工程教育专业认证背景下环境生态学实验教学改革探索

徐大勇, 杨晓凡, 魏翔

(安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖 241000)

长期的实践充分证明了工程教育在人类文明史上发挥的巨大推动作用[1]，而工程教育专业认证是提高工程教育质量的重要举措，是高校质量工程的一项重要工作[2]。我国于2016年6月签署《华盛顿协议》，成为国际本科工程学位互认协议正式会员，这是我国工程教育的重要里程碑，意味着中国高等教育真正走向了世界[3]。安徽工程大学一直重视工程教育，高素质应用型人才培养是学校在新形势下提出的内涵式发展的重要目标。为此，学校积极推动各工科专业开展工程认证，先后完成了“材料科学与控制工程”、“机械设计制造及其自动化”和“食品科学与工程”等专业认证。环境科学与工程学科是我校的重点建设学科，环境工程专业的工程教育专业认证势在必行。

环境生态学是环境工程专业的重要基础课程，课程目标着力培养学生的基础生态学理论以及利用生态学理论解决实际环境问题的能力。强化学生的创新能力、工程实践能力，提高学生团队协作能力以及社会责任感，是培养高素质环境工程应用型人才的重要一环，也是工程教育专业认证的核心理念。本文针对环境生态学实验教学的现状和存在问题，提出基于工程教育专业认证的实验教学改革思路，并从实验内容体系、教学新理念新方法和课程考核评价三方面探索教学改革，以期提高实验教学质量并为本专业工程认证打下坚实的基础。

1 课程实验教学背景及现状

环境生态学侧重于研究人类干扰下环境破坏所产生的影响及生态系统自身的一系列变化，并阐明人与环境间相互作用的机制和效应，以期从生态学视角来解决环境破坏和环境污染问题[4]，是一门综合性、实践性和应用型很强的学科。因此，环境生态学课程实验的开设不仅要使学生熟悉基础的生态学理论，更重要的是培养学生实践能力、创新能力和综合素质以解决实际环境问题[5]。

近年来，在学校“新工科”建设和工程教育专业认证的推动下，环境生态学课程实验教学进行了一系列的改革和探索，形成了一定的特色，但仍然存在一些问题，具体表现如下：

1.1 实验课时较少，实验内容体系不完善

环境生态学教学仍然存在理论重实验轻、验证性实验多综合性创新性实验少的现象，学生运用课程知识解决实际问题的能力不强，创新意识和独立思考能力缺乏。学生实验和教师的科研、企业生产相对脱节，不能把最新的理论成果、实验方法转化到实验教学中。

1.2 教学理念、思路和教学方法相对滞后

一些老套的教学理念与方法不能实现工程教育专业认证“以学生为中心”和“满足毕业要求”的教学目标，同时，“互联网+”的思维在环境生态学课程实验教学中没有体现。

1.3 实验教学考核过于笼统

传统的实验课考核多依据学生的出勤率和实验报告，实验结果在考核中的占比过大，对实验全过程的关注较少，学生的实验积极性和课前、课后、课中的表现以及团队合作情况无法体现。甚至少数学生上课签到、偷懒，课后抄袭、编造实验报告。这样的考核，非常不利于学生实践操作能力和创新思维的培养。

2 课程实验教学改革探索

从实验教学内容体系、教学理念与方法、教学效果考核评价入手进行改革探索，以期找准本课程实验教学的定位，突出“以学生为主体”的教学理念，强化“以能力培养为目标”的教学效果。

2.1 实验教学内容体系改革

在工程教育专业认证背景下，本着“强化基础性、体现创新性、突出综合性、兼顾工程性”[6]的原则，设计环境生态学实验课程内容体系，以满足高水平应用型环境工程人才培养的需求。

2.1.1 推动教师科研项目向创新性实验移植 科教融合是现代教育的核心理念，以科研为支撑的教学有助于知识的探索与传承[7-9]。科研活动有助于教师了解本学科国内外的学术动态，把握和认识所授课程在学科中的地位及课程知识点的内在逻辑关系[10]。同时，科研项目的实施能不断的改善课程实验环境和实验仪器设备条件，为创新性实验开展提供便利。因此，推动教师科研项目向本科实验移植有重要意义[5]。结合专业教师相关的科研项目增设环境生态学创新性实验，激发学生的求知欲，培养学生创新思维和创新能力。如在安徽省高校自然科学基金“污泥基生物炭粒的制备及其对酸性矿井水的处理效果研究”课题下，可以引导学生开展“污泥基生物炭粒的制备及其性能测试”“不同生物炭粒的吸附性能分析”“污泥基生物炭粒的改性及其性能分析”以及“生物炭粒对酸性矿井水的处理效果及其影响因素分析”等研究性创新实验。

2.1.2 加强产学研合作，推动实验室小试和模拟实验向生产实验转化 目前我国工科教育依然存在较为严重的理论脱离实际和产学脱节的问题，学生解决实际问题的能力薄弱。校企结合，深化产学研协同创新，可以实现高校高素质应用型人才培养，并促进科研和社会服务发展[11]。环境生态学实验教学可以利用产学研合作平台，将部分在实验室的环境生态监测实验、环境生态模拟实验与企业生产实际结合，推动实验室小试和模拟实验向生产实验转化。如，“人工湿地处理生活污水效果实验”可结合当前新农村建设生活污水治理项目，与相关环保企业合作，让学生参与到工程可行性分析、设计、运行和维护中，完成相关的现场测试实验。通过产学研合作和现场生产实验实施，培养学生解决实际问题的能力和社会责任感。

2.1.3 引入环境生态学仿真实验，丰富实验内容体系 教育信息化是教育现代化改革的必然要求也是其核心特征，而虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设的重要内容。仿真实验可以激发学生对专业的学习热情、保障学生的实践实验教学安全以及为现实不具备实验场地、设备等条件的实验提供虚拟环境支持[12]。因此，仿真实验丰富了实验教学内容，拓展了实践领域，在工程教育领域具有重要作用[13]。针对环境生态学实验中有关景观生态学理论(景观动态、岛屿理论)、种间关系(竞争、共生等)和环境污染物在环境中的行为特征及其生态监测等实验内容，可以将环境生态学仿真实验运用到实验教学中，解决因实验复杂或实验条件缺乏而无法实施的问题，同时丰富实验内容体系。

2.2 实验教学理念与方法的改革

为适应工程教育专业认证需求，培养学生综合能力，满足毕业要求，环境生态学实验教学应充分利用互联网的便捷性和优势，用“互联网+”的思维探索“雨课堂”、“翻转课堂”和“慕课”等网络共享资源的利用途径。同时结合国内外教学的新理念新方法，将“基于学习产出的教育OBE”、“基于构思、设计、实现和运转(CDIO)的教育模式”和“循环教学法PDCA”等融合到环境生态学实验教学中。

2.2.1 实验教学互联网共享资源的利用

2.2.1.1 “慕课”的应用 慕课(MOOCs)是大规模开放式在线课程的一种教育模式，以学生为中心是慕课的核心理念[14]。慕课改变了传统教育固定地点、固定时间和固定模式的学习方式，极大地提高了学生学习的自主性[11]。因此，慕课的出现对高校教师提出了更高的要求，也为本科教学质量的改进提供了有效途径。鉴于目前环境生态学实验教学存在的问题，加强以“互联网+”思维为主导的慕课在实验教学中的应用有望提高学生的学习热情，激发学生的主观能动性，促进教与学的积极互动，从而提高实验教学质量。在具体的教学过程教师可“引进”或自制相关实验视频、PPT等资料上传网络共享平台，可供学生提前和课后观看学习，并开通学习论坛即时回答和开放性练习，强化学习效果。

2.2.1.2 “翻转课堂”的应用 翻转课堂教学模式源于美国，该模式将传统教学中的课中知识传授和课下知识内化进行了颠倒，教师在课前以视频等资料引导学生提前学习基础知识，课中通过师生教与学互动促进知识内化[15]。在以学生为中心的教学中，翻转课堂和工程教育模式具有很高的融合度，两者的内在一致性为融合奠定了基础，已成为国内高等工科教育提高教学质量的有效方式[16]。

将“将翻转课堂”应用于环境生态学实验教学，要求教师提供相关实验原理及实验背景资料给学生课前学习，如温度和水分对植物种子发芽的影响实验，教师可提供《生命》系列视频中有关温度、水分等环境因子的生态作用以及植物的适应对策内容给学生课前观看，并让学生思考：影响种子发芽的因素有哪些？之后在课中进一步讲解种子发芽原理，并与学生讨论温度和水分对种子发芽的影响，以此提高学生自主学习能力和分析解决问题的能力。

2.2.1.3 “雨课堂”的应用 “雨课堂”是一款免费智慧教学工具，于2016年4月由清华大学创办的慕课平台“学堂在线”发布，通过PPT和微信公众号可实现线下教学和课堂教学良好互动，达到“课前—课中—课后”教学全过程的数据收集、分析和动态监测作用[17]。

可基于“雨课堂”构建动态反馈增量式的实验教学案例，施行“授课前熟悉实验原理、内容和方案-授课中的实验操作-试验后的数据处理分析和总结”式教学，并不断改进。通过“雨课堂”方案的实施有助于建立及时有效的监督评价机制，有利于教师随时了解学生的学习状况并以此改进教学内容和方法，同时可显著激发学生的主观能动性，提升分析和解决环境问题的能力[18]。

2.2.2 实验教学理念与思路的改革

2.2.2.1 学习产出的教育理念(OBE) OBE(Outcome-based education)教育理念以学生需求和能力培养为导向，确保学生在教学过程中的中心地位，并强调以学生能力培养为主要目标[19]。基于OBE理念，按照工程教育专业认证要求，构建“环境工程专业培养目标-学生需求-毕业要求-环境生态学实验课程目标”的人才培养目标链，即根据专业人才培养目标需求倒推实验课程目标。通过教师引导、学生积极主动参与实验全过程培养学生综合能力，即文献查阅能力、提炼问题的能力、实验方案设计能力、具体实验操作能力、数据处理和分析能力、文字总结表达能力以及团队协作能力。

2.2.2.2 基于构思、设计、实现和运转(CDIO)的教育模式应用 CDIO是一种全新的工程教育理念和教学应用模式，注重培养工程人才实践能力、创新能力及团队的协作能力[20]。CDIO即构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运行(Operate)4个模式，包括了从实验构思、实验方案设计、实验操作、实验结果分析和总结的所有环节，同时强调实验全过程中学生的主观能动性、实验内容与方法的科学性和系统性。基于CDIO的环境生态学实验教学，教师可将当前的土壤重金属生态修复、黑臭水体治理和农村生活污水的生态处理等工程项目，与课程中环境污染物的迁移转化、生态监测、环境因子的作用及植物的生态适应、人工湿地等知识点密切结合，引导学生利用所学课程知识开展某一项目可行性分析和实验设计，并通过实验分析工程效果。在此过程将班级学生分成若干小组合作开展实验，实验结束时每组随机选一代表进行文字总结和PPT汇报，以培养学生沟通协调、分析总结和表达的能力。

2.2.2.3 有效教学(BOPPPS)模式探索 BOPPPS有效教学模式是一种组织一套课程的方法，使教师能有效的设计与讲授一门课程，目的在于提高学习者的参与度和学习效率[21]，通常包括以下过程：(1)用热点事件导入(B，Bridge in)教学目标。(2)课前列出课程涉及的概念、内容和目标(O，Object or Outcome)。(3)通过提问课前初步评价(P，Preassessment)学生对授课内容的了解程度。(4)通过小组讨论等方式使学生参与(P，Participatory Learning)到整个教学过程。(5)课后测试和评价(P，Post Assessment)。(6)课程结束总结(Summary)。例如，在“环境毒物在生态系统中的迁移转化”这一知识点的授课过程，可以从历史上“环境污染的八大公害事件-骨痛病”引入环境毒物的危害和毒物在环境中的转变，列出环境毒物概念、迁移转化过程以及环境毒物的毒学评价等内容，并通过“什么是环境毒物？”和“为什么有些环境污染物在不同条件下毒性有差异？”等问题预测学生对该知识的了解程度。在授课中安排学生小组参与讨论某一环境毒物污染行为，以此来加深学生对基本概念的理解。最后在该知识讲完后安排课后测试，并对本知识点学生学习效果进行总结以备课程改进。

2.2.2.4 循环教学法(PDCA)的运用 运用PDCA循环教学法，首先根据实验目标和要求制定科学合理的实验计划及详细的方案(Plan)，授课过程实施实验计划(Do)，实验结束后分析实验过程和实验结果并与实验目标和要求进行比对(Check)，最后总结分析(Action)实验教学效果并依据实验过程中的问题和不足转入下一个PDCA。由此通过爬楼梯式的PDCA循环教学不断改进实验方案，提高实验教学质量。

2.2.2.5 问题导向教学法(PBL)探索 PBL即Problem-based Learning，是一种能较好促进学生评判思维的教学方法，特点是强调以学生为主体，并以促进学生自学、提高学生分析解决问题的能力为教学目标[22]。此法具有与工程教育专业认证相一致的目标。以环境生态学中水体富营养化监测实验为例，在具体实施时可以分为3个环节。(1)提出问题：“什么是富营养化？”“造成水体富营养化的原因是什么”，以及“如何评价水体富营养化？”，从而引起学生探究的欲望；(2)根据问题引导学生思考：通过查阅文献、设计实验方案来解决“为什么监测以及如何监测水体富营养化？”的问题，此环节涉及到学生文献获取、文献阅读分析、水质监测方案和指标选取、实验数据分析和分工协作等能力的培养；(3)总结评价：从学生分析问题、实验方案设计到具体的实验操作等各方面系统评价实验教与学的效果，并给予总结改进。

2.3 强化对实验教学的过程考核

基于工程教育专业认证的要求，为切实提高实验教学效果，增强学生综合能力，环境生态学实验的考核，应避免过去以期末考试成绩而定的“结果式”的单一考核方式，而应该以课程目标和毕业要求为导向，施行“重视过程，考察能力，肯定结果”的方式[23-24]，即考核能客观、科学地反映学生考勤、预习效果、实验方案设计能力、实际操作能力、常规仪器使用和维护能力、团队协作能力、解决实际问题能力以及文字总结和表达能力，促使学生积极主动参与实验课的全过程[25]。具体考核项目及相应的参考分值如表1所示。

表1 环境生态学实验考核项目及分值

3 结语

环境生态学课程实验教学重在巩固学生对生态学理论的理解，培养学生运用理论解决实际问题的能力，锻炼学生创新思维、实践技能、分析总结能力和团队协作能力，以及增强学生社会责任感，是高素质环境工程应用型人才培养的重要一环。在“新工科”建设和工程教育专业认证背景下，教学改革任重道远，环境生态学课程实验教学，唯有在教学新理念新思路的引领下运用慕课、翻转课堂和雨课堂等“互联网+”的教学方法，并结合科研成果和生产实际才能更好地培养高素质的环境工程应用型人才。