新工科背景下環境類生化實驗創新教學改革與探索

郭亞坤，楊 冬，曹全全，劉 翔，劉憲華，姜曉峰，魏亞丹，張光輝，楊永奎，魯逸人*

(1.天津大學 環境科學與工程學院，天津 300072；2天津大學 建工學院，天津 300072)

2017年4月，教育部在天津大學召開新工科建設研討會，60余所高校共商新工科建設的愿景與行動。與會代表一致認為，培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當務之急，也是長遠之策。與此同時，環境保護和可持續發展是當前整個人類面臨的一個重大課題，新工科背景下對環境科學與工程類學科建設也提出了嚴峻的考驗。實驗教學作為高等教育重要的教學環節，是激發創新意識，培養創新思維最為必須環節。如何將專業實驗教學過程形象生動的展現，將有利于學生將自己的興趣和專業知識點關聯起來，能使學生產生求知欲，激發創造潛能[1]。

1 新工科背景下環境生物實驗教學現狀分析

1.1 實驗教學中學生創新不足

環境科學專業課程中有多門生物類、化學類課程，其中包括現代環境生物技術及實驗、高級環境生物學、環境生物毒理學、環境化學、環境工程原理等[2]。但長期以來，這些課程相互之間、以及課堂教學和實驗實踐教學之間缺乏溝通、交叉性不夠，不利于學生創新思維的培養，也不利于學生綜合能力的培養。

環境生物類實驗，由于知識體系的復雜性，實驗中由基礎綜合性知識學習過渡到實驗操作項目，進入實驗室后需要解決動手能力差、不能獨立完成實驗任務等情況[2]，學生只能在老師的示范、講解之下完成，而沒有更多的時間進行設計性的實踐項目，更談不上實驗創新。

1.2 實驗教學模式程序化

環境科學專業的實驗教學模式比較保守，學校的實踐場地有限，單純在實驗室進行實驗，學生的工程素養能力得不到鍛煉，而且實驗室相關的實驗操作、內容與真實的企業操作、實際工程問題還是有很大的區別，沒有設備、環境等外在條件的保障，與企業聯系不緊密，不利于在實驗過程中學生的自主創新能力的培養。因此，部分實驗逐步與企業建立聯合實踐教學基地，是我們共同的目標。

1.3 實驗教學系統管理難度大

由于儀器設備套數、實驗指導教師等教學資源比較緊張，學生開展實驗操作過程中因自身預習不充分、儀器設備存在問題、班次人數較多等眾多原因，授課教師一般演示操作，難以近距離與學生充分信息引導，部分學生會以應付或者完成任務的心態開展實驗，效果不佳[3]。

其次實驗教學隊伍的配置直接關系到實驗教學水平的高低，會影響實驗教學的效果和應用型人才的培養。目前的實踐教學隊伍不能完全涵蓋的全部方向。實驗教學老師一般實驗理論實驗技巧比較豐富，但缺少工程經驗以及國際前言熱點課題。

1.4 實驗教學考核不夠完善，無法準確把握學生科研參與度

目前一般實驗考核主要以預習報告、實驗操作、處理報告來評定。受主觀條件與客觀因素影響，教師無法全面詳細了解實驗操作中每個學生的操作能力，無法獲取學生對實驗原理及數據處理方法的掌握程度，不利于老師對每個學生進行客觀評價，發掘學生的興趣愛好和創新能力的針對性訓練。

2 新工科背景下環境實驗類教學培養目標

新工科背景下，秉承應對變化、塑造未來的建設理念，通過繼承與創新、交叉與融合、協調與共享等多種途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才[4]。環保作為一種新興產業，產業不斷升級，需要大批能力素質協調、具有創新創業精神和實踐能力的復合型創新人才。面對這種新的人才塑造理念，環保產業人才也應該具備相應的能力。

2.1 知識綜合應用、系統設計能力

面對環境問題日益復雜，環境學科的發展也越來越體現綜合性、交叉型、創新型[5]。在面對實驗課程時，要求學生能夠綜合運用水、大氣、固廢、環境監測、化學分析等多門學科知識，通過閱讀相關實驗說明，明確實驗目標與知識綜合運用，查閱相關資料，深入了解實驗原理及方法，做好實驗前的準備工作[6]。甚至能夠地進行方法探索，系統設計實驗流程。

2.2 工程問題分析、解決問題能力

學生能夠融合在校學習的理論知識，結合生產實習了解，能夠分析企業實際所遇到的環境工程問題，能夠借助所學學科知識，認真開展現象剖析，原因查找，規律總結等工作[7]，具備一般的工程問題分析、解決問題的能力。只有這樣才能更好地進行學習與就業的銜接，快速適應時代的發展。

2.3 理論聯系實際、創新發展能力

學生能夠在實際工作中善于發現問題、主動分析問題并學會解決問題，逐步提高自身綜合運用所學知識和專業技能解決企業實際問題的能力[8]。結合自身優勢與發展現狀，在企業工程實踐中不斷探索與創新，找到突破自我發展的潛力。

3 新工科背景下環境生物實驗類教學創新教學改革與探索

3.1 優化生物實驗教學內容，促進環境學科交叉融合

新工科背景下，要求環境學科遵循時代發展的新型體系，發展為能夠兼容科學、技術和工程等諸多領域[9]。在實驗教學內容設置方面，根據課程學習要求，結合學生所處學段，設置基礎性實驗、綜合性實驗、設計或研究型實驗，讓不同年級階段的學生得到相應的實踐鍛煉，拓展知識面。在實驗課程設置方面，需要將專業性較強的課程轉變為綜合設計實驗[3]。結合本專業的課程特點開設系列經典實驗項目，將抽象的理論在實驗項目中具體的展現，學生在方案設計、實驗設計、測試選擇、結果分析、問題處理等方面得到系統培訓[10]，這個過程包含了邏輯思維、可行性分析、計算預測、實驗技能等多方面的內容，體現出多學科內容的交叉融合。

3.2 創新實驗教學模式，鼓勵學生自主創新學習

新工科背景下，要求環境學科培養全方位、多層次、全面型發展人才，建立真實情景式混合教學，大大有利于學生的全面發展[11]。結合環境類生物實驗綜合性、實踐性、交叉型等特點，具體來講，就是實驗教師給出實驗課題，提出所要解決問題，要求學生進入真實環境進行調查研究，通過預設問題啟發學生在真實的情景中進行學習。學生則通過查閱書籍、網絡、咨詢、討論等各種知識獲取渠道，對問題進行主動的分析，討論和思考后設計出問題的解決方案，然后在真實環境或接近真實應用的場景里進行實踐探索。

3.3 實驗教學與工程實踐相結合，培養應用型創新人才

我們和跨學科技術和工程單位進行合作，彌補當前各自的不足，達到互利共贏的局面[12]。在實驗內容設置方面，打破傳統經典實驗，以實驗室可操作的企業實際工程問題為依據設置實驗內容。加大校企合作，如此對學生工程素養的培養非常有幫助。

3.4 綜合性實驗教學評價，“互聯網+”輔助教學考核

新工科背景下，建立綜合性的評價體系。教師課前布置自學任務和測驗，根據學生自學情況和課前測驗給予課前成績，課堂上根據學生的實驗態度和實驗結果給予學生課中成績，課后根據學生完成的實驗報告給予其課后成績，共同構成學生最終的實驗成績[13]。調動了學生的積極性，切實有效地提高了實驗教學質量[14]。通過以上全面深入考核，激發學生參與實踐的積極性，培養了創新能力。

3.5 加強實驗教學管理

新工科背景下，要求充分調動學生自主探索能力，培養創新型人才，開放實驗室的建設對創新能力培養發揮重要作用[15]。開放式實驗教學可能會增加實驗室管理難度，我們結合勤工儉學崗位或挑選部分有創新實驗興趣愛好且動手實踐能力強的學生參與實驗室的維護與管理工作，能夠有效提高實驗室儀器設備使用時長。

提升教師能力素養教師的結構、層次、知識面對培養學生至關重要，所以配置一支結構層次合理、知識面全面的實踐教師隊伍勢在必行。根據新工科人才培養模式的需求，環境工程專業的實驗體系設置將不斷完善，相關教師的科研方向逐漸被融合進來，這樣的教師隊伍才能更好的引導、培養學生。

4 結語

當前，世界科技革命和產業浪潮奔騰而至，迎接新技術、新業態、新模式、新產業，世界各國為搶占工業科技創新制高點，競相推出新戰略舉措。為了把我國打造成引領世界的制造業強國，工科建設必須全面提質增效。在"新工科"建設背景下，對環境類生物實驗教學提出了新的要求及挑戰。本著“以學生為中心”的教學理念，結合“新工科”對學生實踐能力、創新能力的要求，科學地改革環境類生物實驗教學模式，增加新的教學方法及教學手段，增強校企合作，充分提高教學質量，推動產教融合，培養出創新型卓越工程科技人才，促進新工科從理念走向行動，為中國高等工程教育助跑。