環境工程專業科技創新實踐研究

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摘要：基于新工科環境類專業對應用型人才和創新型人才的培養要求，探索了由學生掌握課程主動權，教師輔助的科技創新實踐教學模式。學生將全流程參與實驗調研、設計、操作、總結及成果展示環節，充分鍛煉信息獲取能力、專業文本撰寫能力、動手能力、溝通交流能力，以獲得綜合素質的提升。研究成果有助于提升環境類專業人才培養質量，提高畢業生綜合素質，培養滿足我國生態文明建設戰略需求的環境工程專業人才。

關鍵詞：新工科；環境工程；教學；創新實踐

一、研究背景

新工科建設是為主動應對新一輪科技革命與產業變革，基于新時期國家發展需求、國際競爭形勢，持續深化工程教育改革的重大行動計劃，對加快我國產業轉型升級、推動制造強國建設、實現高質量經濟增長，都具有十分重要的戰略意義[1]。這也對高校的工科教育提出了新的要求，一方面需推進新興工科專業的建設，如大數據、云計算、智能科學與技術等，另一方面加快傳統工科專業的升級改造，培養具備全球視野、實踐能力、整合能力的綜合性人才[2]。環境工程是一門典型的工科專業，旨在利用科學手段解決日益嚴重的環境問題、改善環境質量、促進社會發展。環境工程的研究對象復雜，專業的交叉性特征非常鮮明、對學生綜合素質要求高，本科培養環節必須在傳統教育模式的基礎上增加創新課程，提高學生自主學習及創新能力，以滿足能處理復雜問題的環境工程專業應用型人才培養需要。科技創新實踐課程便是在該背景下開設的，用以對環境工程基礎實驗進行補充。通過讓學生自主設計創新實驗，完成資料搜集，制定實驗方案、撰寫研究報告以及展示成果等，使其全方位地參與科技創新環節，鍛煉綜合素質，以培養滿足我國生態文明建設戰略需求的環境工程專業人才。

二、傳統實驗教學的主要問題

環境工程人才培養中，實驗教學是非常重要的一部分，本校環境工程專業培養方案中實驗教學包括環境工程原理實驗、環境監測實驗、水污染控制工程實驗、大氣污染控制工程實驗、固體廢物處理處置工程實驗等。實驗課程的開設對學生加深理論知識的理解，增強實際動手能力起到了重要作用。但傳統實驗課程已無法滿足處理當下復雜環境問題的需求，客觀分析目前環境工程專業實驗環節，對于培養新工科要求的創新型、應用型人才的要求還有一定差距。目前傳統環境工程專業實驗存在的問題如下。

（一）實驗內容亟待更新

環境工程專業在我國經過數十年的發展，專業人才境監測課為例，核心實驗課程包括二氧化硫、氮氧化物、PM10、PM2.5等顆粒物的測定原理和方法等，其中氮氧化物采樣采用國家標準（HJ479-2009）《環境空氣氮氧化物（一氧化氮和二氧化氮）的測定鹽酸萘乙二胺分光光度法》，這是最新的手工監測技術規范。但在實際環境質量管理工作中，各監測站點（國控站點、省控站點、超級站等）基本已全面采用自動監測技術，而大部分高校由于實驗設備的限制無法開展相應的實驗教學，導致學生所學知識實用性不高，與社會服務、科研、生產第一線的聯系不夠緊密，難以滿足應用型人才的培養需求[3]。

（二）最新科研成果未得到充分利用

大部分高校教師都身兼科研與教學雙重職責，許多教師優秀的科研成果本應是良好的教學素材，但由于傳統實驗課程內容的限制，很難將其融入到本科實驗教學環節，導致優質教學資源無法得到充分利用。同時教師授課內容與科研方向出現脫節，也影響到了教師職業生涯的發展，既無法保證“科研反哺教學”，又不能滿足“教學反哺科研”。

（三）教學方法有待改進

目前的實驗教學雖經過多次改革，但還是未能擺脫“填鴨式”教學的桎梏。目前的授課程序一般包括：課前教師調試好設備、配置好試劑，課堂上先介紹實驗原理、講解實驗操作及注意事項，然后學生分組按部就班開始實驗、記錄數據、基于給定的模板分析實驗結果，撰寫實驗報告。這種驗證性實驗難度小、自由度也低，導致學生無需經過全面的思考便可完成培養環節[4]。此外，許多高校由于基礎條件的限制，無法保證所有學生都有機會獨立操作課程要求的大型實驗儀器，實驗授課變成了“參觀現場”，教學效果較差，無法滿足創新型人才的培養需求。

（四）評價體系需要完善

在傳統實驗課程中，考試的評分指標一般為學生的實驗操作、實驗報告撰寫及試卷答題。由于傳統實驗課程自由度較低，學生實驗報告中難以體現對于課程的理解及思考，考察多基于實驗態度而非綜合能力，導致實驗評價不能完全體現出學生對于課程的掌握，并且難以全方位地考察學生的團隊協作能力、溝通能力，無法滿足新時代綜合型人才的培養要求。

三、科技創新實踐課程建設實踐

針對上述傳統環境工程專業實驗課程存在的不足，作者探索了創新實踐課程思路。通過翻轉課堂形式，將課程主動權交給學生，讓學生全程參與實驗背景調研、方案設計、實驗操作、數據分析及成果展示。科技創新實踐課程以課堂授課→實驗指導→成果匯報形式展開，在三個環節將分別培養學生查閱文獻獲取新知識及規范寫作科技文本的能力、實驗方案優化及動手操作能力和團隊協作溝通表達能力。課程安排見表1所示。

（一）理論講授

傳統實驗教學的理論講授一般基于實驗原理展開，學生對于資料調研、實驗設計方法、文本撰寫規范缺乏系統的學習。科技創新實踐課程從基礎知識出發，向學生系統講授文獻查閱技巧，科技文獻的結構組成，項目申報書、實驗研究報告等文本的寫作規范、實驗數據收集和處理的方法等。在理論課授課后期教師將引導學生確定選題，課程將最大程度以學生為中心，保障學生根據研究興趣選定主題并分組，實驗以小組形式開展，每組3-5人。教師對各組分別進行實驗指導，由于小組間實驗主題與安排各不相同，能更大程度地保障儀器設備的使用需求，使每個學生都能獨立操作科研設備。

（二）實驗指導

創新實驗的實施過程與傳統實驗有很大差別，在各個環節都需要學生自主思考、設計、準備及開展實驗，因此，教師需要在教學過程中充分調動學生參與的積極性，并及時給予相應指導。首先是實驗方案的確定，由于本科生未接受過系統的科研訓練，根據文獻設計的實驗方案可能存在考慮不全面、風險不可控和可操作性不強等問題，教師必須結合學校實驗條件以及學生知識水平合理引導學生設計具有一定可行性的實驗方案；其次，在實驗開展過程中學生需全程參與，從儀器設備的調試，實驗試劑的配置、樣品的采集到實驗數據的測定都要由學生獨立完成，對于實驗中出現的問題也應由學生獨立思考、商討，允許學生試錯，教師只需簡單引導、把關，避免出現安全事故即可；最后，對于實驗數據的分析與結果的總結環節，在學生獨立處理的原則上教師應該更多的引導，讓學生思考數據背后的科學原理，而非僅僅停留在表面的數據分析，讓學生透過現象看到本質，感受科學研究的魅力與實驗的樂趣。由于各實驗進度與周期存在差異，課程采取彈性時間，靈活指導，這要求教師能投入更多的精力進行授課工作。

（三）成果匯報

實驗完成后，教師指導小組成員協作完成研究報告。與傳統實驗報告形式不同，研究報告要求學生以科技論文形式撰寫，避免傳統的實驗報告流于形式，而學生難以從中鍛煉創新能力與科技論文寫作能力。除紙質研究報告之外，研究成果還需以口頭匯報形式展示，匯報內容涵蓋實驗背景、實驗設計、方案實施及結果分析各個環節，考察方式的多樣性也將促使小組內分工協作，保證各個成員的參與度。匯報完畢后由其他小組提問，并組織探討，提高學生參與積極性，同時也鍛煉了學生的表達能力與交流能力。圖1為學生研究成果展示。（四）課程考核課程的考核方式為過程考試，以研究工作的開展過程來評定成績而不看重研究結果的好壞，允許學生失敗，允許學生試錯。評價指標包括課堂表現、實驗方案、實驗操作和實驗報告環節。其中，課堂表現占10%，實驗方案占30%，實驗操作占20%，成果匯報占30%，交流提問占10%。

四、課程預期目標

（一）學生達到的知識目標

掌握文獻查閱的方法、掌握項目申報書的寫作方法、掌握實驗數據收集和整理的方法、掌握實驗研究報告寫作方法。

（二）學生達到的能力目標

具有自主查閱文獻和獲取新知識，并在此基礎上獨立設計實驗方案的能力；具有正確獲取和處理實驗數據，并根據實驗結果優化實驗方案的能力；具有閱讀研究文獻并規范撰寫研究報告的能力；具有團隊協作及溝通交流的能力。

五、科技創新實踐課程的思考

科技創新實踐課程的特點在于將課堂主動權完全交給學生，根據學生興趣追蹤環境工程領域國際熱點并提出問題，而后設計實驗并動手解決問題。其意義在于既能引導學生主動關注專業前沿問題，又能促使學生嘗試解決復雜的環境工程問題。該實踐課程以學生興趣為主導，能更好地調動學生參與熱情，同時學生全程參與實驗設計、操作與成果展示，彌補了傳統實驗教學對于學生綜合素質訓練的不足。但目前，作者僅進行了一年的創新實踐課程探索，學生的實驗內容主要關注前沿熱點研究，后續作者還將深入研究課程改革，將學生主導實驗課程的思路應用于傳統專業實驗教學，進一步提升專業人才培養水平，為培養我國環境領域應用型、創新型人才做貢獻。

參考文獻：

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[3]關共湊，徐頌，楊富國.新工科特色環境工程專業實驗教學改革探索[J].實驗室科學，2019，22（4）：98-102.

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[8]張永利，徐頌，陳忻，等.關于環境工程專業大學生科研訓練的思考[J].廣州化工，2021，49（15）：264-266.

作者：黃亮 邱斌 程翔 單位：北京林業大學 環境科學與工程學院