环境工程专业科技创新实践研究

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摘要：基于新工科环境类专业对应用型人才和创新型人才的培养要求，探索了由学生掌握课程主动权，教师辅助的科技创新实践教学模式。学生将全流程参与实验调研、设计、操作、总结及成果展示环节，充分锻炼信息获取能力、专业文本撰写能力、动手能力、沟通交流能力，以获得综合素质的提升。研究成果有助于提升环境类专业人才培养质量，提高毕业生综合素质，培养满足我国生态文明建设战略需求的环境工程专业人才。

关键词：新工科；环境工程；教学；创新实践

一、研究背景

新工科建设是为主动应对新一轮科技革命与产业变革，基于新时期国家发展需求、国际竞争形势，持续深化工程教育改革的重大行动计划，对加快我国产业转型升级、推动制造强国建设、实现高质量经济增长，都具有十分重要的战略意义[1]。这也对高校的工科教育提出了新的要求，一方面需推进新兴工科专业的建设，如大数据、云计算、智能科学与技术等，另一方面加快传统工科专业的升级改造，培养具备全球视野、实践能力、整合能力的综合性人才[2]。环境工程是一门典型的工科专业，旨在利用科学手段解决日益严重的环境问题、改善环境质量、促进社会发展。环境工程的研究对象复杂，专业的交叉性特征非常鲜明、对学生综合素质要求高，本科培养环节必须在传统教育模式的基础上增加创新课程，提高学生自主学习及创新能力，以满足能处理复杂问题的环境工程专业应用型人才培养需要。科技创新实践课程便是在该背景下开设的，用以对环境工程基础实验进行补充。通过让学生自主设计创新实验，完成资料搜集，制定实验方案、撰写研究报告以及展示成果等，使其全方位地参与科技创新环节，锻炼综合素质，以培养满足我国生态文明建设战略需求的环境工程专业人才。

二、传统实验教学的主要问题

环境工程人才培养中，实验教学是非常重要的一部分，本校环境工程专业培养方案中实验教学包括环境工程原理实验、环境监测实验、水污染控制工程实验、大气污染控制工程实验、固体废物处理处置工程实验等。实验课程的开设对学生加深理论知识的理解，增强实际动手能力起到了重要作用。但传统实验课程已无法满足处理当下复杂环境问题的需求，客观分析目前环境工程专业实验环节，对于培养新工科要求的创新型、应用型人才的要求还有一定差距。目前传统环境工程专业实验存在的问题如下。

（一）实验内容亟待更新

环境工程专业在我国经过数十年的发展，专业人才境监测课为例，核心实验课程包括二氧化硫、氮氧化物、PM10、PM2.5等颗粒物的测定原理和方法等，其中氮氧化物采样采用国家标准（HJ479-2009）《环境空气氮氧化物（一氧化氮和二氧化氮）的测定盐酸萘乙二胺分光光度法》，这是最新的手工监测技术规范。但在实际环境质量管理工作中，各监测站点（国控站点、省控站点、超级站等）基本已全面采用自动监测技术，而大部分高校由于实验设备的限制无法开展相应的实验教学，导致学生所学知识实用性不高，与社会服务、科研、生产第一线的联系不够紧密，难以满足应用型人才的培养需求[3]。

（二）最新科研成果未得到充分利用

大部分高校教师都身兼科研与教学双重职责，许多教师优秀的科研成果本应是良好的教学素材，但由于传统实验课程内容的限制，很难将其融入到本科实验教学环节，导致优质教学资源无法得到充分利用。同时教师授课内容与科研方向出现脱节，也影响到了教师职业生涯的发展，既无法保证“科研反哺教学”，又不能满足“教学反哺科研”。

（三）教学方法有待改进

目前的实验教学虽经过多次改革，但还是未能摆脱“填鸭式”教学的桎梏。目前的授课程序一般包括：课前教师调试好设备、配置好试剂，课堂上先介绍实验原理、讲解实验操作及注意事项，然后学生分组按部就班开始实验、记录数据、基于给定的模板分析实验结果，撰写实验报告。这种验证性实验难度小、自由度也低，导致学生无需经过全面的思考便可完成培养环节[4]。此外，许多高校由于基础条件的限制，无法保证所有学生都有机会独立操作课程要求的大型实验仪器，实验授课变成了“参观现场”，教学效果较差，无法满足创新型人才的培养需求。

（四）评价体系需要完善

在传统实验课程中，考试的评分指标一般为学生的实验操作、实验报告撰写及试卷答题。由于传统实验课程自由度较低，学生实验报告中难以体现对于课程的理解及思考，考察多基于实验态度而非综合能力，导致实验评价不能完全体现出学生对于课程的掌握，并且难以全方位地考察学生的团队协作能力、沟通能力，无法满足新时代综合型人才的培养要求。

三、科技创新实践课程建设实践

针对上述传统环境工程专业实验课程存在的不足，作者探索了创新实践课程思路。通过翻转课堂形式，将课程主动权交给学生，让学生全程参与实验背景调研、方案设计、实验操作、数据分析及成果展示。科技创新实践课程以课堂授课→实验指导→成果汇报形式展开，在三个环节将分别培养学生查阅文献获取新知识及规范写作科技文本的能力、实验方案优化及动手操作能力和团队协作沟通表达能力。课程安排见表1所示。

（一）理论讲授

传统实验教学的理论讲授一般基于实验原理展开，学生对于资料调研、实验设计方法、文本撰写规范缺乏系统的学习。科技创新实践课程从基础知识出发，向学生系统讲授文献查阅技巧，科技文献的结构组成，项目申报书、实验研究报告等文本的写作规范、实验数据收集和处理的方法等。在理论课授课后期教师将引导学生确定选题，课程将最大程度以学生为中心，保障学生根据研究兴趣选定主题并分组，实验以小组形式开展，每组3-5人。教师对各组分别进行实验指导，由于小组间实验主题与安排各不相同，能更大程度地保障仪器设备的使用需求，使每个学生都能独立操作科研设备。

（二）实验指导

创新实验的实施过程与传统实验有很大差别，在各个环节都需要学生自主思考、设计、准备及开展实验，因此，教师需要在教学过程中充分调动学生参与的积极性，并及时给予相应指导。首先是实验方案的确定，由于本科生未接受过系统的科研训练，根据文献设计的实验方案可能存在考虑不全面、风险不可控和可操作性不强等问题，教师必须结合学校实验条件以及学生知识水平合理引导学生设计具有一定可行性的实验方案；其次，在实验开展过程中学生需全程参与，从仪器设备的调试，实验试剂的配置、样品的采集到实验数据的测定都要由学生独立完成，对于实验中出现的问题也应由学生独立思考、商讨，允许学生试错，教师只需简单引导、把关，避免出现安全事故即可；最后，对于实验数据的分析与结果的总结环节，在学生独立处理的原则上教师应该更多的引导，让学生思考数据背后的科学原理，而非仅仅停留在表面的数据分析，让学生透过现象看到本质，感受科学研究的魅力与实验的乐趣。由于各实验进度与周期存在差异，课程采取弹性时间，灵活指导，这要求教师能投入更多的精力进行授课工作。

（三）成果汇报

实验完成后，教师指导小组成员协作完成研究报告。与传统实验报告形式不同，研究报告要求学生以科技论文形式撰写，避免传统的实验报告流于形式，而学生难以从中锻炼创新能力与科技论文写作能力。除纸质研究报告之外，研究成果还需以口头汇报形式展示，汇报内容涵盖实验背景、实验设计、方案实施及结果分析各个环节，考察方式的多样性也将促使小组内分工协作，保证各个成员的参与度。汇报完毕后由其他小组提问，并组织探讨，提高学生参与积极性，同时也锻炼了学生的表达能力与交流能力。图1为学生研究成果展示。（四）课程考核课程的考核方式为过程考试，以研究工作的开展过程来评定成绩而不看重研究结果的好坏，允许学生失败，允许学生试错。评价指标包括课堂表现、实验方案、实验操作和实验报告环节。其中，课堂表现占10%，实验方案占30%，实验操作占20%，成果汇报占30%，交流提问占10%。

四、课程预期目标

（一）学生达到的知识目标

掌握文献查阅的方法、掌握项目申报书的写作方法、掌握实验数据收集和整理的方法、掌握实验研究报告写作方法。

（二）学生达到的能力目标

具有自主查阅文献和获取新知识，并在此基础上独立设计实验方案的能力；具有正确获取和处理实验数据，并根据实验结果优化实验方案的能力；具有阅读研究文献并规范撰写研究报告的能力；具有团队协作及沟通交流的能力。

五、科技创新实践课程的思考

科技创新实践课程的特点在于将课堂主动权完全交给学生，根据学生兴趣追踪环境工程领域国际热点并提出问题，而后设计实验并动手解决问题。其意义在于既能引导学生主动关注专业前沿问题，又能促使学生尝试解决复杂的环境工程问题。该实践课程以学生兴趣为主导，能更好地调动学生参与热情，同时学生全程参与实验设计、操作与成果展示，弥补了传统实验教学对于学生综合素质训练的不足。但目前，作者仅进行了一年的创新实践课程探索，学生的实验内容主要关注前沿热点研究，后续作者还将深入研究课程改革，将学生主导实验课程的思路应用于传统专业实验教学，进一步提升专业人才培养水平，为培养我国环境领域应用型、创新型人才做贡献。

参考文献：

[1]潘晓亮，谢世坤，高芝，等.新工科建设背景下地方高校“工程材料”教学改革[J].机电技术，2021（5）：102-104.

[2]张振琳，韩颖，李青松，等.新工科背景下《高分子材料研究方法》课程教学改革的探索[J].高分子通报，2021（11）：81-84.

[3]关共凑，徐颂，杨富国.新工科特色环境工程专业实验教学改革探索[J].实验室科学，2019，22（4）：98-102.

[4]岳思羽，宋凤敏，刘智峰，等.环境工程专业创新型综合实验的设计[J].山东化工，2021，50（1）：189+191.

[5]许绿丝，洪俊明，张倩.环境工程专业创新创业教育模式的改革[J].能源与环境，2021（4）：111-112.

[6]马啸，王湖坤，余松林，等.新工科背景下环境工程专业大学生创新创业能力培养探索[J].中国现代教育装备，2021（11）：127-130.

[7]许丹丹，白少元，刘辉利，等.新工科背景下案例式教学法在环境工程类课程教学中的应用研究[J].科教文汇（上旬刊），2021（7）：101-103.

[8]张永利，徐颂，陈忻，等.关于环境工程专业大学生科研训练的思考[J].广州化工，2021，49（15）：264-266.

作者：黄亮 邱斌 程翔 单位：北京林业大学 环境科学与工程学院