新工科背景下环境类生化实验创新教学改革与探索

郭亚坤，杨 冬，曹全全，刘 翔，刘宪华，姜晓峰，魏亚丹，张光辉，杨永奎，鲁逸人*

(1.天津大学 环境科学与工程学院，天津 300072；2天津大学 建工学院，天津 300072)

2017年4月，教育部在天津大学召开新工科建设研讨会，60余所高校共商新工科建设的愿景与行动。与会代表一致认为，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑，既是当务之急，也是长远之策。与此同时，环境保护和可持续发展是当前整个人类面临的一个重大课题，新工科背景下对环境科学与工程类学科建设也提出了严峻的考验。实验教学作为高等教育重要的教学环节，是激发创新意识，培养创新思维最为必须环节。如何将专业实验教学过程形象生动的展现，将有利于学生将自己的兴趣和专业知识点关联起来，能使学生产生求知欲，激发创造潜能[1]。

1 新工科背景下环境生物实验教学现状分析

1.1 实验教学中学生创新不足

环境科学专业课程中有多门生物类、化学类课程，其中包括现代环境生物技术及实验、高级环境生物学、环境生物毒理学、环境化学、环境工程原理等[2]。但长期以来，这些课程相互之间、以及课堂教学和实验实践教学之间缺乏沟通、交叉性不够，不利于学生创新思维的培养，也不利于学生综合能力的培养。

环境生物类实验，由于知识体系的复杂性，实验中由基础综合性知识学习过渡到实验操作项目，进入实验室后需要解决动手能力差、不能独立完成实验任务等情况[2]，学生只能在老师的示范、讲解之下完成，而没有更多的时间进行设计性的实践项目，更谈不上实验创新。

1.2 实验教学模式程序化

环境科学专业的实验教学模式比较保守，学校的实践场地有限，单纯在实验室进行实验，学生的工程素养能力得不到锻炼，而且实验室相关的实验操作、内容与真实的企业操作、实际工程问题还是有很大的区别，没有设备、环境等外在条件的保障，与企业联系不紧密，不利于在实验过程中学生的自主创新能力的培养。因此，部分实验逐步与企业建立联合实践教学基地，是我们共同的目标。

1.3 实验教学系统管理难度大

由于仪器设备套数、实验指导教师等教学资源比较紧张，学生开展实验操作过程中因自身预习不充分、仪器设备存在问题、班次人数较多等众多原因，授课教师一般演示操作，难以近距离与学生充分信息引导，部分学生会以应付或者完成任务的心态开展实验，效果不佳[3]。

其次实验教学队伍的配置直接关系到实验教学水平的高低，会影响实验教学的效果和应用型人才的培养。目前的实践教学队伍不能完全涵盖的全部方向。实验教学老师一般实验理论实验技巧比较丰富，但缺少工程经验以及国际前言热点课题。

1.4 实验教学考核不够完善，无法准确把握学生科研参与度

目前一般实验考核主要以预习报告、实验操作、处理报告来评定。受主观条件与客观因素影响，教师无法全面详细了解实验操作中每个学生的操作能力，无法获取学生对实验原理及数据处理方法的掌握程度，不利于老师对每个学生进行客观评价，发掘学生的兴趣爱好和创新能力的针对性训练。

2 新工科背景下环境实验类教学培养目标

新工科背景下，秉承应对变化、塑造未来的建设理念，通过继承与创新、交叉与融合、协调与共享等多种途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[4]。环保作为一种新兴产业，产业不断升级，需要大批能力素质协调、具有创新创业精神和实践能力的复合型创新人才。面对这种新的人才塑造理念，环保产业人才也应该具备相应的能力。

2.1 知识综合应用、系统设计能力

面对环境问题日益复杂，环境学科的发展也越来越体现综合性、交叉型、创新型[5]。在面对实验课程时，要求学生能够综合运用水、大气、固废、环境监测、化学分析等多门学科知识，通过阅读相关实验说明，明确实验目标与知识综合运用，查阅相关资料，深入了解实验原理及方法，做好实验前的准备工作[6]。甚至能够地进行方法探索，系统设计实验流程。

2.2 工程问题分析、解决问题能力

学生能够融合在校学习的理论知识，结合生产实习了解，能够分析企业实际所遇到的环境工程问题，能够借助所学学科知识，认真开展现象剖析，原因查找，规律总结等工作[7]，具备一般的工程问题分析、解决问题的能力。只有这样才能更好地进行学习与就业的衔接，快速适应时代的发展。

2.3 理论联系实际、创新发展能力

学生能够在实际工作中善于发现问题、主动分析问题并学会解决问题，逐步提高自身综合运用所学知识和专业技能解决企业实际问题的能力[8]。结合自身优势与发展现状，在企业工程实践中不断探索与创新，找到突破自我发展的潜力。

3 新工科背景下环境生物实验类教学创新教学改革与探索

3.1 优化生物实验教学内容，促进环境学科交叉融合

新工科背景下，要求环境学科遵循时代发展的新型体系，发展为能够兼容科学、技术和工程等诸多领域[9]。在实验教学内容设置方面，根据课程学习要求，结合学生所处学段，设置基础性实验、综合性实验、设计或研究型实验，让不同年级阶段的学生得到相应的实践锻炼，拓展知识面。在实验课程设置方面，需要将专业性较强的课程转变为综合设计实验[3]。结合本专业的课程特点开设系列经典实验项目，将抽象的理论在实验项目中具体的展现，学生在方案设计、实验设计、测试选择、结果分析、问题处理等方面得到系统培训[10]，这个过程包含了逻辑思维、可行性分析、计算预测、实验技能等多方面的内容，体现出多学科内容的交叉融合。

3.2 创新实验教学模式，鼓励学生自主创新学习

新工科背景下，要求环境学科培养全方位、多层次、全面型发展人才，建立真实情景式混合教学，大大有利于学生的全面发展[11]。结合环境类生物实验综合性、实践性、交叉型等特点，具体来讲，就是实验教师给出实验课题，提出所要解决问题，要求学生进入真实环境进行调查研究，通过预设问题启发学生在真实的情景中进行学习。学生则通过查阅书籍、网络、咨询、讨论等各种知识获取渠道，对问题进行主动的分析，讨论和思考后设计出问题的解决方案，然后在真实环境或接近真实应用的场景里进行实践探索。

3.3 实验教学与工程实践相结合，培养应用型创新人才

我们和跨学科技术和工程单位进行合作，弥补当前各自的不足，达到互利共赢的局面[12]。在实验内容设置方面，打破传统经典实验，以实验室可操作的企业实际工程问题为依据设置实验内容。加大校企合作，如此对学生工程素养的培养非常有帮助。

3.4 综合性实验教学评价，“互联网+”辅助教学考核

新工科背景下，建立综合性的评价体系。教师课前布置自学任务和测验，根据学生自学情况和课前测验给予课前成绩，课堂上根据学生的实验态度和实验结果给予学生课中成绩，课后根据学生完成的实验报告给予其课后成绩，共同构成学生最终的实验成绩[13]。调动了学生的积极性，切实有效地提高了实验教学质量[14]。通过以上全面深入考核，激发学生参与实践的积极性，培养了创新能力。

3.5 加强实验教学管理

新工科背景下，要求充分调动学生自主探索能力，培养创新型人才，开放实验室的建设对创新能力培养发挥重要作用[15]。开放式实验教学可能会增加实验室管理难度，我们结合勤工俭学岗位或挑选部分有创新实验兴趣爱好且动手实践能力强的学生参与实验室的维护与管理工作，能够有效提高实验室仪器设备使用时长。

提升教师能力素养教师的结构、层次、知识面对培养学生至关重要，所以配置一支结构层次合理、知识面全面的实践教师队伍势在必行。根据新工科人才培养模式的需求，环境工程专业的实验体系设置将不断完善，相关教师的科研方向逐渐被融合进来，这样的教师队伍才能更好的引导、培养学生。

4 结语

当前，世界科技革命和产业浪潮奔腾而至，迎接新技术、新业态、新模式、新产业，世界各国为抢占工业科技创新制高点，竞相推出新战略举措。为了把我国打造成引领世界的制造业强国，工科建设必须全面提质增效。在"新工科"建设背景下，对环境类生物实验教学提出了新的要求及挑战。本着“以学生为中心”的教学理念，结合“新工科”对学生实践能力、创新能力的要求，科学地改革环境类生物实验教学模式，增加新的教学方法及教学手段，增强校企合作，充分提高教学质量，推动产教融合，培养出创新型卓越工程科技人才，促进新工科从理念走向行动，为中国高等工程教育助跑。