環境工程專業一體化實踐教學體系構建

周 振，趙曉丹，蔣路漫，胡晨燕，時鵬輝，王羅春

（上海電力大學 環境與化學工程學院，上海 201306）

實踐教學是培養工程實踐能力、科技創新能力的重要途徑[1-2]，在眾多高校中受到越來越多的重視。環境學科是由多學科相互交叉滲透而形成的一門新興綜合性、邊緣性學科，因各高校背景和涉及領域不同，培養方向存在較大差異[3]。在 “新工科” 背景下，積極探索創新實踐教學模式，面向行業構建層次化、多元化、特色化的實踐教學體系，是地方工科院校環境工程專業實踐教學改革的重要任務[4-5]。隨著近些年水污染防治行動計劃的出臺，污水處理與資源化技術、廢水零排放工藝的開發與應用受到廣泛重視。我校環境工程專業基于在電力行業水處理和污水處理方面的優勢和特色，面向產業需求，充分利用校內外教學和科研資源，把握科技創新方向，構建了以水為主線的一體化實踐教學體系。該實驗教學體系在以培養創新能力和工程實踐能力為目標、凸顯專業特色的同時，強化理論與實踐教學內容的相關性、實踐教學環節的關聯性、交叉學科的融合性，注重實踐的實際操作性和科學技術性。

1 以水為主線、以能力培養為導向的一體化實踐教學體系

隨著我校環境工程專業的建設和發展，設置的實踐課程逐步增多，建設初期實踐課程相對獨立，既存在課程設置分散和教學內容銜接度不夠的問題，又存在部分內容僅限于重復實驗操作、缺乏創新設計的問題。為了解決這些問題，同時進一步強化專業特色以及工程實踐能力和創新能力培養，學科教學和科研團隊密切聯系國家環保政策、行業技術標準和企業工程實際需求，以水質指標監測、水污染控制與資源化為主線，進行涉水實踐課程的貫通設計。從水質特性分析到污水處理工藝，再到污水回用技術研發，將獨立的實踐課程聯系起來，構建了以水為主線、以能力培養為導向的一體化實踐教學體系（見圖1）。

一體化實踐教學體系的建設以培養學生的創新能力和工程應用能力為目的，從基礎實驗到綜合訓練，從校內實習到校外實習，從基本操作到創新技術，通過優化設計理念、工藝模型分析、數據信息反饋、計算機仿真等技術手段進行關聯與提升[6]。實踐教學內容的設計以工程應用為核心，將案例分析、關鍵技術和實驗操作滲透于各個實踐教學環節。工程實例關鍵技術主要設置在綜合能力訓練和創新技術實踐環節。綜合能力訓練的實驗內容以環境監測實驗和電廠水質分析為基礎，以工程基本技術為主體，通過軟件設計實驗方案、優化實驗條件，培養學生對實驗數據的分析能力。創新實驗是依托科技項目開展的以培養創新思維為主要目的的實踐環節，從實驗方案設計到實驗數據分析，再到信息反饋的模型分析，提升學生的創新能力和實踐能力。工程現場操作主要在校內水處理和污水處理實踐工廠完成，學生在學習現場設備運行操作的同時，通過工藝模型分析，結合計算機仿真，進行關鍵工藝參數實驗和操作變量分析，強化學生借助工程實驗分析實際問題的能力。此外，在水環境影響評價和水污染控制課程設計中引入實際案例和仿真軟件，進一步強化實踐環節的實際應用性。在污水處理廠和電廠開展認識實習、畢業實習，并結合校外專家的專題講座，使學生在較為充足的時間里掌握企業的生產工藝以及生產實踐經驗。

圖1 環境工程專業一體化實踐教學體系

2 內外結合、科教融合的實踐教學模式

內外結合、科教融合的“1234 實踐教學模式” 是我校環境工程專業一體化實踐教學體系實施的關鍵（見圖2），即一個目標、兩種實踐平臺、三大技術領域、四個教學階段。一個目標是指，以培養創新能力和工程應用能力為目標，將校內與校外實踐的結合貫穿于整個實踐教學過程，通過校企技術交流、科技合作項目等方式推進科教融合，為校企合作長效機制提供保障[7]。科教融合還體現在校內教學團隊與科研團隊的融合。兩種實踐平臺是指，基于教學和科研的各自優勢，建設校內實踐平臺和校外實習基地兩種實踐平臺，為實踐教學的開展提供硬件支撐。三大技術領域是指，開設污水處理、給水處理和資源化技術三大水處理技術領域的實踐教學內容，由淺入深，由基本操作到科技創新。最后，通過基礎型、演示型、綜合型和研究型四個階段的教學過程，達到能力培養目標。

圖2 內外結合、科教融合的 “1234 實踐教學模式”

3 師資隊伍建設

為了強化實踐教學效果，有效實施內外結合、科教融合的實踐教學模式，加強人才交流力度，建立穩定、高素質的師資隊伍至關重要[4]，其中包括校內師資隊伍和校外教學團隊兩個方面。在提高校內教師教學、科研和實踐能力方面，首先，在校教師通過國內外訪學，汲取先進教學理念和方法，創新教學模式和途徑，強化教學改革和課程建設等教學研究；其次，通過產學研計劃深入企業，參加企業生產實踐，提高解決生產實際問題的能力；再次，通過與企業合作科技項目，提升學術水平和科研能力，壯大“雙師型” 教師隊伍。近三年來，本專業教師完成上海市級、校級教研項目10 項，參與企業科技合作項目和重大工程技術改造項目60 項，以第一作者正式發表科研論文180 余篇，申請專利30 項，授權專利18 項。此外，專任教師中，4名教師通過了國家注冊環保工程師和注冊環評工程師考試，5 名教師參加上海市級高技能人才培養基地項目建設工作，“雙師型” 教師占比達65%。

在加強校外教學團隊建設方面，首先，基于校企“深層次” 合作，邀請行業專家、企業資深專家共同參與教學計劃的制定，選聘企業技術骨干、高級工程師擔任兼職教師，參與專業教學工作，聯合編制污水處理領域專業技術培訓教材，開展培訓體系建設工作；此外，我校加快了國際交流合作步伐，先后與英國、美國、日本、德國等國家的多所院校簽署了長期合作協議，環境工程專業還聘請了上海市海外名師、美國加州大學教授和日本大阪大學教授作為長期合作外籍專家，請他們定期舉辦專題講座。

4 校內實踐平臺建設與實驗課程設置

依托上海市教委重點培育學科、上海市重點培育學科和中央財政專項建設等經費支持，我校環境工程專業根據 “以水為主線、以能力培養為導向” 的一體化實踐教學體系，進行了校內實踐平臺建設（見圖2），以下對其中的四個平臺實驗室進行具體介紹。

4.1 基礎型專業實驗室

基礎型專業實驗室包括水質分析實驗室、微生物分析實驗室和環境監測實驗室，主要用于基礎型實驗項目的測定，如常規水質分析與微生物實驗等，目的是訓練學生的實驗操作技能。此外，教學團隊結合實際工程應用和行業標準編制了《電廠水質分析》等實驗教材，使實驗項目與電廠和污水處理廠監測標準體系對接。學生通過分析實際水樣，并結合工程應用中水質指標對生產和環境的影響進行解析，能夠更深入地了解不同水體以及污水的水質特征和相關環境監督標準。

4.2 演示型工藝平臺

演示型工藝平臺包括工藝模型、水污染控制仿真和污水處理系統虛擬仿真。水污染控制實驗中一些復雜的實驗內容，如沉淀池、序批式生物反應器（SBR）、膜-生物反應器（MBR）等，通過虛擬仿真實驗、工藝模型或多媒體教學等形式演示出來，使學生更加直觀地了解了不同反應器型的內部結構及污水流態，加深對水污染控制工程理論的理解，同時通過對各流程的工程分析，進行互動討論，強化案例教學[8-9]。

校內教學和科研團隊還引入國際水質協會推薦并經實踐檢驗的活性污泥模型（ASM）和污水處理專業仿真軟件WEST、BioWin，以污水處理典型系統——AAO 工藝全流程為載體，以項目為依托開發虛擬仿真實踐教學系統[10-11]。校外企業實習基地為虛擬仿真平臺提供污水處理工藝原型、實際運行數據和經驗模型，并通過模擬分析優化工藝運行參數，為企業實際生產提供技術支撐。與此同時，能夠向學生演示污水處理工藝運行流程，并通過工藝分析和動態模擬使學生掌握污水處理中的關鍵運行控制變量，包括剩余污泥排放量，污泥內、外回流比、供氧量等，還能通過計算機仿真技術操作得到不同運行參數下污水處理廠的各項出水指標，從而使學生深入了解污水處理過程和運行特性，為后續污水處理系統實訓以及企業實習打下基礎。

4.3 綜合型實訓平臺

校內綜合型實訓平臺包括兩大類。一是環境工程綜合能力訓練。根據目前水污染控制和回用處理常規技術設置了8 項實驗內容，包括沉降特性、氨氮吸附、廢水電解等。綜合能力訓練采用以學生為主體的模式展開，要求從實驗方案設計到實施，再到數據處理及分析，全部由學生自主完成。目的是培養學生運用理論知識和實驗技能、系統規范地完成具有一定深度的綜合型實驗的能力，同時訓練學生團隊協作意識，既是基礎實驗的延伸，又是后續創新實驗的基礎。以火力發電廠脫硫廢水為例，學生根據前期水質分析實驗結果了解了其水質特點，明確了顆粒物去除是污染控制的重要目標。在此基礎上，設計了化學混凝實驗方案和沉降特性分析實驗方案，使學生對脫硫廢水處理工藝建立總體認識，為創新研究型實驗中脫硫廢水零排放處理及資源化技術開發提供相應知識儲備。

另一類實訓是在校內實驗工廠進行的實操訓練，即小型污水處理系統和電廠水處理系統實訓。污水處理系統由小型沉淀池、生物池等組成，電廠水處理系統包括離子交換除鹽系統和全膜除鹽系統。訓練內容以系統運行操作、調試和運行監督為主，目的是在教師指導下，由學生完成污水處理和水處理系統的運行、控制、停運、再生等過程，加強對水污染控制和水處理技術的工程應用認識。該訓練可作為崗前實訓，為校外頂崗實訓奠定基礎[12]。

4.4 研究型創新平臺

依托教師團隊的科研項目建立了校內科創實驗平臺，將部分具有創新性、前瞻性、探索性和針對性的課題研究和技術成果轉化為實踐教學內容，開設創新創業實踐環節[5,13]。要求學生自主組建研究團隊，根據各自興趣和發展規劃選擇研究項目，在科創導師的指導下開展實驗。通過查閱文獻、設計方案、自主探究、分析實驗結果等環節，培養學生獨立思考和創新意識，強化其綜合能力的提升[14]。我校學生基于污水處理及回用技術的科創實驗研究，在省部級大學生科創競賽中多次獲獎，包括 “挑戰杯” 上海市大學生課外學術科技作品競賽一等獎、陳嘉庚青少年發明獎（上海）二等獎、三等獎及上海高校學生創造發明 “科創杯” 發明創新三等獎等。

5 校外實習基地建設

為了規范校外實踐教學，學校與多家發電企業、污水處理廠簽訂了長期合作協議，教學實習基地及實訓內容見表1。校外實踐環節是校內實踐的延伸和提高，應與校內實踐教學相對應，實踐內容同樣應由淺入深、分階段進行，從初級的認識實習到綜合型的畢業實習，從生產現場工藝模型演示到創新型中試實驗研究[15]。認識實習和畢業實習屬于傳統的校外實踐項目，由于電廠和污水處理廠的特殊性，實習過程中主要通過現場講解，讓學生熟悉生產工藝流程，熟悉先進技術的實際應用情況，掌握在線儀表使用方法以及自動化控制全過程。除了認識實習和畢業實習，我校環境工程專業基于企業培訓中心，有針對性地開設了相應的操作訓練實踐環節。即通過污水和污泥處理中高級工和技師培訓，可獲得上海市污水和污泥處理領域技能證書，進而通過專業知識的深入學習、現場實踐技能培訓和頂崗實訓，打造雙證融通型環境工程專業復合型人才。此外，基于校企科技項目合作，在電廠和污水處理廠建成了工藝技術研發平臺和生產性實證基地，為學生開設研究型創新實驗，強化創新思維和創新能力培養，為今后進行先進技術開發和應用奠定基礎。

表1 環境工程專業實習基地及實訓內容

6 結語

實踐教學是環境工程專業教學方案的重要組成部分，是培養卓越工程技術人才和創新性復合型人才的重要途徑。我校環境工程專業在培養學生共性工程應用能力的前提下，面向社會經濟發展和產業發展需求，根據學科發展方向，整合了校內外實踐教學資源和科研資源，建立了以污水處理與回用為主線的一體化實踐教學體系。通過教學和科研團隊建設及實驗室和實習基地軟硬件建設，加強和改進了實踐教學環節，形成了內外結合、科教融合的實踐教學體系，更好地實現了對我校環境工程專業學生工程能力和創新能力的培養。