矿冶背景下环境工程原理实验教学体系建设

周远松 唐晓龙 高凤雨 于庆君

[摘要]环境工程原理课程教学重点之一在于培养学生的工程观念、创新能力、实践动手能力和应用所学的环境工程原理理论知识分析、解决工程实际问题能力，因此，课程教学的实验教学环节显得尤为重要。北京科技大学环境工程实验教学中心根据学校办学理念，结合学科特点，通过对环境工程原理实验教学内容、教学方法以及考核模式等方面进行设计和建设，形成了具有矿冶背景特色的实验教学体系。

[关键词]环境工程原理;矿冶背景;实验教学体系

[中图分类号]G642

[文献标识码]A

[文章编号]2095-3437（2020）03-0020-04

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中强调，“高等教育的任务是着力培养信念执着、品德优良、知识丰富、本领过硬的高素质专门人才和拔尖创新人才”“强化实践教学环节”;教育部在《教育部等部门关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见》（教思政[2010]1号）中指出，“实践育人特别是实践教学依然是高校人才培养中的薄弱环节，与培养拔尖创新人才的要求还有差距”“注重学思结合，注重知行统一，注重因材施教……努力推动高校实践育人工作取得新成效、开创新局面”;2018年9月，习近平总书记在全国教育大会上强调，要提升教育服务经济社会发展能力，着重培养创新型、复合型、应用型人才。由此可见，提高实践教学水平，培养具有创新意识、富有实践能力的高素质尖端人才是全国高校教育教学面临的重要课题之一。

北京科技大学环境科学与工程学科作为北京市重点学科，在2017年全国高校学科评估中排名第16名（共155名），本专业注重培养学生的实践能力，提高学生的社会责任感和专业情怀，为社会的发展贡献力量。经过近十年的探索，本专业以创新型人才培养为目标、实践能力培养为主线、实践教学改革为切入点，结合学校和专业特色，构建特色化的实践课程教学体系，切实解决学生实践动手和工程设计能力不足、自主创新意识和能力缺乏等问题。本文以环境工程原理实验课程为例，针对我校矿冶行业背景下实验课程体系的建设进行探讨。

一、环境工程原理实验课程体系设计

环境工程原理课程源于化工原理，是高等学校环境工程专业的一门重要的专业基础课，教育部高等学校环境工程教学指导委员会已于2014年8月将该课程确定为高等学校环境工程专业的核心课程之一，并列入专业规范。课程针对环境工程专业特点，经过分析和总结，系统阐述了水处理、大气污染、固体废物处理与处置等环境污染控制工程中存在的共性污染防治技术原理，具有较强的理论性和系统性，为后续专业课程开设打下了良好的理论基础。

本课程教学重点之一即在于培养学生的工程观念、创新能力、实践动手操作和解决工程实际问题的能力。实验教学作为实践的重要环节是课程体系建设过程中不可或缺的一部分。实验教学相较于理论教学更具有直观性、综合性和创新性，对于提高学生的综合素质、工程实践能力和科技创新能力具有不可替代的重要作用。

我校环境工程原理实验教学体系是以学生能力培养为出发点，结合专业特征将学生毕业要求细化为两个指标点，每个指标点对应一项或两项课程目标，不同的目标设计不同的教学内容，采取不同的教学模式及考核方法等，学生最终能力培养达成情况作为课程评价体系，为日后持续性改进教学提供参考依据（见图1）。具体教学体系设计如下：

1.实验课程内容配合课堂教学进行设置，涉及环境工程学物料与能量衡算、流体流动、热量传递和质量传递过程的基本概念和基本原理，以演示实验形式直观展示给学生，使其加深、加快对抽象内容的理解。

2.培养学生动手实践的能力，引导学生掌握基本实验技能，通过实验了解基本分离过程沉淀、过滤、吸收、吸附、离子交换、膜分离等的原理及现象。同时，要求学生扎实掌握理论基础，学会对先进净化装置仪器的操作利用。

3.综合性实验教学，围绕学生解决复杂工程问题能力、形成创新思维、激发探索未知世界的热情与兴趣、团队之间协同合作等方面进行教学体系设计，通过多种教学模式并行，强化实验教学环节，提升学生培养质量。

4.结合我校矿冶行业特色，着重围绕采矿、冶炼生产过程中排放的水、气、固等环境污染物整理技术及装置进行设计性实验，与一般环境污染治理及化工行业环境污染治理相区别，突出行业背景和专业特色，强化深度，解决泛泛而做、多而不精的问题。

二、矿冶行业背景下的实验教学内容特色化建设

（一）不同于化工原理实验教学内容

目前，国内高等院校还未有专门的环境工程原理实验指导书，实验课程教学内容多采用化工原理实验教学项目，内容上虽可以保证实验教学的水平和质量，达到教学指导委员会的要求，但由于内容与环境工程专业关联性，项目类型多为验证型和演示型，因此实验课程教学在调动学生自主学习热情上、开拓创新思维和创造能力的培养方面贡献略有不足。

我校环境工程原理课程教学研究组在实验课程设计和内容安排上遵循既要涵盖单元处理技术基本原理的共性实验部分，又要体现环境工程专业的特色教学内容，同时提高学生自主学习热情，培养学生创新思维和实践能力的原则。一方面强调基础知识的学习，重视单元操作实验。充分利用原有较为系统的化工原理实验设备设计实验项目，保留了“流体机械能转换实验”“板框压滤机过滤常数测定”“吸收系数测定”“洞道干燥”等验证型、演示型传统实验的内容，确保学生能够通过实验课程的学习，对这些基础的重要概念原理有清晰的理解，能够熟练运用公式，熟悉各个单元操作。另一方面充分考虑环境工程专业特点，理论联系实际，积极设计题目新颖、简洁实用的综合型实验，注重考察学生的综合能力，拓展学生素质。结合本学院的科研背景和实验条件，设计了一系列研究型综合实验，如“液相法净化硫化氢气体”“吸附法净化低浓度有害气体”等。实验内容从单一化转变为复合化，充分调动学生的主观能动性，如指导学生自行完成实验系统的组合搭建、制备吸收液或吸附剂、完成气体浓度测量及结果分析等，让他们通过一套较为系統完整的实验流程，了解和熟悉实际研究过程中涉及的单元操作原理和流程，掌握基本的测试分析方法等。

（二）具有矿冶行业背景的实验教学内容

随着国家对环保行业的重视，全国开办环境工程专业的院校逐步增多，各高等院校编制的环境工程原理课程教学内容类似，设置的实验课程教学项目相差无几，内容均过于“大众化”，无法体现不同行业、不同领域的环境问题，以及采用的不同处理技术和工艺流程。这种内容设置下培养的本科生缺乏鲜明“行业”特点，难以成为各行各业领军人才和拔尖创新人才。

我们从教学实际需求出发，兼顾专业特色，设计优化实验课程教学内容。在共性基础实验教学上，依托我校“矿冶”特色行业背景进行环境污染治理单元操作、处理工艺流程设计的实验课程教学。如实验过程中选用的环境治理污染物，源自钢厂、铅锌厂等工业生产中排放的废水、废气、废渣，采样后直接送至实验室内用于教学;综合性实验项目教学过程中，以河北某钢厂真实生产线为样本，进行污染物综合治理的各部分工艺流程讲解，期间完成“板框压滤机过滤常数测定”“吸收系数测定”“洞道干燥”等基础单元操作的实验项目。这种具有行业背景的实验教学内容，不仅易于学生对基础单元操作原理进行理解，还使学生对“采矿、冶炼”行业内环境污染物的种类、排放浓度、限定标准以及采用的治理工艺有所了解，更易于激发学生的实验热情和学习兴趣。

三、特色化实验教学方法改革

在以往的实验课程教学中，依赖于已有的较为成熟的化工原理设备，以简单的演示和验证实验为主，教学形式单一、枯燥。受实验设备所限，分组实验过程中，一般只有2～3名学生参与到实验操作和数据记录，其他同学只能旁观，整个实验过程机械单调，效果不佳，难以激起学生们的自主学习热情。为此，我们在教学体系建设中尝试采用多种方式来丰富实验教学环境，以期取得更好的教学效果。

（一）虚拟仿真实验教学

利用仿真软件模拟环境工程原理单元操作实验条件和装置，在实验课程教学之前先安排学生进行虚拟仿真操作，让学生在真实操作之前就做到心中有数，这样大大提高了实际实验效率，减少学生的错误操作。

虚拟仿真实验教学采用的仿真实验系统界面友好（见图2），形象生动，快速灵活，能够使学生同时从不同的角度（如基础理论、设计、操作、实验组装方法等）掌握实验技能，为学生创造了一个严肃认真而又轻松愉悦的学习环境，对提升学生自主学习热情具有极大的帮助。

（二）研究型实验教学

课堂教学后期，大部分知识点均已讲授完毕，对应的单元操作基础实验已完成教学，为强化学生对知识点的融会贯通，并系统考察学生的学习情况，我们根据学院自身的科研背景，充分利用现有的实验研究条件，设计几个与环境工程专业技术密切相关的研究型实验。如“液相催化氧化法净化硫化氢气体”实验，预先在课堂上介绍实验目的和要求，由学生分组自行设计净化流程，并通过小组讨论的方式完善并确定各组的具体实验方案和内容;确定方案后，按其内容提供必要的实验器材，在实验室内搭建出各组的实验装置，然后进行分组实验。后期包括吸收液配制、进出口气体浓度检测、数据整理及分析等环节，需要小组内每一位学生都清楚地了解实验细节，并亲自动手完成其中的某个环节，既有分工又有合作，学生必须认真对待每一个环节，因为任何一个环节有误都会对整体实验效果造成影响。获得的实验数据处理完成后，在课堂上进行对比分析，各组之间相互讨论实验中存在的各种问题，最终得到一个优化的实验方案。实验全部过程，均由学生利用所需知识，结合行业背景，通过查阅文献进行确定，老师只是从旁协助指导，这种研究型实验教学方法，不仅可以系统考察学生多个知识点掌握以及灵活运用的情况，还能够调动学生的主观能动性，激发学生的学习积极性，培养学生独立思考和实践动手能力。

（三）网络化实验教学

实验课程受时间、空间、仪器装置等客观条件限制，无法开设过多实验项目，已开设的项目也没有足够能力安排学生进行课后重复性实验，缺少了发现问题、分析问题、解决问题的训练环节，不利于学生自主创新意识的培养。我们在参考国家重点学科教学模式基础上，提出了网络化实验教学方式，构建一个依托现代信息技术、服务于广大师生的环境工程原理实验教学综合服务平台。

实验教学综合服务平台包含丰富多样的教学资源，如：课程指导书、实验教学讲义、实验过程操作视频、实验动画、仪器设备结构示意图等媒体视频音频文件。此外，还涵盖全国教学名师经典授课资料（内容、授课方法等）以及实验课程设计案例等供学生选择浏览。不同层次学生可根据知识点掌握情况，对学习内容、学习顺序、学习方式进行个性化选择，并利用平台完成课前预习、课程复习和课后拓展的自主性学习任务。平台还为师生提供便捷、高效、互动的交流渠道，老师或学生可在此对实验内容提出问题，先由学生进行在线讨论，最后由老师进行总结。

这种教学方法不仅解决了“时空”的问题，同时拓宽了学生视野，扩充了学生知识面，更能够使学生在积极、自由的互动环境中激发自主学习兴趣，养成独立思考的习惯，完成创新思维的培养目标。

四、实验教学考核体系设计

环境工程原理实验教学作为课程教学的重要部分之一，其考核方式和评价标准要能够体现学生能力培养的成效。传统考核方式一般采用“实验报告定全局”的单一模式，即通过一份报告来评估学生的学习情况，事实上，这种考核方式是无法准确衡量学生的真实水平和能力培养的。实验报告只能体现实验数据整理和报告撰写能力，对于动手实践、创新思维的能力就无法得到准确的反馈信息，如仅通过报告成绩作为考核方式的唯一标准，易使学生为追求高分而认真书写报告，却忽视实验操作过程，不重视实践动手操作和综合性思维能力训练，这与当代人才培养体系宗旨相悖。

在全国工程教育专业认证的大环境下，我们实施“以产出为导向”的特色考核方式，即根据已制订环境工程原理实验课程教学培养目标，分别通过一种或多种考核环节评价学生对知识掌握程度和能力培养情况，将所有环节成绩按不同比重汇总，作为最终的实验课程考核成绩。最后，我们将结合毕业要求和分解的指标点，验算课程培养目标的达成情况，反馈用于课程体系的改进。

五、结束语

实验课程是通过对实验内容、教学方法和考核方式的不断探索与改进，逐步建设成为能够提升学生实践能力，激发创新思维的高效教学体系，进一步提高专业的本科教学质量。北京科技大学环境科学与工程学科在实验课程教学体系建设过程中，结合学校矿冶专业特色行业背景，加强课堂教学、实验教学和科研教学融合，不断进行持续改进，最終实现环境工程专业学生解决实际工程复杂问题能力培养的有效达成。

[责任编辑：钟岚]