新工科背景下一流本科建设课程实践教学改革

黄建军 马文超 纪娜 杜桂月 张时佳 哈莹 吕学斌 孙井梅

摘  要：新工科在教育理念、知识体系、培养模式等方面均提出了新要求，为适应新工科对人才培养的要求，对固体废物处理实践教学进行了改革。固体废物处理实践教学对改革实验教学内容，开设综合型、创新型实验，开发虚拟仿真实验，加强课程实习，改善实验教学考核体系，构建实验-实训-实习实践体系，加强实验教学队伍建设，实验室交叉融合，开放共享等方面进行了改革实践。

关键词：新工科;固体废物处理;实验-实训-实习;教学改革

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）S1-0016-04

Abstract： Many requirements are put forward from education concept， knowledge system， training mode and other aspects. In order to meet the requirements of talents training in the new engineering field， we have reformed the practical teaching of Solid Waste Treatment. We have reformed the experimental teaching content， set up comprehensive and innovative experiments， developed virtual simulation experiments， strengthened the course practice， improved the experimental teaching assessment system， and constructed an experiment-practice-practice system. At the same time， we have also carried out reform and practice in strengthening the construction of experimental teaching team， cross-integration of laboratories， opening and sharing.

Keywords： new engineering; Solid Waste Treatment; experiment-practice-practice; teaching reform

“新工科”這一概念自2016年提出以来，在不到一年的时间，教育部组织高校进行深入研讨，形成了“复旦共识”和“天大行动”。新工科是在新科技革命、新产业革命、新经济背景下工程教育改革的重大战略选择，是今后我国工程教育发展的新思维、新方式。培养未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略性、创新性、系统化、开放式的特征[1]。实验实践教学作为高等学校培养学生工程能力的一个重要环节，在工程教学人才培养过程中占有举足轻重的位置[2]。

新工科建设的本质是人才培养，服务国家战略发展新需求，强化实践创新创业能力。教学过程中需要延展实践育人平台，强化教学实验、科学实践、实习实训，完善创新创业人才培养模式。固体废物处理是环境工程专业核心课，2020年获批为天津市一流本科建设课程。课程结合新工科建设要求，以培养具有“全球视野、应对挑战和建设未来世界”的环境工程科技人才为目标。实践教学是课堂教学的重要组成部分，通过对固体废弃物的处理、无害化处置、资源利用实验，使学生将所掌握的理论知识与实际工程治理实践有机地结合起来;同时锻炼学生的动手能力、独立实验操作能力、分析和解决问题的能力、总结归纳和表述的能力。以往的实验课教学主要按教师先讲述、演示，学生验证等流程开展，学生积极性低，教学效果欠佳，不能满足未来多元化、创新型卓越工程人才培养需求，因此针对该类问题，进行了持续改进。

一、实验教学内容改革

高等教育呈现出了“大众化、多样化、国际化、终身化、信息化”的趋势[3]，工科教育迫切要求知识体系适应这种变化，迎合社会需求，固体废物处理实验教学内容原来以验证型实验为主[4]，学生按照教师和实验指导说明书完成实验，很少关注实验现象和理论知识的内在联系。这种类型的实验在一定程度上抑制了学生的主观能动性，新工科要求工程教育从单纯追求学术表现回归到与实践的相关性，致力于回应、参与和解决不断涌现的新问题，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，实验教学内容也要与时俱进，继承与创新，交叉融合，在不改变实验课时的前提下，调整实验内容，缩减验证性实验，加大创新性实验比例[5-7]。

（一）验证性实验

固体废物处理原来开设的验证性实验主要有：危险固体废物的溶出实验、城市生活垃圾的分选实验、城市生活垃圾含水率的测定、生活垃圾的堆肥实验等，同学按既定的步骤和要求被动开展实验，没有发挥主观能动性。由于同学已经具备了较扎实的实验操作技能，验证性实验在工程实践能力培养方面效果欠佳，因此将四个验证性实验缩减为一个，同学可以从四个验证实验中任选一个。

（二）综合型实验

固体废物处理原来的实验基本上都是针对某一知识点或原理开设的针对性的单一实验，尽管可以加深学生对该知识的理解，但是该类实验对学生系统性能力培养效果欠佳。为了提高学生解决复杂工程问题的能力和培养综合思维，开设综合型实验;以学生为主导，给定实验目的，提出实验任务和要求，学生根据本课程所学的知识，通过查阅文献资料，自行设计实验方案，实验过程中遇到问题独立解决。如开设“生活垃圾资源化处理”综合型实验，同学分成若干组，每组首先需要收集、分拣垃圾，然后根据收集到垃圾的形状差异，一部分开展好氧堆肥实验，一部分进行热解实验;好氧堆肥实验需要完成垃圾含水率、堆肥过程实验参数记录、垃圾渗滤液分析等操作;热解实验需要完成垃圾热值测定、热解产物液固气质量分布、热解液的GCM分析、热解残留固体稳定化等操作;完成垃圾处理的全过程工艺实验，需要同学通过课堂上已经学到的理论知识，设计并完成实验，在设计实验过程中不断发现问题、解决问题;最后提供最优化的资源化利用方案，实验结果不唯一，避免以前完全按照实验指导书步骤开展实验，将各单一实验有机结合成工艺实验，让学生系统掌握、理解固废资源利用过程中关键知识点。通过综合型实验不仅使学生巩固了本课程的理论知识、实验的方案思路、具体操作步骤、仪器用具等，还能培养同学更具独立性和创新性，能激发同学完全投入实验研究中，同时培养学生查阅文献、分析数据的能力，培养工程严谨性、批判性思维，最终达到提高实验教学的目的。

（三）创新型实验

创新是引领发展的第一动力，新工科应该积极应对变化，引领创新，探索不断变化背景下的工程教育新理念，培养能够适应时代和未来变化的卓越工程人才。随着社会经济发展、科技进步，固体废物处理正朝着资源循环利用方向演变，教学中融入循环经济理念。其中，生物质的资源化再利用是研究的热点和重点，生物质能源是替代传统化石能源的重要可再生能源之一，是自然界唯一可再生碳资源。针对生物质的循环资源化利用开展了一系列的科学研究，由科研凝练出“生物质平台化合物乙酰丙酸催化转化制备γ-戊内酯”实验，结合最新的科研成果，以乙酰丙酸为原料加氢制备γ-戊内酯是生物质催化转化的重要反应之一[8]，非均相催化体系的发展与创新则对寻求γ-戊内酯的绿色合成路径具有更显著的实践意义[9]。实验内容涉及负载型催化剂的制备，需要考虑影响催化转化反应转化率及产物收率的因素，如反应温度、反应压力、溶剂体系、催化剂种类等，以及掌握如气相色谱、液相色谱分析、内标法定量、实际动手能力、仪器设备操作等相关知识，加深学生对生物质催化转化过程的理解，做到理论联系实际。学生需要自主设计实验流程，制订实验方案，设定反应条件，选择合适的分析仪器设备，掌握定性定量分析方法等。实验方案多样化，实验结果不唯一，提高了学生的主观能动性。以学生为中心的实验教学，对学生创新能力的培养、综合思维的锻炼有很大的帮助。

（四）虚拟仿真实验

以全球化、网络化为代表的一系列颠覆性技术的发展使得教育、学习、信息共享的方式发生了变化，由此要求教学方法和模式、教学环境和条件需要跟上时代步伐。在实验教学环节中受到设备、场地、投入、成本等条件的制约，部分实验在真实实验室难以开展，因此相继开发“城市有机固废等离子体热解气化虚拟仿真实验”“垃圾清洁高效焚烧虚拟仿真实验”来弥补真实实验教学的不足。垃圾清洁高效焚烧发电属于固体废弃物资源化、减量化的处理措施，设备运行复杂、占地面积大且操作运行复杂、投入大，实体实验室不可能实现，即使去垃圾焚烧发电厂实地参观实习时，也很难深入了解各设备的工作情况。通过建立垃圾清洁高效焚烧虚拟仿真实验（实验界面如图1所示），可使学生深入了解垃圾焚烧发电原理、焚烧过程、焚烧炉构成、关键工艺及参数、污染物生成情况等。系统由仿真引擎SimuEngine、图形化建模软件SimuBuilder、数学模型、DCS操作界面、就地操作界面以及多媒体软件等部分组成，可以进入锅炉、汽机、电气、烟气净化处理等专业画面，可以实现垃圾进料量、调节风量、烟气处理系统药剂投放量、改变蒸汽温度与压力等不同运行参数的修改，从而在线观察温度、烟气量、污染物浓度、某种元素的迁移、灰颗粒的迁移、碳元素的转化过程、产生多少热量和能量、灰渣的产生量等指标的变化。可以透视观察垃圾焚烧炉的运行过程，解决参观和上课时的焚烧炉内部运行工况不明晰的问题，弥补课堂教学的不足。

（五）课程实习

新工科培养能够适应时代和未来变化的卓越工程人才，直接地把科学、技术同产业发展联系在了一起，因此实习显得尤为重要。深入企业生产现场，如泰达环保垃圾焚烧发电厂，围绕垃圾焚烧无害化处理、余热发电、废弃物资源化回收利用、重金属污染治理、烟气净化工艺等全流程开展学习，同时结合虚拟仿真平台，达到虚实结合。

二、实验教学管理改革

新工科要面向未来，全面加快改革创新，新工科必须通过人才培养理念的升华、体制机制的改革以及培养模式的创新应对现代社会的快速变化和未来不确定的变革挑战，因此需要对实验教学管理体系进行相应的改革，来适应工程教学发展的需要[10-11]。

（一）实验教学考核体系

建立能力考核的多元化考核体系，考核学生平时出勤率、课堂表现、操作规范、实验报告质量等关键信息，改变以前只关注实验报告而导致学生敷衍对待实验的态度。实验考核成绩包括预习、平时成绩、操作、实验报告等，加强科学素养的培养。

1. 实验预习成绩

对实验相关知识的提前熟知，特别是设计性实验，可能遇到的问题、解决办法、方法手段、实验方案、组内人员的分工合作等，在进实验室时提交预习报告，占总成绩的30%。

2. 平时成绩

利用实验室的门禁刷卡系统，记录学生实驗时是否存在迟到、早退等现象，以及遵守实验课纪律情况，占总成绩10%。

3. 实验操作成绩

包括实验技能的基本操作是否合理，仪器设备是否按操作规范使用，实验药品的使用、废液的处理是否符合要求，实验后实验室安全卫生、实验仪器的整理等，占总成绩的30%。

4. 实验报告成绩

包含实验报告原始数据的记录是否规范，对实验结果的分析和思考题的解答等，占总成绩的30%。

全过程考核，如在每年的研究生面试阶段，加入实验考核内容，要求表述基本的操作步骤、核心的注意事项等，让学生参与实际实验的积极性大大增强。

（二）实验教学队伍

加快工程教育改革，培养创新工程人才，需要一支稳定的实验教学队伍[12-13]，要求理论教学的教师参与实验教学，实验教师随堂听理论课，做到授课教师与实验教师分工不分家，坚持理论与实践相结合，使实验过程中出现的问题能及时在课堂上反馈。同时加强实验教师队伍的建设，切实提高实验教师的工程实践能力。第一，制定发展规划，开展校企合作培养实验教师，鼓励实验教师在企业内挂职锻炼，切实帮助企业解决实际工程难题，把相关实践老师送到相对口的企业实习、锻炼，如不同地区固体废物处理中心，深入企业了解其生产运行、最新的处理工艺及未来的发展趋势等，对设备和技术发展进行系统了解，提高工程实践能力;第二，制定实验教学培训计划，提供专项经费，鼓励实验教师参加各种相关新技术、新设备的培训会等，拓宽视野，提高其专业水平，使之能胜任专业实验教学的工作;第三，通过教学改革立项，鼓励实验教师研制实验教学设备，如垃圾堆肥实验装置、垃圾热解实验装置等是由实验室老师自行设计研制的，既满足了实验教学要求，又使实验教师工程实践能力得到了提高。

（三）交叉融合、开放和共享

新工科的内涵之一是交叉融合、开放和共享，将最新的科研成果引入实验教学，产学研融合，提高资源利用率，将科研课题组引入实验室建设，共同提高实验教学水平[14-17]，如固废实验室与从事固体废弃物处理、资源化利用的课题组签订共建协议，将科研成果转化到实验教学中。当前科学技术飞速发展，各种新技术、方法、处理工艺层出不穷，要将专业前沿和先进的内容融入实验教学。作为研究型工科大学，将最新的科研成果转化成实验教学项目，既可增加学生新视野，又可以提高学生对专业的认识、使命感，了解专业研究热点和研究动态;提供学生熟悉和掌握本学科领域前沿技术，与实践和社会需求密切联系，如“垃圾清洁高效焚烧虚拟仿真实验”是“国家科技支撑计划（2014BAC02B03）：大型生活垃圾焚烧系统高效清洁运行关键技术”衍生出来的，是科研转化为教学的成功案例，科研成果在经费保障上有较大的优势，往往是本领域科技发展的前沿，可以让学生接触到行业最新的发展动态，了解最新需求，充分激发学生学习积极性和主动性，提升学习动力和效果。在实验室空闲时段，如寒暑假，实验室无偿提供给课题组开放使用，极大提高了实验室使用效益。

三、结束语

目前，我国正在实施“一带一路”倡议及“中国制造2025”等重大战略，迫切需要加快工程教育改革创新。需要重构人才知识体系，重塑人才培养质量关，创新教学方式，完善创新创业人才培养模式，强化实践创新创业能力培养，以新理念、新要求、新途径加快我国工程教育改革。

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