐效果

“國際科考”這一應用型人才培養體系的目的是在多學科背景下創建綜合性、研究性、跨學科的本科生培養模式。團隊教師將目光投注在新生代復合型創新人才的隊伍建設，以期能多維度提升學生的綜合素質，激發學生的學術研究志趣，助力其在未來成長為多學科理論基礎扎實、野外作業經驗豐富、精通現代信息技術的優秀青年骨干。

（1）搭建綜合性實踐教學平臺。“國際科考”與專業理論課、實驗課及專業實習等共同建立起了縱橫交叉的人才培養體系，搭建了一個集理論教學、實驗教學、課程學習和專業應用實踐于一體的綜合性實踐教學平臺［11-13］。萊茵河科考充分利用了學生的暑期時間，在提升學生認知能力、創新能力和實踐動手能力等方面取得了一定的成績，在國際一流期刊上發表了3篇以本科生為第一作者的SCI 文章［14-16］，為其將來從事環境領域相關工作奠定了堅實基礎，團隊成員相繼進入境內外一流大學深造或進入優質企業就業。

（2）拓展國際化視野與意識。學生在參觀和學習過程中，加深了對國外環境領域主流研究方向及發展現狀的認識，了解到國內外研究和教學上的異同點，有助于其國際化視野的拓展。此外，團隊教師注重激發學生對國內現有環境問題的思考，積極開展“頭腦風暴”式主題討論，集思廣益，有效發揮學生的主觀能動性，培養學生綜合運用所學知識分析問題的意識，引導學生對環境問題進行整體性分析，團隊成員在充分吸取國外流域治理的經驗和教訓后，對長江流域的環境治理進行了系統分析并提出了建設性意見。

（3）提升調研的主觀能動性。實地采樣與分析可加深環境專業學生對野外環境的認知，學習如何獲取野外數據能夠切實提高自身動手能力和觀察能力、培養團隊合作精神、加強師生凝聚力，為營造寓教于學的課堂奠定了基礎。

（4）推動建設人才培養體系。“國際科考”不僅拓展了科考實踐的廣度、深度和精度，而且其實踐成果也是系統的、科學的和高效的，未來也必將催生出一個中國特色、世界一流的人才培養體系。

7 結 語

“萊茵河流域生態環境國際科考與科研訓練項目”的舉辦，是我校環境專業實踐教學具有特別意義的嘗試與探索，從實踐結果來看激發了學生的研究志趣，培養了實踐能力，拓展了國際視野，使學生獲得頂峰體驗，極具推廣和應用價值。未來學院將有步驟、有重點地持續推進國際科考項目建設，并依托教育部高教司“虛擬教研室”試點建設，邀請長江沿線高校共同參與“長江-萊茵河生態環境‘云’科考”，構建服務于拔尖創新人才成長的實踐教學體系，為培養新工科人才提供可持續、可借鑒的教學模式。