胡將軍 劉慧龍 毛旭輝 王 旭

武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079

2017 年2 月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，對培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的寬口徑、厚基礎(chǔ)、高素質(zhì)、強(qiáng)能力的創(chuàng)造、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)型復(fù)合人才提出了要求，以對我國產(chǎn)業(yè)發(fā)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(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的發(fā)展也受到了新的挑戰(zhàn)，要求環(huán)境學(xué)科培養(yǎng)全方位、多層次、全面型發(fā)展人才［3-4］。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是環(huán)境類專業(yè)教學(xué)過程的重要組成部分。高水平實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的基礎(chǔ)，也是學(xué)生鞏固和加強(qiáng)課堂理論教學(xué)內(nèi)容、具體實(shí)踐理論知識的重要環(huán)節(jié)［5-6］。

因此，為了提高環(huán)境類專業(yè)學(xué)生的能力，特別是工程實(shí)際應(yīng)用的能力，各高校環(huán)境類專業(yè)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系進(jìn)行改革和創(chuàng)新，重點(diǎn)是強(qiáng)化綜合、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［7-8］，特別是一些知名高校。如清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院“以不斷創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系與教學(xué)模式為動(dòng)力，提高學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識、知識綜合應(yīng)用能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)高質(zhì)量、復(fù)合型拔尖創(chuàng)新人才”，突出復(fù)合型人才的培養(yǎng)。北京大學(xué)在原來環(huán)境科學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)上，突出基礎(chǔ)學(xué)習(xí)與專業(yè)學(xué)習(xí)的有機(jī)結(jié)合，強(qiáng)化本學(xué)科在環(huán)境科學(xué)—管理—工程技術(shù)上的綜合性、系統(tǒng)性。但這些改革對于工程應(yīng)用型的實(shí)驗(yàn)開展仍然沒有取得突破性進(jìn)展，沒有實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究與工程應(yīng)用為一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系［9-10］。因此，在新工科的背景下，為培養(yǎng)環(huán)境類專業(yè)的全面復(fù)合型人才，提高學(xué)生的知識綜合應(yīng)用，工程問題分析及創(chuàng)新發(fā)展能力，構(gòu)建“科學(xué)研究—技術(shù)創(chuàng)新—工程應(yīng)用”的一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系是當(dāng)務(wù)之急，也是長遠(yuǎn)之策。

一、環(huán)境類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

環(huán)境科學(xué)與工程一級學(xué)科是一門新興的邊緣性科學(xué)，其中下設(shè)的兩個(gè)二級學(xué)科是環(huán)境科學(xué)和環(huán)境工程，環(huán)境科學(xué)是理科專業(yè)，更注重基礎(chǔ)理論研究的實(shí)驗(yàn)，環(huán)境工程是工科專業(yè)，更注重工程應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)。過去兩個(gè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相互獨(dú)立，互相滲透和融合比較少，同時(shí)也存在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性不足，過于理論化導(dǎo)致實(shí)踐價(jià)值不強(qiáng)，特別是針對工程應(yīng)用方面的缺失等問題。然而，當(dāng)前社會需求的環(huán)境類專業(yè)畢業(yè)生既要具有研究創(chuàng)新能力，又要具有工程應(yīng)用能力。因此，新工科背景下要求環(huán)境類專業(yè)進(jìn)行交叉融合，形成科學(xué)創(chuàng)新、技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。但目前各高校環(huán)境類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯然不能滿足當(dāng)今社會發(fā)展對人才的要求。

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性不足

當(dāng)前社會的科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，但很多高校環(huán)境專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容僅僅局限于課本，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏讓學(xué)生思考的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，沒有創(chuàng)新性，沒有捕捉專業(yè)前沿的科研成果和社會的需求并將其補(bǔ)充到實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，鮮有涉及新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法。這樣的教學(xué)模式下培養(yǎng)出的學(xué)生將不能夠及時(shí)了解學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢，缺乏科學(xué)研究的創(chuàng)新性，不能適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工程應(yīng)用性不強(qiáng)

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，特別是缺少工程應(yīng)用型的實(shí)驗(yàn)裝置，以及缺少熟悉環(huán)境工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的老師，目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)過于理論化，與實(shí)際工程的情況相差較大，工程應(yīng)用性不強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生的工程問題分析及解決能力不能得到發(fā)展，缺乏專業(yè)相關(guān)的實(shí)踐能力，不利于培養(yǎng)環(huán)境類專業(yè)復(fù)合型人才。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的交叉融合不夠

環(huán)境類專業(yè)由環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程構(gòu)成，其中環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)包括環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)等；環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)則包括水污染控制工程實(shí)驗(yàn)、大氣污染控制工程實(shí)驗(yàn)、固體廢棄物處理處置實(shí)驗(yàn)等。環(huán)境類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課設(shè)計(jì)通常繁亂而分散，專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課較多而專業(yè)課較少，同時(shí)在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，通常以單個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而缺少從學(xué)科角度思考的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間的交叉滲透、相互融合，使得目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺乏系統(tǒng)性和整體性，不利于學(xué)生專業(yè)能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

二、環(huán)境類一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

為滿足目前新工科建設(shè)中社會對復(fù)合型人才的需求，提高學(xué)生的創(chuàng)新水平和工程應(yīng)用能力，建立了以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—專業(yè)實(shí)驗(yàn)—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)踐為基礎(chǔ)的“科學(xué)研究—技術(shù)創(chuàng)新—工程應(yīng)用”的一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，如圖1 所示。首先，通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基本技能和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?；其次，再通過環(huán)境科學(xué)—環(huán)境工程理工交叉融合的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，來提高學(xué)生的專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰途C合應(yīng)用能力，在豐富科學(xué)上的專業(yè)研究知識的同時(shí)注重工程上的綜合應(yīng)用情況；再次，通過以應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的創(chuàng)新實(shí)踐的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新能力；最終，達(dá)到實(shí)驗(yàn)基本技能—基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α獙I(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑC合應(yīng)用能力—科研創(chuàng)新能力—工程應(yīng)用能力的多層次能力的培養(yǎng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究—技術(shù)創(chuàng)新—工程應(yīng)用一體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。使得培養(yǎng)后的畢業(yè)生既具有研究創(chuàng)新能力，又具有工程應(yīng)用能力，基本符合目前新工科背景下社會對環(huán)境類復(fù)合型人才的需求。

圖1 環(huán)境類一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系圖

（一）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)分為學(xué)科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分。其中學(xué)科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、儀器分析實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，如無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)等。學(xué)科基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)技能，使學(xué)生掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，具備良好的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，是大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)。而專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)則包括環(huán)境微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境化學(xué)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)等。在專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，不僅要注重每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，還應(yīng)該注重環(huán)境科學(xué)與工程綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，強(qiáng)調(diào)不同課程的交叉融合，使學(xué)生不僅能熟悉不同實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還能具有將課程所學(xué)知識應(yīng)用于解決基礎(chǔ)環(huán)境問題的能力。通過鼓勵(lì)學(xué)生將所學(xué)理論知識融入專業(yè)基礎(chǔ)課程，并將理論知識應(yīng)用于分析和解決實(shí)際環(huán)境問題，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的創(chuàng)新應(yīng)用能力，為專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

（二）專業(yè)實(shí)驗(yàn)

專業(yè)實(shí)驗(yàn)分為環(huán)境科學(xué)理論實(shí)驗(yàn)和環(huán)境工程治理實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分。傳統(tǒng)的環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)與環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，前者更注重基礎(chǔ)理論研究的實(shí)驗(yàn)，而后者則更注重工程應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相互獨(dú)立，交叉滲透性較差，不利于復(fù)合型應(yīng)用人才的培養(yǎng)。針對此問題，改進(jìn)了環(huán)境類專業(yè)實(shí)驗(yàn)的課程內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境類專業(yè)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上的理工交叉融合。

具體來看，環(huán)境科學(xué)理論實(shí)驗(yàn)包括環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境工程學(xué)實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)等。這既體現(xiàn)了環(huán)境科學(xué)的科學(xué)研究性特點(diǎn)，又與當(dāng)前的工程應(yīng)用市場需求密切相關(guān)。不僅注重理論分析，而且注重工程實(shí)踐，有助于加強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用專業(yè)知識解決環(huán)境問題的實(shí)踐能力，提高學(xué)生獨(dú)立自主地理解、分析和解決實(shí)際環(huán)境問題的素養(yǎng)。環(huán)境工程治理實(shí)驗(yàn)則以治理環(huán)境污染的實(shí)驗(yàn)為主，主要包括水污染控制實(shí)驗(yàn)、大氣污染控制實(shí)驗(yàn)、固體廢物處理處置實(shí)驗(yàn)、環(huán)境工程原理實(shí)驗(yàn)等。本模塊的實(shí)驗(yàn)課程除了單一物態(tài)污染物的處理技術(shù)外，更注重運(yùn)用不同課程之間的相互整合以綜合處理不同物態(tài)的污染物，使學(xué)生不僅能有效地分析及解決復(fù)雜的環(huán)境污染問題，而且能發(fā)展他們的環(huán)境類學(xué)科的宏觀知識體系的概念，在注重工程應(yīng)用的同時(shí)鞏固并深化了理論知識，綜合利用不同課程的知識來達(dá)到環(huán)境工程學(xué)科的污染治理的目的。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容選取上，將教師原創(chuàng)性的研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從某種意義上代表了本學(xué)科領(lǐng)域或研究方向的新思想、新方法和新技術(shù)，不僅內(nèi)容新穎，針對性和實(shí)用性都很強(qiáng)。例如“水中羥基自由基的間接法測定”是一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生已經(jīng)從在前面的實(shí)驗(yàn)“活性染料在水溶液中的光化學(xué)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(chǔ)知識，學(xué)生對這一選題很有興趣。該實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供了較寬闊的思考空間和選擇余地，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力。

在廢水處理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，結(jié)合工程實(shí)際的特點(diǎn)，選擇環(huán)境水處理工程中較難處理的工業(yè)廢水如印染廢水、重金屬廢水和含油廢水，教師將學(xué)生分成若干小組，提出廢水處理基本要求，學(xué)生查閱資料，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主動(dòng)手組裝實(shí)驗(yàn)裝置，完成實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，整個(gè)過程相當(dāng)于一個(gè)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(shí)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(shù)的確定，與工程實(shí)際比較接近，培養(yǎng)了學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識的能力和工程應(yīng)用的能力。

（三）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽“以賽促學(xué)”

創(chuàng)新實(shí)踐分為生產(chǎn)實(shí)習(xí)、學(xué)科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、畢業(yè)論文四個(gè)部分。其中生產(chǎn)實(shí)習(xí)是讓學(xué)生投入環(huán)境方面的實(shí)際工作中，讓學(xué)生有機(jī)會將理論知識與實(shí)際工作需求相結(jié)合，充分體現(xiàn)了理論聯(lián)系實(shí)際的人才培養(yǎng)目標(biāo)，有助于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和應(yīng)用能力。而學(xué)科競賽，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和畢業(yè)論文等創(chuàng)新實(shí)踐內(nèi)容則是以大學(xué)中導(dǎo)師的科研項(xiàng)目作為任務(wù)，通過開放式、討論式、研究式融于一體的教學(xué)方法，驅(qū)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立思考、自主完成創(chuàng)新性的研究課題。相比于常規(guī)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)師的科研課題更具有學(xué)科發(fā)展前沿和工程實(shí)際應(yīng)用的特征。通過學(xué)科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、畢業(yè)論文等任務(wù)驅(qū)動(dòng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生的文獻(xiàn)查找及閱讀能力，了解環(huán)境學(xué)科的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)；同時(shí)將基礎(chǔ)和專業(yè)知識聯(lián)系起來并應(yīng)用于實(shí)際工程問題的解決，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，有利于復(fù)合型環(huán)境專業(yè)人才的培養(yǎng)。

三、結(jié)語

新工科的建設(shè)背景對環(huán)境類專業(yè)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，要求環(huán)境學(xué)科培養(yǎng)全方位、多層次、全面型發(fā)展人才。針對目前環(huán)境類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中存在的創(chuàng)新性不足、應(yīng)用性不強(qiáng)、系統(tǒng)性和整體性不足等問題，提出了以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—專業(yè)實(shí)驗(yàn)—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)踐為基礎(chǔ)的“科學(xué)研究—技術(shù)創(chuàng)新—工程應(yīng)用”的一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并做到實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容將環(huán)境科學(xué)與環(huán)境工程理工交叉融合。以此達(dá)到實(shí)驗(yàn)基本技能、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΑI(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、綜合應(yīng)用能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力的多層次能力的培養(yǎng)目標(biāo)，綜合發(fā)展學(xué)生的研究創(chuàng)新和工程應(yīng)用素養(yǎng)，以滿足新工科背景下社會對環(huán)境類復(fù)合型人才的需求。