環境工程原理課程建設的思考

陳坦 張冰 金軍 劉穎 楊婷

［摘 要］環境工程原理課程重點介紹污染控制工程的主要工藝和設施的共性原理，以“模型概化→數學刻畫→真實情況還原”為重要思考方式，利用微分和積分工具描述微觀和宏觀過程。教研團隊在教學過程中發現，環境科學與工程專業的師生對環境工程原理課程尚有一些疑惑，如教師不清楚本課程與環境工程學等其他專業課的關系、學生不易掌握課程學習方法等。文章從存在的問題與課程定位、課程的銜接、課程實踐環節的設計、授課過程中其他需要注意的問題等方面探討環境工程原理課程的建設思路，有利于進一步提高課程的教學質量。

［關鍵詞］環境工程原理課程；課程建設；環境科學與工程專業；課程實踐

［中圖分類號］ G642.3；X506 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）03-0025-03

當前，我國生態文明建設已取得了巨大成就，“綠水青山就是金山銀山”的理念逐漸深入人心，環境保護事業的蓬勃發展也對環境科學與工程專業的人才培養提出了更高要求[1-3]。環境工程原理課程（以下簡稱本課程）是環境科學與工程專業的重要專業基礎課，以機制、原理的討論為主線，介紹水處理、大氣污染控制、固體廢物處理處置等污染控制工程的主要工藝和設施中的共性原理[4]。明確環境工程原理課程的定位，進一步改善課程的教學效果，對保證環境科學與工程專業人才的培養質量具有重要意義。本文從存在的問題與課程定位、課程的銜接、課程實踐環節的設計、授課過程中其他需要注意的問題等方面探討本課程的建設思路。

一、存在的問題與課程定位

本課程主要討論以下內容：（1）質量衡算、能量衡算；（2）質量傳遞、熱量傳遞、動量傳遞；（3）沉降、過濾、吸收、吸附等環境工程常用分離過程的原理；（4）均相化學反應器、非均相化學反應器和微生物反應器等反應工程原理。本課程以“模型概化→數學刻畫→真實情況還原”為重要思考方式，即去掉次要影響因素，將復雜的環境問題簡化為模型，當宏觀問題無法被均質化看待時還應將其剖分成均質的微觀問題，再通過數學方法描述、求解、優化，繼而考慮各因素和各部分對模型的影響與修正。這樣的思考方式需借助微分和積分工具描述微觀和宏觀過程。

目前在授課中主要存在3個層面的問題：第一，學生層面。課程性質和內容決定了課程難度大、公式復雜、計算量大，學生在學習時有一定的抵觸情緒，遇到難點也容易選擇放棄。同時，由于本課程在水處理工程、大氣污染控制工程等專業方向課之前開設，授課時學生不了解具體工藝、設施的特點及實踐意義，由此增加了學習的難度，部分學生會質疑課程開設的意義。第二，教師層面。部分專業教師不了解本課程的主要內容和特點，往往容易和環境工程學等課程混淆，也不理解本課程與水處理工程、大氣污染控制工程等后續專業方向課程的相關性，甚至出現在制訂培養方案時取消本課程或將本課程設置于上述專業方向課程之后的情況。第三，培養體系層面。本課程的講授以理論分析、介紹為主，要想達到理想的教學效果，需要實驗、實習等實踐類課程配合，也需要開設先修課程，后續課程應用本課程的基本原理去分析、解決實際問題。這既是本課程與培養體系關系的問題，事實上也是關系到整個培養方案設計和培養模式落實的問題。

解決上述問題的關鍵，在于梳理清楚本課程的定位，全面加強課程的建設，持續提高教學質量。本課程在環境科學與工程專業的人才培養過程中，對專業認同等的提升具有重要作用，是培養學生從具備基本的理工科素質向具有一定廣度和深度的專業技能過渡的樞紐。從知識體系構建層次的橫向角度看，環境工程原理課程與環境微生物學、環境監測、環境化學等課程共同起到了引導學生由具備理工科思維向環境科學與工程專業知識體系構建的過渡作用。從課程組培養能力的縱向角度看，環境工程原理的選修順序一般處于居中位置，如環境工程專業水處理方向的選修順序為環境微生物學→環境工程原理→水處理工程→污水厭氧處理技術進展；環境科學專業污染治理技術方向的課程選修順序可為水力學→環境工程原理→環境工程學→其他環境工程專業方向課。環境工程原理課程承擔著本專業學生工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究和使用現代工具等方面能力的培養任務。

二、課程的銜接

梳理本課程與其他課程的區別與聯系，做好課程間的配合與銜接，是環境工程原理課程在培養過程發揮樞紐作用的關鍵之一。明確了課程定位就確定了課程在培養體系中應該發揮的作用，解決授課中存在問題的重點就轉化為如何處理課程間的重復內容問題。本課程與部分課程重復的內容如表1、表2所示。與先修課程相比，本課程更注重面向應用，而與后續課程相比，更傾向于更多復雜因素的機理分析和公式構建。課程的任務和重點不同，相同內容的介紹側重點也不同，加強課程的銜接，能讓學生從不同的層面去學習知識，加深對知識的理解。

講解側重點 量綱、無量綱準數 水力學 引出判定流態類型的雷諾數 利用量綱分析特定參數的單位，為介紹雷諾數、努塞爾特數、普蘭德數等無量綱準數做鋪墊 焓 物理化學 描述物質的能量狀態 衡算系統能量的變化 流體流動 水力學 描述流體流動狀態和能量損失 分析傳動量的機理，為傳質和傳熱的控制提供理論基礎 吸附 物理化學 描述物質吸附過程的作用力規律，主要考慮靜態吸附 剖析吸附過程的物理和化學作用過程，以靜態吸附為基礎、以吸附反應器為背景介紹動態吸附知識點 環境化學 描述污染物和環境介質間的行為 反應動力學 物理化學 描述化學反應的速率和微觀機理 面向質量衡算描述反應生成或降解物質的規律 微生物的生長特征和Monod方程 環境微生物學 介紹微生物的生長特點和影響因素 面向生化反應器速率控制描述各因素對微生物反應的影響 ]

講解側重點 沉降 水處理工程 計算沉淀池的尺寸和效率 分析沉降的機理，建立數學描述方法 吸收、吸附 大氣污染控制工程 計算煙氣處理設施的尺寸和藥劑用量 建立靜態—動態分離過程數學描述方法 離子交換 水處理工程 介紹工程應用情況和重要工藝參數計算 分析其中的微觀機理，建立數學表達方式 ]

三、課程實踐環節的設計

本課程承擔培養學生工程觀念、創新能力、動手能力和解決工程實際問題能力的任務[5]，實驗、實習等實踐類教學環節是本課程的重要組成部分。從培養過程的整體性角度考慮，可組織構建銜接更緊密的理論—實踐課程組，既能讓環境工程原理理論課有實踐依托，也能增加實踐類課程的理論深度，同時改善授課效果。

實驗方面。開設和課程理論講解配套的實驗課程，目前主要依托化工原理實驗課程開設，包括吸附等溫線的測定、反應動力學方程的測算、流體阻力的測定、離心泵性能曲線的測定和傳熱系數的測定等內容。課程配套實驗可分為驗證性實驗和開放探索型實驗，覆蓋課程的重要知識點。驗證性實驗包括：（1）流體流態和雷諾數的測定；（2）流體流速與尾流的生成實驗；（3）傳熱系數的測定；（4）擴散系數的測定；（5）顆粒沉降速率的測定；（6）沉淀過程水頭阻力損失的測定；（7）均相化學反應動力學方程的測定；（8）非均相化學反應本征反應動力學方程的測定。開放探索型實驗包括：（1）流量計的誤差與修正實驗；（2）吸收/吸附的動態模擬和影響因素分析；（3）微生物生長和微生物反應動力學方程的測定。開設上述實驗不僅需要任課教師投入大量精力，還需要配套基本硬件設施，更需要考慮如何組合優化課程以幫助學生建立知識體系。

實習方面?？沙浞终险J識實習、生產實習、畢業實習和相關專業課程的學習等，既注重不同層面實習實踐的側重點差異，又注意在實習實踐中融入以環境工程原理為主導的專業基礎理論課程，增強學生理論深度，防止實習實踐形式化。如要求學生在實習實踐前做好必要的預習，復習工藝設施的相關原理知識；運用線上線下混合教學模式，將線上視頻講解和線下實地參觀相結合，讓學生帶著諸如“原理如何應用于工程中”等問題去參觀。

四、授課過程中其他需要注意的問題

第一，課程思政元素的挖掘。傳統理工科課程需要解決課程思政和專業結合難、缺乏實踐支撐等問題[6]。環境工程原理課程在挖掘思政元素并將其融入課堂教學的過程中，需要做到潛移默化、潤物無聲，做到課程知識講授過程的自然流露。教師可深入分析課程中蘊含的思政元素，如科學家故事、我國環境保護的成就、工程思維方式和工程倫理等，使得專業知識講授和思政教學融合。課程組在實踐教學過程中可設置融入專業考評的思政元素考查點，關注學生獨立解決問題的能力、團結協作的意識和克服困難的精神。

第二，適當增加對社會需求和社會關注問題的討論，提高課程的時效性[7]，營造學以致用的氛圍。環境保護工作既受環境政策的指引，也在一定程度上反映出環境政策是否落實到位。跟蹤社會需求和社會關注問題，有利于學生掌握環境保護工作的發展動向和重點，有利于引導學生建立專業信心，有利于課程知識結構和素材“不落伍”，始終面對當下的環境問題，適應當下社會對環境的需求。事實上，及時了解環境政策的導向，不僅有利于提高課程建設質量，而且有助于激發學生學習興趣，還有益于教師個人成長、專業和學科發展。

第三，合理使用各種教學手段，以適應講授內容、收到良好效果為標準。合理地使用現代化教學工具可在一定程度上提高課程的教學效果，調動學生學習的積極性，教學工具并不是越新、視覺沖擊力越強就越好，而是應該與講授的內容匹配。如講解公式時，推導的過程往往適合板書，方便學生按照教師的思路書寫、思考，也利于教師在演示時省略次要因素等推導過程，這樣的授課方式往往速度較慢，但可拓寬授課深度，可使師生互動更深入。再如，講解典型設備的運行時，與只用靜態圖片講解相比，借助設備三維動態結構圖和運行視頻講解的教學效果更好。

第四，引導學生認識本課程的特點，逐漸建立適合自己的課程學習方法。學生在了解本課程的性質、內容和意義后，會逐漸調整心理預期，這就需要教師把緒論講深講透，帶給學生信心和興趣。大學和中學的學習方式有很大區別，中學學習往往以具體的習題訓練為載體，大學學習卻常常注重對知識本身的理解和記憶。在習題講解、作業布置與講評等環節，應以對知識的理解為重點，講解知識的來源、簡化方式和適用條件，習題的解答過程相當于一般式的具體化。本課程的學習依賴微分和積分知識，重在培養學生對工程實際問題的分析和提出解決思路的能力，對學生思維方式的構建意義遠大于解決具體的習題。

五、結語

環境工程原理課程在環境科學與工程專業的本科人才培養方案中具有重要的作用，主要闡述污染控制工程中的共性原理，利用微分和積分工具從微觀—宏觀分析結合的角度開展數學描述。梳理本課程與其他課程的關系，做好課程間的銜接，能更好地發揮環境工程原理課程在人才培養過程中的樞紐作用；同時應在課程實踐環節的設計、課程思政元素的挖掘、社會需求和社會關注問題融入、多種教學手段結合、學生學習方法引導等方面不斷加強課程建設，以進一步提高課程的教學質量。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 陳坦，金軍，王英，等.民族院校環境工程專業的建設特色與培養方案調整初探[J].教育教學論壇，2019（31）：119-123.

[2] 陳坦，金軍，王英，等.民族地區環保工程新型人才培養方式改革的設想[C]//新時代高校環境教學改革與創新研討會組委會.新時代高校環境教學改革與創新研討會論文集（2019）.北京：高等教育出版社，2020：317-321.

[3] 陳坦，金軍，王佩，等.民族院校環境工程專業學生的就業意向淺析[J].教育教學論壇，2020（43）：101-103.

[4] 侯彬，盧靜，王海芳.《環境工程原理》課程教學體系的改革與優化[J].教育教學論壇，2019（11）：94-95.

[5] 周遠松，唐曉龍，高鳳雨，等.礦冶背景下環境工程原理實驗教學體系建設[J].大學教育，2020（3）：20-23.

[6] 夏嵩，王藝霖，肖平，等.土木工程專業教育中工程倫理因素的融入：“課程思政”的新形式[J].高等工程教育研究，2020（1）：172-176.

[7] 陸永生，黃鑫，許云峰，等.環境工程原理示范課程建設的實踐探索[J].大學教育，2018（10）：43-45.

［責任編輯：蘇祎穎］