基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的環(huán)境工程原理課程教學改革與實踐

石鳳娟 段學軍 楊書申

摘 要：本研究針對環(huán)境工程原理課程在課程規(guī)劃、教學內(nèi)容、實驗特色、教學形式及考核方式等方面存在的問題，分析課程改革的必要性，提出教學改革方案，即在充分體現(xiàn)環(huán)境工程學科特色的基礎上，科教結合，使教學內(nèi)容體系得到優(yōu)化;校企聯(lián)合，構建新型教學模式;考核學生學習全過程。通過教學改革與實踐，學生可以在掌握環(huán)境工程原理基本理論和知識的基礎上，達到思維創(chuàng)新和能力培養(yǎng)的目的。

關鍵詞：環(huán)境工程原理;創(chuàng)新能力;教學改革

2015年11月5日，國務院發(fā)布《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》文件。文件圍繞“中國特色”“世界一流”的核心要求，在建設方面提出了“培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才”的任務，要“堅持立德樹人，突出人才培養(yǎng)的核心地位，著力培養(yǎng)具有歷史使命感和社會責任心、富有創(chuàng)新精神和實踐能力的各類創(chuàng)新型、應用型、復合型優(yōu)秀人才”。同時，在改革方面提出要“實現(xiàn)關鍵環(huán)節(jié)突破。加快推進人才培養(yǎng)模式改革，推進科教協(xié)同育人，完善高水平科研支撐拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制”?？梢?，“雙一流”建設的重要任務之一——拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)至關重要。課程作為大學教育的基本單元，是培養(yǎng)人才的核心要素。因此，課程的規(guī)劃和設計能力是大學教師乃至一所大學的核心競爭力。

一、環(huán)境工程原理課程教學的現(xiàn)狀分析

環(huán)境工程原理是我國高校環(huán)境學科的專業(yè)基礎課，主要研究工業(yè)及生活排污治理技術中各單元過程的基本原理、典型設備的構造與操作原理，以及各單元過程的設計計算。它以高等數(shù)學、物理、物理化學等為基礎課程。該課程不僅適用于環(huán)境治理工程，而且在化工、冶金、電子、醫(yī)藥、輕工、航空等行業(yè)也發(fā)揮著效能。在高校教學計劃中，環(huán)境工程原理是自然學科到應用學科的橋梁。因此，對于環(huán)境工程專業(yè)而言，環(huán)境工程原理課程的規(guī)劃直接影響著專業(yè)學科的建設和發(fā)展，其教學設計對提高學生綜合素質(zhì)、實現(xiàn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標意義重大。

目前，中原工學院環(huán)境工程專業(yè)在環(huán)境工程原理課程的建設方面還存在著許多亟待改進和改革之處，具體體現(xiàn)在以下五個方面：

（一）課程規(guī)劃

環(huán)境工程原理課程內(nèi)容雖多源于物理化學、生物化學及化工原理等課程，但這些學科的知識點并不能很好地反映環(huán)境工程學科本身的理論以及環(huán)境工程領域的復雜工程問題。因此，基于環(huán)境工程學科的專業(yè)需求特色，環(huán)境工程原理的教學規(guī)劃不能等同于以上三門學科的簡單組合。

（二）教學內(nèi)容

中原工學院環(huán)境工程專業(yè)選用的教材是清華大學胡洪營教授主編的《環(huán)境工程原理》。該教材屬于國家級規(guī)劃教材。在教學過程中，環(huán)境工程原理的教學內(nèi)容多局限于該教材，對相關相近學科知識并未涉及，這必然限制課程的發(fā)展更新及學生學術視野和思維的拓展。

（三）實驗特色

現(xiàn)有的環(huán)境工程原理實驗多以基礎性實驗為主，以單一知識點為內(nèi)容進行驗證性實驗，缺乏綜合性、系統(tǒng)性和連續(xù)性。此類實驗的設置不僅限制了學生對理論知識的融會貫通，而且也不利于創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)。

（四）教學形式

教學只限于在限定的時間內(nèi)在教室授課，一般是完全按照教材既定方案進行課堂教學。此種教學形式不利于培養(yǎng)學生獨立思考的能力。

（五）考核方式

在實施教改前，環(huán)境工程原理課程作為專業(yè)基礎課，其考核方式為平時成績與期末成績相結合。平時成績由出勤率和作業(yè)成績構成，作業(yè)內(nèi)容為章節(jié)后的練習題，平時成績占綜合成績的20%。期末成績即為試卷成績。單一的考核方式既不能全面考查學生的學習效果，也不能體現(xiàn)學生的學習過程。

因此，擴展教學內(nèi)容、改進教學形式、開展多樣的學生學習評價模式勢在必行。

二、環(huán)境工程原理課程教學改革實踐

（一）注重理論系統(tǒng)構建，規(guī)劃知識模塊

作為環(huán)境科學與工程學科的專業(yè)基礎課程，環(huán)境工程原理與大氣污染控制工程、水污染控制工程及環(huán)境工程微生物學等研究方向及課程都密切相關，其知識源于物理化學、生物化學及化工原理的有機結合。在教材內(nèi)容的規(guī)劃上，環(huán)境工程原理更傾向于基本原理和理論在典型設備、典型工藝及環(huán)境工程中的應用。因此，環(huán)境工程原理的課程規(guī)劃，不能完全參照以上三門學科的內(nèi)容，要以建設一流學科為目標，在遵循該課程自身課程理念的基礎上，更多地體現(xiàn)學校本專業(yè)的學科特色，充分考慮后續(xù)專業(yè)課程的銜接性和延續(xù)性，從而激發(fā)學生學習的熱情及參與科研的積極性，培養(yǎng)并增強學生靈活運用理論知識分析和解決復雜工程問題的創(chuàng)新意識和能力。

因此，在教學內(nèi)容的規(guī)劃中，避免相關課程教學內(nèi)容的重復，明確環(huán)境工程原理的教學內(nèi)容與重點難點，優(yōu)化課程教學體系格外重要。例如，熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、過濾、吸收、吸附、萃取等操作單元的基本原理及典型設備的設計計算等內(nèi)容在化工原理課程中為主要講授內(nèi)容，而環(huán)境工程原理則是針對知識體系規(guī)劃課程相關知識模塊。教學規(guī)劃中可以將相互聯(lián)系的知識點重新組合，使教學內(nèi)容系統(tǒng)化。例如，選取基礎理論部分的質(zhì)量傳遞與分離過程原理的吸收、吸附及其他分離過程為模塊，該模塊的規(guī)劃突出體現(xiàn)了基本理論和操作單元實踐應用的有機結合。

（二）科教結合，優(yōu)化教學內(nèi)容體系

隨著環(huán)境工程中單元操作的新技術、新工藝的發(fā)展，環(huán)境工程原理的相關教學內(nèi)容也應及時更新。2012年，中共中央、國務院印發(fā)《關于深化科技體制改革加快國家創(chuàng)新體系建設的意見》，強調(diào)要“大力推進科技與教育相結合的改革，促進科研與教學互動、科研與人才培養(yǎng)緊密結合”。在環(huán)境工程原理教學實踐中，教師應及時采用前沿科技成果優(yōu)化課程體系，更新教學內(nèi)容，及時了解環(huán)境工程領域科技發(fā)展的最新動態(tài)。例如，在膜分離教學過程中，將前沿海水淡化技術引入其中，不僅可以使學生了解膜分離的機理，掌握相關的分離理論，而且可以培養(yǎng)學生的科研理念。將科技前沿理念應用于理論教學中，可以開拓學生的視野，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

（三）注重學科特色，增加探究性的科研實驗

探究性實驗提倡理論聯(lián)系實際、獨立思考和科學探索精神，有助于培養(yǎng)學生的獨立思考能力和開拓創(chuàng)新能力。因此，環(huán)境工程原理實驗內(nèi)容摒棄以往體現(xiàn)單一知識點與技術方法的實驗，增加具有本學科特色的印染廢水處理綜合實驗。例如，印染廢水中有機污染物對硝基苯酚的催化降解實驗設計，該實驗不是要求學生按既定的催化劑進行實驗，而是要求學生通過分小組查閱中外文獻進行歸納總結之后，制訂催化劑制備方案，經(jīng)教師審閱后再進行催化劑的制備。從催化劑的制備、物化性質(zhì)表征到催化劑對污染物的催化活性評價，整個過程無一不是對學生動手操作能力和科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。從教學反饋來看，學生制備的催化劑種類多樣、形態(tài)迥異、催化活性不佳。然而，該實驗并不是為了驗證某些原理或相關參數(shù)，制備出形貌規(guī)整、催化活性極佳的催化劑，而是為了給學生更多思考和創(chuàng)新的空間。

（四）校企聯(lián)合，構建新型教學模式

環(huán)境工程專業(yè)以培養(yǎng)環(huán)境保護領域高級應用型人才為目標。學生須具備環(huán)境污染防治的基本技能，能夠在環(huán)境保護領域一線勝任污染控制工程的設計、建設、運行、管理、規(guī)劃、研發(fā)及環(huán)境評價、環(huán)境監(jiān)測等方面的工作。因此，在環(huán)境工程原理課程的教學中，教師應以社會需求和培養(yǎng)目標為基準，加強校企聯(lián)合，充分利用社會資源，增加校外課堂，依托實習基地進行現(xiàn)場教學，實現(xiàn)理論課堂和實踐課堂的相互融合。例如，帶領學生在鄭州雙橋污水處理廠和鄭州馬頭崗污水處理廠學習微生物反應器的設計和運行機理;帶領學生在鄭州垃圾填埋場基地現(xiàn)場學習微濾、超濾及反滲透膜在滲濾液處理中應用等。教學形式和場地的轉換，不僅使教學內(nèi)容更加豐富，還能使學生深刻理解理論、技術和工程應用之間的融合。

（五）以學生為中心，加強學生學習的全過程考核

教師改變“教師講，學生聽”的傳統(tǒng)教學方法，激發(fā)學生主動學習的熱情，培養(yǎng)學生質(zhì)疑的精神，以探究性的課題引導學生組織研討;讓學生理解和掌握環(huán)境工程原理特色的思維方式，訓練其創(chuàng)新性思維。教學過程應實現(xiàn)考核常態(tài)化，形成過程考核，強調(diào)對學生學習目標、任務、成果等方面的階段考核，最終實現(xiàn)對學生學習全過程的考核。

課堂教學之前，教師應設置貫穿獨立篇章的探索性問題。這些問題為遞進關系，從學生熟悉的生活現(xiàn)象和基本理論出發(fā)，引導學生預習教材、查閱文獻、自主思考。例如，在環(huán)境工程原理的熱量傳遞章節(jié)的教學中，先設置問題：地暖和空調(diào)安裝位置為什么不同？兩者傳熱的方式是什么？地暖和空調(diào)如何傳熱？哪些因素可能影響傳熱效能？關于問題的回答和討論都以混合式教學的線上形式進行。通過回答問題和討論，教師及時掌握學生對章節(jié)知識點的理解程度，并對預習結果進行評價，以調(diào)整課堂教學中重點難點的時間分配，提高課堂教學效率。這些環(huán)節(jié)的設計可以使學生積極主動地參與教學過程，提高溝通交流的能力。

探究性教學引導學生運用探究的方法進行學習，主動獲取知識，從而培養(yǎng)學生積極探索創(chuàng)新的精神，提高科學探究能力。課堂教學從預習的問題出發(fā)，以探究的方式引入本章節(jié)的新知識點。課堂教學中，教師鼓勵學生發(fā)言，通過師生對操作單元之間的內(nèi)在聯(lián)系的探討，激發(fā)學生的探索興趣。

為了培養(yǎng)學生的科研創(chuàng)新思維能力，教師除了可以依據(jù)課堂內(nèi)容設置基礎題檢驗學習效果，還可以開設創(chuàng)新設計型課題，要求學生在課余時間完成。創(chuàng)新設計型課題只提出研究方向和目的，沒有具體的實驗材料、操作步驟及相關數(shù)據(jù)等信息，學生需要查找文獻，經(jīng)歸納總結后制訂研究方案。這一過程的考核包括基礎和創(chuàng)新兩部分。教師根據(jù)基礎題的對錯及研究方案的完整性和可行性分析對成績進行評價。教學反饋的結果表明，這種教學方法實施后，部分學生學會了進一步通過實驗驗證研究方案的可行性。盡管得到的結論不合邏輯甚至違反了科學定理和定律，但實驗無論成功還是失敗，該教學方法對培養(yǎng)學生的學習興趣、加深其對理論知識的理解和掌握、提高學生的科研創(chuàng)新能力大有裨益。目前，環(huán)境工程原理課程的考核形式仍為平時成績與期末成績相結合的方式。但平時成績改為由預習與討論、課題創(chuàng)新、作業(yè)和階段測試四部分構成，平時成績在綜合成績中的占比由原來的20%提升到50%。期末成績占綜合成績的50%，期末考試的內(nèi)容著重考察學生利用環(huán)境工程原理對環(huán)境工程中的復雜問題進行分析的能力。

通過對環(huán)境工程原理課程的教學改革，教師積極引導、支持和鼓勵學生進行相關科研創(chuàng)新實踐活動。目前，一些學生已在校級和省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃中取得優(yōu)異成績。

在“雙一流”建設背景下，環(huán)境工程原理課程在建設一流課程方向上進行課程內(nèi)容、教學方式和考核方式等方面的教學改革，不僅提高了教師的教學技能和質(zhì)量，而且培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維能力。

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責編：艾 和