“工工”结合下环境工程拔尖创新型人才培养体系构建与课程支撑

2021-01-10魏亮亮冯玉杰张照韩张军丁晶赵英李俐频白舜文

高教学刊 2021年37期

魏亮亮冯玉杰张照韩张军丁晶赵英李俐频白舜文

摘要：随着我国高等教育改革的不断深入和新工科建设的持续推进，特别是我国生态文明建设方式和内涵的持续变革，如何构建能够服务新时代生态环境建设、能够解决复杂环境问题的拔尖创新人才是当前环境工程领域人才培养的热点话题。基于新时代我国环境工程人才培养需求变化的深刻分析，结合当前我国生态文明建设的实际需求，文章重点分析了当前环境工程专业培养中知识体系、知识维度、人才需求的变化情况，在此基础上剖析了环境工程专业与自动化、控制科学与工程、计算机科学与工程、机械制造及其自动化、化学工程、材料科学与工程、土木工程、能源动力工程专业等进行“工工”结合建设的结合点，提出了“工工”结合下相关课程升级及建设的建议。相关研究结果有助于新时代环境工程专业更好地进行课程体系的建设和知识体系的升级，助力拔尖创新型人才培养体系构建。

关键词：新工科;环境工程;工工结合;课程体系;内涵建设

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）S1-0001-06

Abstract： With the continuous reform of the higher education and the steady advancement of the new engineering construction， especially the significant variation of the construction mode and connotation of ecological civilization of China， how to culture top-notch innovative talents and further serve the ecological environment construction of the new era has been a hot topic recently. Based on the systematic analysis of the changes of the environmental engineering talent training needs of China， combined with the current actual needs of ecological civilization of China， the variation of the knowledge demanding， dimension and depth for those environmental talents culturing were emphatically analyzed. Then， the integration points of environmental engineering and automation， control science and engineering， computer science and engineering， mechanical manufacturing and automation， chemical engineering， material science and engineering， civil engineering， energy and power engineering were deeply evaluated. The relevant suggestions on how to upgrade and construct the engineering combined courses were proposed. Relevant research results would be meaningful for the construction of curriculum system and the upgrading of knowledge system for environmental engineering in this new era， also beneficial to build a training system for top-notch innovative talents.

Keywords： emerging engineering education; environmental engineering; combined engineering; curriculum system; connotation construction

環境工程专业是通过研究自然资源的保护与利用，运行物理、化学、生物等基础理论知识，致力于生态修复、环境污染防治与环境质量提升的一门学科。由于生态环境问题的复杂性和综合性，环境工程专业本科培养体系具有理工结合、多学科交叉渗透的显著特点。当前，环境工程专业教学内容涉及水污染防治、大气污染治理、固体废物处理处置技术、环境污染检测技术、环境管理与规划等相关知识;通过本科阶段相关课程的学习，以期培养具有国际视野、能够解决现代复杂环境工程问题的高素质专业人才。

我国环境工程本科教育起始于20世纪70年代，其标志事件为1977年清华大学在原有给水排水专业的基础上成立了我国第一个环境工程专业[1]，之后全国各高等院校陆续设立了环境工程专业。据统计，目前国内开设环境工程专业的院校已逾400所[2]。环境工程研究对象复杂，覆盖微观、中观及宏观等不同体系，相关环境问题的解析涉及到土建、生物学、材料学、化工/化学、气象水文、社会管理等多方面知识，因而学科发展呈现出鲜明的交叉性、综合性。目前，纵观全国各大高等院校环境工程专业起源及发展方向，可分为以下三类：（1）以清华大学、哈尔滨工业大学、同济大学等为代表，从传统建筑市政方向发展而来的以水处理为核心的环境工程专业;（2）以南京大学、南开大学为代表，从传统化学化工方向发展而来的以环境化学为核心的环境工程专业;（3）以中国矿业大学、中国海洋大学、西北农林科技大学为代表，从矿业、海洋、农学、冶金、地质等方向交叉发展而来的环境工程专业。

需要指出的是，新时代我国生态环境保护需求对环境保护人才培养提出了新的要求，面对多学科交叉和多技术融合的时代背景，如何培养具有家国情怀的复合型创新人才，是当前环境人才培养的关键。我国环境类专业人才培养体系基本沿袭了40年前的课程体系和培养模式，人才培养方面存在专业基础理论不够扎实、专业课程体系零散、与行业产业发展结合度低等一些问题。

一、环境工程专业重点发展方向及专业内涵/外延发生显著变化

（一）生态文明建设被列入国家“五位一体”总体布局，重视程度明显提升

我国环境战略/政策改革史在生态环境保护发展史中极具份量。新中国成立70多年来，我国生态环境保护取得了前所未有的巨大成就，国家战略政策亦发生巨大变化，经历了一个从“三废”治理到流域区域治理、从实施主要污染物总量控制到以环境质量改善为主线、从环境保护基本国策到全面推进生态文明建设的变更。当前，我国基本建立了适应生态文明和“美丽中国”建设的环境战略政策体系[3]。党的十九大、“十四五”规划等多次重申，要坚持绿水青山就是金山银山的理念，推动经济社会发展绿色转型，促进人与自然和谐共生。当前国家对生态环境保护的重视程度、投入水平均是前所未有，并已将生态文明建设纳入国家“五位一体”总体布局。毫无疑问，新时代对环境工程专业建设提出新的更高要求。

（二）新工科背景下环境工程专业多学科交叉明显，涉及领域变化明显

随着我国治理重点的不断变更和绿色高质量发展的持续推进，环境工程涉及的领域也逐渐由过去的单一环境保护与污染治理，转向目前的多领域协同并举，涵盖了生产、消费全产业链条，横跨生态保护、城市高质量发展、流域保护、乡村振兴、文化教育等诸多领域。如在生产领域，传统的高投入、高能耗、高污染、低效益的粗放型经济模式给生态环境带来了极大的压力，造成严重的污染问题，因此节能、降耗、减污、增效的绿色低碳经济模式和相关的生产模式对实现经济繁荣与生态环境保护双赢至关重要。如在消费领域，绿色、低碳、可持续的消费理念的发展必将使生态环境防治的对象发生显著变化;此外，美丽乡村的建设、乡村振兴战略、双碳计划的推进和实施必将使得我国生态环境保护的内涵和外延发生显著变化。

（三）区域/流域/城市群污染防治整体推进，治理体系亟需升级

当前，生态环境防治工程由过去的“分治”向“合治”转变，治理范围更大，工程措施更为复杂。然而职能部门间权责不明、条块分割、“九龙治水”的现象在一定程度上影响了生态文明建设的成效[4]。因此，建立区域/城市群水平，甚至流域水平的污染防治体系，组建专门机构及专业队伍可在一定程度上保障未来生态环境工程实施的效果。毫无疑问，未来生态环境治理方法将从过去的单一治理向预防为主、防治结合、综合治理迈进，从单项工程治理向生态恢复、风险防控、生态重构等方向迈进，从末端治理向区域化/流域性源头减排迈进。相对应的，环境工程专业培养体系需要进行体系升级。

（四）新时代中国水网等智慧环保呼之欲出，智慧智能成时代标签

进入21世纪以来，随着计算机及信息技术高速发展，环境工程专业信息化日渐提升，环保工程“智能化”需求凸显，但此阶段存在处理工艺与信息化技术融合度不高，未形成多维度技术支撑的问题。2015年以来，随着云计算、物联网等新一代信息技术的兴起以及与环保行业的融合，环境工程系统信息化进入快速发展期，大数据处理、数据挖掘、全球感知等新技术的应用使得环境工程系统智慧化程度不断加深，但亦存在数据不完善、数据孤岛、智慧水务认知不足等问题[5]。可以预见，随着中国水网、智慧海绵、智慧城市、智慧水务等持续推进，环境工程的智慧智能将是未来人才培养的重要方向（图1）。

二、新时代对环境工程专业学生培养提出新要求

（一）新时代国家生态环境保护需求发生显著变化，知识体系亟待升级

当前我国生态环境保护发生历史性、转折性、全局性的变化，环境问题从过去的污染源治理走向环境质量改善阶段，这一变化要求我们必须对环境工程专业人才需求进行新的設计，做到相关授课内容的“推陈出新”和“退陈出新”。因此，从专业培养方案、课程体系等方面需要做到更新换代，体现环境工程与相关学科的交叉融合，以适应综合化、整体化的现代科学技术发展;进而将现代环境工程学的研究对象和研究领域拓展到从太空到地下、从微观到宏观等多维度[6]。这就要求在教学过程中不仅要教授传统基础理论知识，而且要与时俱进，升级知识体系，增加信息、生物、材料等前沿知识，拓宽环境工程专业学生的知识领域。

（二）新时代高质量发展对行业提出新要求，知识维度亟待拓展

目前，我国经济社会正处于全面绿色转型阶段，加快推动产业转型升级、强化减污降碳协同增效已成为大势所趋。高质量发展对各行各业均提出全新要求，如夯实产业基础、补齐发展短板。此过程必将对环境工程专业学生培养提出全新要求，如通过对化工/材料行业高质量绿色发展的认识，培养学生掌握无毒低能耗绿色原料/材料的生产技术;通过与土木工程相结合，培养学生掌握现代环境工程建造与施工的技术;通过与计算机/自动化控制相结合，培养学生进行环境大数据分析、模拟分析解决复杂环境问题的能力;通过与能源动力相结合，培养学生进行能耗分析并进行节能减排的能力;通过与机械制造工程相结合，培养学生基于机械原理研究和解决环保设备和相关工程机械问题的能力。相关知识点在培养体系中的设置，将进一步拓展环境工程人才的知识维度。

（三）全产业链升级后对环保人才提出新需求，综合素质要求升级

传统产业因其“高能耗、高污染、低效益”的缺点正逐步退出历史舞台，新时代的工业产业正朝着高端、智能、绿色的方向发展，这一形势变化对环保人才的培养提出了新的要求，环境工程专业学生培养应及时调整人才培养模式，优化教学知识体系，培养社会发展和企业生产急需的创新型、应用型、复合型人才。当前，基本职业能力只是人才培养的最低要求，专业知识能力也仅能解决部分现存问题，具备创新能力才是时代发展的需要[7]。环境工程专业学生只有具备基本职业能力、运用专业知识能力、发展自我创新能力，并且使之相互交叉渗透，才能推进行业产业以资源保护、节能减排、提质增效、循环经济发展为主的绿色发展（图2）。

三、基于“工工”结合的环境工程人才培养体系构建——以哈尔滨工业大学环境工程专业为例

（一）哈尔滨工业大学环境工程专业简介及专业特色

哈尔滨工业大学环境工程专业成立于1985年，是享誉国内外的国家级特色专业，2019年入围国家首批一流专业建设点;入选教育部首批“卓越工程师”培养计划试点专业，是教育部环境领域创新人才培养模式创新试验区。当前，环境工程系每年招生50～60人，在校生165人。目前已形成一支以院士带队、杰青、长江学者等为核心的高端师资队伍。本专业以培养尊重自然规律和工程伦理，具有多维知识结构、创新思维和国际视野，具备沟通协作、科技创新、解决复杂工程问题和终身学习能力，具有优良品德、执着信念和家国情怀，能够在生态文明建设等领域引领未来发展的拔尖创新人才为目标。

目前，环境工程专业形成了以环境工程原理、污染控制微生物学、环境学、环境分析化学、物理化学、环境流体力学等专业基础课程，水污染控制工程、大气污染控制工程、固体废物处理与资源化、城镇给排水系统工程、环境监测、环境影响评价等专业核心课为基础的人才培养体系。为全面提升学生解决复杂环境工程问题的能力，环境工程系近年来通过如下举措：（1）全面升级大气污染控制工程、环境影响评价、城镇给排水系统、固体废物处理与资源化、水污染控制工程等五大核心课课程设计内容，保障学生设计能力培养;（2）100%学子进行一年制本科毕业设计，差异化专题设计保障学生进行创新性设计;（3）五大专业课程选修模块（26门课程）保障专业知识学习及兴趣培养;（4）工程特色课程及新工科课程初步覆盖（设置了环境决策支持系统、环境统计学、建筑给水排水工程、环境工程仪表与自动化、小城镇及农村环境治理、建筑给水排水工程、特种废水处理、排水工程设计规范与计算、循环经济与产业生态学方法、新概念节能污水处理技术等课程）;（5）国家精品课程/国家一流课程建设及示范引领等措施来保障人才培养成效，效果显著。

（二）环境工程人才培养进行“工工”结合的必要性

环境问题作为工业文明的典型产物与全球关注的重大社会问题，环境污染的累积性和复杂性使得环境问题的解决具有了跨行业性、手段多样性、牵涉利益多样性等特点。工程科学史表明，工程科学经历了综合、分化、再综合的过程。现代环境工程科学既高度分化又高度综合，而交叉工程科学又集分化与综合于一体，这往往就是科学新的生长点、新的科学前沿，最有可能产生重大的科学突破，使科学发生革命性的变化。

面对环境问题，仅靠传统的环境工程课程基础很难培养具有解决新时代复杂生态环境问题能力的优秀学生，惟有交叉科学最有可能解决。新时代国家双碳战略、绿色高质量发展战略等提出了综合性人才培养需求;此外，国家重大环境工程系统的设计、论证、实施、评价等也必须综合运用“工工”结合科学。哈工大环境学院组织的面向全国环境工程/給水排水科学与工程专业的云端实习中，智慧水务技术与应用、新冠疫情下的医疗废水应急处理、流域水环境治理、海绵城市建设等相关课程选课率最高，表明学生对行业热点、难点问题关注度高，然而当前国内大部分高校在此方面课程的设置不够。因此，环境工程领域“工工”结合的人才培养模式必将是未来发展的趋势，是实现技术高度综合化和集成化、保障复杂环境工程能力培养的重要举措（图3）。

（三）未来环境工程专业“工工”结合人才培养体系构建与思考

1. 与自动化/控制专业人才培养体系的“工工”结合

将自动化控制技术应用于水处理、大气治理等生态环保领域，不仅可以提升工作效率和质量，而且可有效节省资金和人力，从而使企业在实际运营的过程中获得更多的经济效益。当前自动化技术与环境工程的交叉在业界已广泛应用，如智慧水务感知层中的物联网技术就是利用自动化设备获得底层数据，通过自动化运行的环境监测设备[8]、环保设备（如自动投药）[9]、管道与设备智能检修装置、系统控制软件、智能机器人应用等实现水务的智慧化运行。当前我校环境工程专业人才培养体系中设置的该领域课程有环境决策支持系统、环境工程仪表与自动化控制和环境统计学，通过考察北京大学等兄弟院校相关课程设置，建议在未来的人才培养中增加环境工程仿真与控制等相关课程，并升级现有的环境统计学课程（图4）。

2. 与计算机专业人才培养体系的“工工”结合

遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS），以及环保大数据统计和更高水平的计算领域研究成果将为复杂生态环境问题的解决大幅缩减时间和成本[10]。如目前北京大学在空气质量物联网学科交叉研究取得较大进展，开创性地采用物联网架构设计了新型的空气质量监测系统[11]，综合运用机器学习、人工智能、通信网络、应用气象学等多学科交叉研究的方法进行数据分析和系统优化，提高了最终获取空气质量数据的可靠性，对大范围环境下空气污染治理等有重大的指导意义[12-13]。当前环境工程专业现有课程为环境质量预测与管理数学模型、环境地理信息系统（研），建议在未来人才培养体系中考虑增加环境大数据分析与数据挖掘、环境遥感概论等相关课程（或模块）（图4）。

3. 与机械制造专业人才培养体系的“工工”结合

环境工程与机械制造专业交叉而生的环保装备制造业是伴随着环境保护的需求而逐步发展起来的，是环保产业持续发展的基础保障。当前环保装备制造在大气污染防治、水环境治理、固体废弃物处理、土壤修复等多个行业中广泛应用。如燃煤电厂/工业窑炉脱硫脱硝一体化设备、大面积/多声源企业噪声控制设备、大型城市垃圾减量化成套设备、水中氨氮/重金属/持久性有机污染物等传感技术和在线监测仪器、有毒有害泥水环境污染快速应急处理集成装置等[14-15]。因此，建议环境工程专业在未来培养方案中增加环境工程机械设计基础、环境工程装备设计等课程设置（图4）。

4. 与化工/材料专业人才培养体系的“工工”结合

环境工程与化工专业的交叉显著，如当前热门的环境友好型溶剂（如水、超临界流体、离子液体等）的合成与应用、生物催化技术、生物质能合成/转化等方面的研究均涉及化工专业的相关知识。环境工程与材料专业的交叉主要体现在新型环保材料的筛选开发等方面[16]，如玻璃陶瓷制备、催化分解等技术广泛应用于塑料废弃物的治理，以提高热固性聚合物的降解回收[17-18];同时，材料学科团队针对相关技术的材料机械性能稳定性、降解剂的环保性和聚合单体回收效率进行了广泛研究[19]。建议环境工程专业升级环境化学、环境纳米技术、纳米表征及其在环境检测分析中的应用等课程[20]，结合浙江大学等课程设置经验建议增设清洁生产等课程的设置（图4）。

5. 与土木工程专业人才培养体系的“工工”结合

相比于传统的土建施工，现代环境工程土建与施工呈现出以下特点：（1）智能智慧化技术得到大范围应用;（2）模块化集成化程度显著提高;（3）非开挖等新技术得到广泛应用;（4）地下/水下施工逐年增大;（5）传统的人工施工方式逐渐淡出视野等特征。环境工程与土木工程的“工工”结合成果广泛应用于地下污水处理厂/给水厂建设、黑臭河道治理、流域治理、综合管廊建设、海绵城市建设等最新的环境工程施工，同时，智能智慧自动化设备与环境工程交叉将实现体现时代背景下的技术更新换代[21]。建议在未来环境工程培养体系中升级环境工程土建概论与施工技术、环境工程技术经济和造价管理等课程，建议增加设置环境工程设计与施工等必修课（图4）。

6. 与能源动力工程专业人才培养体系的“工工”结合

环境工程与能源动力工程交叉而生的能源环境工程主要是将煤炭、石油、天然气等一次能源转化为电力、热能等二次能源的生产和利用过程。伴随能源转换过程排放的有害物质将造成环境污染，因此能源的生产必须高效、清洁。目前，此交叉学科主要研究人工环境，风能、太阳能、生物质能等新能源的开发利用等。环境工程与能源动力“工工”结合的另一个重点为固体废物处理与资源化利用，包括：生化垃圾及生物质类固体废物低焦油气化催化、有机固体废物热化学催化处理、餐厨垃圾生物干化与工业废渣强制干燥处理、危险固体废物的无害化及资源化处理，电子垃圾高级破碎、分选及资源化研究等。学科体系现有课程为：能源与气候变化、新概念节能污水处理技术（研）;建议增加设置中国环境保护与节能挑战等选修课（图4）。

四、“工工”结合背景下现代环境工程人才培养体系构建思考

随着我国高等教育改革的不断深入和新工科建设的持续推进，我国生态文明建设方式和内涵发生了翻天覆地的变革，如何在新形势下实现环境工程人才培养质量的跃升，基于相关调研成果总结，对未来“工工”结合下现代环境工程人才培养体系构建思考如下：

（1）时代日新月异，把培养服务国家战略，具有新理念、新思维的环境新青年作为人才培养的首要任务。当前，我国生态文明战略、碳减排/碳达峰战略、乡村振兴战略、海绵城市建设、国家水网建设、提质增效等全面展开，如何培养具有创新思维，能够服务国家相关战略任务的复合型人才是当前环境工程专业应该思考的重点任务，因此有必要以培养社会主义接班人为出发点，全方位提高人才培养的战略高度。

（2）学科地位抬升，把建设和完善能够吸引优秀新青年的课程培养体系作为人才培养的首要任务。生态文明建设的全面推进使得生态环境保护相关专业的重要程度达到前所未有之高度，群众对专业的认识不断升高，人才需求广泛，因此，应该通过课程体系的建设，全面提高对青年优秀人才的吸引程度，做到人才培养体系的高质量建设。

（3）行业需求多元，把培养具有时代特色，能够胜任复雜环境工程问题解决的竞争力人才作为重要抓手。生态环境领域重大工程的推进和建设与自动化/控制、计算机、机械制造、化工/材料、土木工程、能源动力工程等学科交叉愈加显著，上述行业对环境工程方向人才的需求显著，建议通过相关专业交叉建设，培养能够解决复杂环境工程问题的人才。

（4）学分持续压缩，把课程体系的合理架构、课程内容的升级更新、“工工”结合的全面落实作为重要途径。新时代本科培养体系对课程体系全面升级，增加了实习实践课程，并适当地压缩了课程。因此，在“工工”结合需要全面强化的背景下，做到课程体系的合理架构，实现课程的升级更新是未来建设的重点。

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