“工工”結合下環境工程拔尖創新型人才培養體系構建與課程支撐

魏亮亮 馮玉杰 張照韓 張軍 丁晶 趙英 李俐頻 白舜文

摘 ?要：隨著我國高等教育改革的不斷深入和新工科建設的持續推進，特別是我國生態文明建設方式和內涵的持續變革，如何構建能夠服務新時代生態環境建設、能夠解決復雜環境問題的拔尖創新人才是當前環境工程領域人才培養的熱點話題。基于新時代我國環境工程人才培養需求變化的深刻分析，結合當前我國生態文明建設的實際需求，文章重點分析了當前環境工程專業培養中知識體系、知識維度、人才需求的變化情況，在此基礎上剖析了環境工程專業與自動化、控制科學與工程、計算機科學與工程、機械制造及其自動化、化學工程、材料科學與工程、土木工程、能源動力工程專業等進行“工工”結合建設的結合點，提出了“工工”結合下相關課程升級及建設的建議。相關研究結果有助于新時代環境工程專業更好地進行課程體系的建設和知識體系的升級，助力拔尖創新型人才培養體系構建。

關鍵詞：新工科;環境工程;工工結合;課程體系;內涵建設

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0001-06

Abstract： With the continuous reform of the higher education and the steady advancement of the new engineering construction， especially the significant variation of the construction mode and connotation of ecological civilization of China， how to culture top-notch innovative talents and further serve the ecological environment construction of the new era has been a hot topic recently. Based on the systematic analysis of the changes of the environmental engineering talent training needs of China， combined with the current actual needs of ecological civilization of China， the variation of the knowledge demanding， dimension and depth for those environmental talents culturing were emphatically analyzed. Then， the integration points of environmental engineering and automation， control science and engineering， computer science and engineering， mechanical manufacturing and automation， chemical engineering， material science and engineering， civil engineering， energy and power engineering were deeply evaluated. The relevant suggestions on how to upgrade and construct the engineering combined courses were proposed. Relevant research results would be meaningful for the construction of curriculum system and the upgrading of knowledge system for environmental engineering in this new era， also beneficial to build a training system for top-notch innovative talents.

Keywords： emerging engineering education; environmental engineering; combined engineering; curriculum system; connotation construction

環境工程專業是通過研究自然資源的保護與利用，運行物理、化學、生物等基礎理論知識，致力于生態修復、環境污染防治與環境質量提升的一門學科。由于生態環境問題的復雜性和綜合性，環境工程專業本科培養體系具有理工結合、多學科交叉滲透的顯著特點。當前，環境工程專業教學內容涉及水污染防治、大氣污染治理、固體廢物處理處置技術、環境污染檢測技術、環境管理與規劃等相關知識;通過本科階段相關課程的學習，以期培養具有國際視野、能夠解決現代復雜環境工程問題的高素質專業人才。

我國環境工程本科教育起始于20世紀70年代，其標志事件為1977年清華大學在原有給水排水專業的基礎上成立了我國第一個環境工程專業[1]，之后全國各高等院校陸續設立了環境工程專業。據統計，目前國內開設環境工程專業的院校已逾400所[2]。環境工程研究對象復雜，覆蓋微觀、中觀及宏觀等不同體系，相關環境問題的解析涉及到土建、生物學、材料學、化工/化學、氣象水文、社會管理等多方面知識，因而學科發展呈現出鮮明的交叉性、綜合性。目前，縱觀全國各大高等院校環境工程專業起源及發展方向，可分為以下三類：（1）以清華大學、哈爾濱工業大學、同濟大學等為代表，從傳統建筑市政方向發展而來的以水處理為核心的環境工程專業;（2）以南京大學、南開大學為代表，從傳統化學化工方向發展而來的以環境化學為核心的環境工程專業;（3）以中國礦業大學、中國海洋大學、西北農林科技大學為代表，從礦業、海洋、農學、冶金、地質等方向交叉發展而來的環境工程專業。

需要指出的是，新時代我國生態環境保護需求對環境保護人才培養提出了新的要求，面對多學科交叉和多技術融合的時代背景，如何培養具有家國情懷的復合型創新人才，是當前環境人才培養的關鍵。我國環境類專業人才培養體系基本沿襲了40年前的課程體系和培養模式，人才培養方面存在專業基礎理論不夠扎實、專業課程體系零散、與行業產業發展結合度低等一些問題。

一、環境工程專業重點發展方向及專業內涵/外延發生顯著變化

（一）生態文明建設被列入國家“五位一體”總體布局，重視程度明顯提升

我國環境戰略/政策改革史在生態環境保護發展史中極具份量。新中國成立70多年來，我國生態環境保護取得了前所未有的巨大成就，國家戰略政策亦發生巨大變化，經歷了一個從“三廢”治理到流域區域治理、從實施主要污染物總量控制到以環境質量改善為主線、從環境保護基本國策到全面推進生態文明建設的變更。當前，我國基本建立了適應生態文明和“美麗中國”建設的環境戰略政策體系[3]。黨的十九大、“十四五”規劃等多次重申，要堅持綠水青山就是金山銀山的理念，推動經濟社會發展綠色轉型，促進人與自然和諧共生。當前國家對生態環境保護的重視程度、投入水平均是前所未有，并已將生態文明建設納入國家“五位一體”總體布局。毫無疑問，新時代對環境工程專業建設提出新的更高要求。

（二）新工科背景下環境工程專業多學科交叉明顯，涉及領域變化明顯

隨著我國治理重點的不斷變更和綠色高質量發展的持續推進，環境工程涉及的領域也逐漸由過去的單一環境保護與污染治理，轉向目前的多領域協同并舉，涵蓋了生產、消費全產業鏈條，橫跨生態保護、城市高質量發展、流域保護、鄉村振興、文化教育等諸多領域。如在生產領域，傳統的高投入、高能耗、高污染、低效益的粗放型經濟模式給生態環境帶來了極大的壓力，造成嚴重的污染問題，因此節能、降耗、減污、增效的綠色低碳經濟模式和相關的生產模式對實現經濟繁榮與生態環境保護雙贏至關重要。如在消費領域，綠色、低碳、可持續的消費理念的發展必將使生態環境防治的對象發生顯著變化;此外，美麗鄉村的建設、鄉村振興戰略、雙碳計劃的推進和實施必將使得我國生態環境保護的內涵和外延發生顯著變化。

（三）區域/流域/城市群污染防治整體推進，治理體系亟需升級

當前，生態環境防治工程由過去的“分治”向“合治”轉變，治理范圍更大，工程措施更為復雜。然而職能部門間權責不明、條塊分割、“九龍治水”的現象在一定程度上影響了生態文明建設的成效[4]。因此，建立區域/城市群水平，甚至流域水平的污染防治體系，組建專門機構及專業隊伍可在一定程度上保障未來生態環境工程實施的效果。毫無疑問，未來生態環境治理方法將從過去的單一治理向預防為主、防治結合、綜合治理邁進，從單項工程治理向生態恢復、風險防控、生態重構等方向邁進，從末端治理向區域化/流域性源頭減排邁進。相對應的，環境工程專業培養體系需要進行體系升級。

（四）新時代中國水網等智慧環保呼之欲出，智慧智能成時代標簽

進入21世紀以來，隨著計算機及信息技術高速發展，環境工程專業信息化日漸提升，環保工程“智能化”需求凸顯，但此階段存在處理工藝與信息化技術融合度不高，未形成多維度技術支撐的問題。2015年以來，隨著云計算、物聯網等新一代信息技術的興起以及與環保行業的融合，環境工程系統信息化進入快速發展期，大數據處理、數據挖掘、全球感知等新技術的應用使得環境工程系統智慧化程度不斷加深，但亦存在數據不完善、數據孤島、智慧水務認知不足等問題[5]。可以預見，隨著中國水網、智慧海綿、智慧城市、智慧水務等持續推進，環境工程的智慧智能將是未來人才培養的重要方向（圖1）。

二、新時代對環境工程專業學生培養提出新要求

（一）新時代國家生態環境保護需求發生顯著變化，知識體系亟待升級

當前我國生態環境保護發生歷史性、轉折性、全局性的變化，環境問題從過去的污染源治理走向環境質量改善階段，這一變化要求我們必須對環境工程專業人才需求進行新的設計，做到相關授課內容的“推陳出新”和“退陳出新”。因此，從專業培養方案、課程體系等方面需要做到更新換代，體現環境工程與相關學科的交叉融合，以適應綜合化、整體化的現代科學技術發展;進而將現代環境工程學的研究對象和研究領域拓展到從太空到地下、從微觀到宏觀等多維度[6]。這就要求在教學過程中不僅要教授傳統基礎理論知識，而且要與時俱進，升級知識體系，增加信息、生物、材料等前沿知識，拓寬環境工程專業學生的知識領域。

（二）新時代高質量發展對行業提出新要求，知識維度亟待拓展

目前，我國經濟社會正處于全面綠色轉型階段，加快推動產業轉型升級、強化減污降碳協同增效已成為大勢所趨。高質量發展對各行各業均提出全新要求，如夯實產業基礎、補齊發展短板。此過程必將對環境工程專業學生培養提出全新要求，如通過對化工/材料行業高質量綠色發展的認識，培養學生掌握無毒低能耗綠色原料/材料的生產技術;通過與土木工程相結合，培養學生掌握現代環境工程建造與施工的技術;通過與計算機/自動化控制相結合，培養學生進行環境大數據分析、模擬分析解決復雜環境問題的能力;通過與能源動力相結合，培養學生進行能耗分析并進行節能減排的能力;通過與機械制造工程相結合，培養學生基于機械原理研究和解決環保設備和相關工程機械問題的能力。相關知識點在培養體系中的設置，將進一步拓展環境工程人才的知識維度。

（三）全產業鏈升級后對環保人才提出新需求，綜合素質要求升級

傳統產業因其“高能耗、高污染、低效益”的缺點正逐步退出歷史舞臺，新時代的工業產業正朝著高端、智能、綠色的方向發展，這一形勢變化對環保人才的培養提出了新的要求，環境工程專業學生培養應及時調整人才培養模式，優化教學知識體系，培養社會發展和企業生產急需的創新型、應用型、復合型人才。當前，基本職業能力只是人才培養的最低要求，專業知識能力也僅能解決部分現存問題，具備創新能力才是時代發展的需要[7]。環境工程專業學生只有具備基本職業能力、運用專業知識能力、發展自我創新能力，并且使之相互交叉滲透，才能推進行業產業以資源保護、節能減排、提質增效、循環經濟發展為主的綠色發展（圖2）。

三、基于“工工”結合的環境工程人才培養體系構建——以哈爾濱工業大學環境工程專業為例

（一）哈爾濱工業大學環境工程專業簡介及專業特色

哈爾濱工業大學環境工程專業成立于1985年，是享譽國內外的國家級特色專業，2019年入圍國家首批一流專業建設點;入選教育部首批“卓越工程師”培養計劃試點專業，是教育部環境領域創新人才培養模式創新試驗區。當前，環境工程系每年招生50～60人，在校生165人。目前已形成一支以院士帶隊、杰青、長江學者等為核心的高端師資隊伍。本專業以培養尊重自然規律和工程倫理，具有多維知識結構、創新思維和國際視野，具備溝通協作、科技創新、解決復雜工程問題和終身學習能力，具有優良品德、執著信念和家國情懷，能夠在生態文明建設等領域引領未來發展的拔尖創新人才為目標。

目前，環境工程專業形成了以環境工程原理、污染控制微生物學、環境學、環境分析化學、物理化學、環境流體力學等專業基礎課程，水污染控制工程、大氣污染控制工程、固體廢物處理與資源化、城鎮給排水系統工程、環境監測、環境影響評價等專業核心課為基礎的人才培養體系。為全面提升學生解決復雜環境工程問題的能力，環境工程系近年來通過如下舉措：（1）全面升級大氣污染控制工程、環境影響評價、城鎮給排水系統、固體廢物處理與資源化、水污染控制工程等五大核心課課程設計內容，保障學生設計能力培養;（2）100%學子進行一年制本科畢業設計，差異化專題設計保障學生進行創新性設計;（3）五大專業課程選修模塊（26門課程）保障專業知識學習及興趣培養;（4）工程特色課程及新工科課程初步覆蓋（設置了環境決策支持系統、環境統計學、建筑給水排水工程、環境工程儀表與自動化、小城鎮及農村環境治理、建筑給水排水工程、特種廢水處理、排水工程設計規范與計算、循環經濟與產業生態學方法、新概念節能污水處理技術等課程）;（5）國家精品課程/國家一流課程建設及示范引領等措施來保障人才培養成效，效果顯著。

（二）環境工程人才培養進行“工工”結合的必要性

環境問題作為工業文明的典型產物與全球關注的重大社會問題，環境污染的累積性和復雜性使得環境問題的解決具有了跨行業性、手段多樣性、牽涉利益多樣性等特點。工程科學史表明，工程科學經歷了綜合、分化、再綜合的過程。現代環境工程科學既高度分化又高度綜合，而交叉工程科學又集分化與綜合于一體，這往往就是科學新的生長點、新的科學前沿，最有可能產生重大的科學突破，使科學發生革命性的變化。

面對環境問題，僅靠傳統的環境工程課程基礎很難培養具有解決新時代復雜生態環境問題能力的優秀學生，惟有交叉科學最有可能解決。新時代國家雙碳戰略、綠色高質量發展戰略等提出了綜合性人才培養需求;此外，國家重大環境工程系統的設計、論證、實施、評價等也必須綜合運用“工工”結合科學。哈工大環境學院組織的面向全國環境工程/給水排水科學與工程專業的云端實習中，智慧水務技術與應用、新冠疫情下的醫療廢水應急處理、流域水環境治理、海綿城市建設等相關課程選課率最高，表明學生對行業熱點、難點問題關注度高，然而當前國內大部分高校在此方面課程的設置不夠。因此，環境工程領域“工工”結合的人才培養模式必將是未來發展的趨勢，是實現技術高度綜合化和集成化、保障復雜環境工程能力培養的重要舉措（圖3）。

（三）未來環境工程專業“工工”結合人才培養體系構建與思考

1. 與自動化/控制專業人才培養體系的“工工”結合

將自動化控制技術應用于水處理、大氣治理等生態環保領域，不僅可以提升工作效率和質量，而且可有效節省資金和人力，從而使企業在實際運營的過程中獲得更多的經濟效益。當前自動化技術與環境工程的交叉在業界已廣泛應用，如智慧水務感知層中的物聯網技術就是利用自動化設備獲得底層數據，通過自動化運行的環境監測設備[8]、環保設備（如自動投藥）[9]、管道與設備智能檢修裝置、系統控制軟件、智能機器人應用等實現水務的智慧化運行。當前我校環境工程專業人才培養體系中設置的該領域課程有環境決策支持系統、環境工程儀表與自動化控制和環境統計學，通過考察北京大學等兄弟院校相關課程設置，建議在未來的人才培養中增加環境工程仿真與控制等相關課程，并升級現有的環境統計學課程（圖4）。

2. 與計算機專業人才培養體系的“工工”結合

遙感（RS）、地理信息系統（GIS）、全球定位系統（GPS），以及環保大數據統計和更高水平的計算領域研究成果將為復雜生態環境問題的解決大幅縮減時間和成本[10]。如目前北京大學在空氣質量物聯網學科交叉研究取得較大進展，開創性地采用物聯網架構設計了新型的空氣質量監測系統[11]，綜合運用機器學習、人工智能、通信網絡、應用氣象學等多學科交叉研究的方法進行數據分析和系統優化，提高了最終獲取空氣質量數據的可靠性，對大范圍環境下空氣污染治理等有重大的指導意義[12-13]。當前環境工程專業現有課程為環境質量預測與管理數學模型、環境地理信息系統（研），建議在未來人才培養體系中考慮增加環境大數據分析與數據挖掘、環境遙感概論等相關課程（或模塊）（圖4）。

3. 與機械制造專業人才培養體系的“工工”結合

環境工程與機械制造專業交叉而生的環保裝備制造業是伴隨著環境保護的需求而逐步發展起來的，是環保產業持續發展的基礎保障。當前環保裝備制造在大氣污染防治、水環境治理、固體廢棄物處理、土壤修復等多個行業中廣泛應用。如燃煤電廠/工業窯爐脫硫脫硝一體化設備、大面積/多聲源企業噪聲控制設備、大型城市垃圾減量化成套設備、水中氨氮/重金屬/持久性有機污染物等傳感技術和在線監測儀器、有毒有害泥水環境污染快速應急處理集成裝置等[14-15]。因此，建議環境工程專業在未來培養方案中增加環境工程機械設計基礎、環境工程裝備設計等課程設置（圖4）。

4. 與化工/材料專業人才培養體系的“工工”結合

環境工程與化工專業的交叉顯著，如當前熱門的環境友好型溶劑（如水、超臨界流體、離子液體等）的合成與應用、生物催化技術、生物質能合成/轉化等方面的研究均涉及化工專業的相關知識。環境工程與材料專業的交叉主要體現在新型環保材料的篩選開發等方面[16]，如玻璃陶瓷制備、催化分解等技術廣泛應用于塑料廢棄物的治理，以提高熱固性聚合物的降解回收[17-18];同時，材料學科團隊針對相關技術的材料機械性能穩定性、降解劑的環保性和聚合單體回收效率進行了廣泛研究[19]。建議環境工程專業升級環境化學、環境納米技術、納米表征及其在環境檢測分析中的應用等課程[20]，結合浙江大學等課程設置經驗建議增設清潔生產等課程的設置（圖4）。

5. 與土木工程專業人才培養體系的“工工”結合

相比于傳統的土建施工，現代環境工程土建與施工呈現出以下特點：（1）智能智慧化技術得到大范圍應用;（2）模塊化集成化程度顯著提高;（3）非開挖等新技術得到廣泛應用;（4）地下/水下施工逐年增大;（5）傳統的人工施工方式逐漸淡出視野等特征。環境工程與土木工程的“工工”結合成果廣泛應用于地下污水處理廠/給水廠建設、黑臭河道治理、流域治理、綜合管廊建設、海綿城市建設等最新的環境工程施工，同時，智能智慧自動化設備與環境工程交叉將實現體現時代背景下的技術更新換代[21]。建議在未來環境工程培養體系中升級環境工程土建概論與施工技術、環境工程技術經濟和造價管理等課程，建議增加設置環境工程設計與施工等必修課（圖4）。

6. 與能源動力工程專業人才培養體系的“工工”結合

環境工程與能源動力工程交叉而生的能源環境工程主要是將煤炭、石油、天然氣等一次能源轉化為電力、熱能等二次能源的生產和利用過程。伴隨能源轉換過程排放的有害物質將造成環境污染，因此能源的生產必須高效、清潔。目前，此交叉學科主要研究人工環境，風能、太陽能、生物質能等新能源的開發利用等。環境工程與能源動力“工工”結合的另一個重點為固體廢物處理與資源化利用，包括：生化垃圾及生物質類固體廢物低焦油氣化催化、有機固體廢物熱化學催化處理、餐廚垃圾生物干化與工業廢渣強制干燥處理、危險固體廢物的無害化及資源化處理，電子垃圾高級破碎、分選及資源化研究等。學科體系現有課程為：能源與氣候變化、新概念節能污水處理技術（研）;建議增加設置中國環境保護與節能挑戰等選修課（圖4）。

四、“工工”結合背景下現代環境工程人才培養體系構建思考

隨著我國高等教育改革的不斷深入和新工科建設的持續推進，我國生態文明建設方式和內涵發生了翻天覆地的變革，如何在新形勢下實現環境工程人才培養質量的躍升，基于相關調研成果總結，對未來“工工”結合下現代環境工程人才培養體系構建思考如下：

（1）時代日新月異，把培養服務國家戰略，具有新理念、新思維的環境新青年作為人才培養的首要任務。當前，我國生態文明戰略、碳減排/碳達峰戰略、鄉村振興戰略、海綿城市建設、國家水網建設、提質增效等全面展開，如何培養具有創新思維，能夠服務國家相關戰略任務的復合型人才是當前環境工程專業應該思考的重點任務，因此有必要以培養社會主義接班人為出發點，全方位提高人才培養的戰略高度。

（2）學科地位抬升，把建設和完善能夠吸引優秀新青年的課程培養體系作為人才培養的首要任務。生態文明建設的全面推進使得生態環境保護相關專業的重要程度達到前所未有之高度，群眾對專業的認識不斷升高，人才需求廣泛，因此，應該通過課程體系的建設，全面提高對青年優秀人才的吸引程度，做到人才培養體系的高質量建設。

（3）行業需求多元，把培養具有時代特色，能夠勝任復雜環境工程問題解決的競爭力人才作為重要抓手。生態環境領域重大工程的推進和建設與自動化/控制、計算機、機械制造、化工/材料、土木工程、能源動力工程等學科交叉愈加顯著，上述行業對環境工程方向人才的需求顯著，建議通過相關專業交叉建設，培養能夠解決復雜環境工程問題的人才。

（4）學分持續壓縮，把課程體系的合理架構、課程內容的升級更新、“工工”結合的全面落實作為重要途徑。新時代本科培養體系對課程體系全面升級，增加了實習實踐課程，并適當地壓縮了課程。因此，在“工工”結合需要全面強化的背景下，做到課程體系的合理架構，實現課程的升級更新是未來建設的重點。

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