新工科背景下环境工程专业中膜技术实践教学改革与探索

王捷 吴云 赵学辉 张阳 张超

摘  要：在新工科建设的背景下，如何加强专业教学以满足社会对人才的特殊需求是我们需要解决的主要问题。膜技术是环境工程领域新兴方向，文章结合环保产业对于膜技术人才日益增加的需求，介绍了在环境工程专业新工科建设中的膜技术实践的教学思路、教学体系和相关教学资源的开发，探讨了如何将特色化的实践课程有机结合在环境工程培养体系中的方法和途径，以及在此基础上开展的实践课程改革措施，以期为环境工程新工科的建设思路提供一些探索性的借鉴。

关键词：环境工程专业;膜法水处理;实验教学;教学改革

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）S1-0116-05

Abstract： In the context of the construction of new engineering， how to strengthen professional teaching to meet the characteristics of the social demand for talents is the main problem we need to solve. Membrane technology is a new direction in the field of environmental engineering. Combining with the increasing demand for environmental protection industry in membrane technology talents， this paper introduces the new engineering construction of the membrane in environmental engineering technology practice teaching ideas， teaching system and the related the development of the teaching resources. The paper discusses how to combine the characteristic of practical courses in environmental engineering method and way of cultivation system， and on this basis to carry out the practice of curriculum reform measures. The aim of the study is to provide some exploratory reference for the construction of new engineering of environmental engineering.

Keywords： environmental engineering; membrane water treatment; experimental teaching; teaching reform

党的十九大以来，生态环境保护和生态文明建设已经全面提高到国家发展战略层面，具有丰富经验的环境工程专业技术人才成为国内就业的热点和高薪行业人员，各大环保企业事业单位都在大力培养专业技术人员，为此对环境工程专业人才培养提出了更高的要求。环境工程是技术科学的主要分支学科和专业，具有典型工科的专业属性，具有学科交叉，面向工程应用，实际操作性强的特征。目前我国开设环境工程专业的高校已超过200所，面临社会不断发展的人才需求，如何解决环境工程专业在培养环节的趋同，突出特色，增强人才的社会竞争力，是环境工程专业教学改革的核心内容。在高等工程教育领域，教育部近年提出了新工科建设的理念和要求，而环境工程近年呈现快速、多元化发展趋势。环境工程专业已经与信息科学、材料科学、控制科学等现代科学技术成果充分交叉融合，逐步走向信息化、智能化、设备化、装备化、仪表化，并与生态文明建设、区域经济发展、人居环境改善、居民卫生健康等诸多领域紧密联系，这也是新工科背景下人才培养的方向与趋势[1-3]。这些新的变化与发展必然使环保行业对高级专门技术人才的需求在质量、素质和能力等方面均产生转变。膜技术是环境保护行业中的新兴方向，近年来已成为解决我国用水安全、水环境治理、空气污染乃至清洁能源的关键技术，其具有技术迭代快，需求领域广，应用规模大的显著特点。但现有的环境工程专业培养体系并未有效地与之匹配并更新，以满足当前膜技术人才的社会需要。

天津工业大学膜法水处理技术教学团队结合本校在膜技术领域的優势和特色，通过近十年的积累和实践，在环境工程专业培养中形成了膜技术的专业培养特色。通过不同教学资源的整合，课程体系的建设和实验资源的开发，尤其是对实践教学环节的持续改进，一方面突出了实践教学对课堂理论教学的辅助性、认识性、验证性功能，另一方面充分体现了科研反哺教学，将膜技术领域的前沿技术体现在学生的教学过程中的教学理念，形成了一条特色实践教学与应用型人才培养结合的路线。

一、膜法水处理技术的实践教学模式的现状与不足

环境工程专业的教学目标是让学生运用工程技术和有关学科的原理和方法，保护和合理利用自然资源，防治环境污染，以改善环境质量，因此强化实践能力的培养至关重要。为了进一步加快我国“绿水青山”的建设，很多高校近年扩大了环境工程专业建设和发展，但环境工程实践教学体系存在理论与实践脱节的问题，实践环节缺乏特色，学生在技能方面的提升不够明显的一系列问题。新工科建设思维与理念的提出，无疑为上述问题的解决提出了全新的方向[4-5]。如何在当前水资源与水环境保护迫切需求的社会大背景下，将具有膜这一具有巨大市场潜能的技术与工程实践紧密对接，使具有专业膜系统理论的人才更加适应产业的需求，充分体现新工科建设的培养目标，还需要进一步深入探索。

（一）面向社会的多元化需求，课程体系的建设还有待完善

膜技术具有典型的学科交叉特点，目前开设单独膜技术课程的高校为数还较少，尤其在环境工程专业中，往往是将其简略地介绍并纳入诸如水污染控制工程、工业水处理等课程之中。但程式化的教学内容距离用人单位在膜技术工程设计、应用和运行等方面的多元化要求还相差甚远，根本无法满足企业对于专业人才的需要。加之膜技术涉及材料、环境、化工、水力等多学科内容，如何在实验环节中贯穿理论课程中的知识点，更好地实现理论与教学相呼应，加强对学生综合职业能力和素质素养的培养，并在此基础上，培养学生的创新能力和创新意识。这是在近年教学实践中需要重点解决的工作。

（二）教学实践环节上创新思维不够，没有做到与时俱进

与技术前沿和工程实际相结合是新工科专业建设的重要特征。环境保护领域是以技术进步和可持续发展为主导思想的，新思维和新技术的引入是环保产业发展的动力，而环境工程专业的培养理应对新趋势、新技术作出及时的响应[6-7]。新工科“问产业需求建专业，问技术发展改内容”的建设理念给环境工程专业建设提出了目标和方向，同时也对其实践环节的构建提出了更高的要求。但目前多数环境工程专业的课程建设并未以适应当前就业方向和创新思维的培养为重点，大纲需进行及时的更新与替换，因为教学内容很难做到与时俱进，所以一些新兴技术的课程体系和课程内容无法很好地与社会需求相适应。

（三）与新兴技术和课程相适应的实践教学资源还不能满足教学目标的需要

环境工程专业中新兴技术课程的软硬件配置普遍都不完善，这也是目前开展环境工程实践教学的关键瓶颈。环境工程专业实验教学中，分组式教学往往是多名学生共享一台仪器，限制了每个学生充分的动手实验时间，而大型设备的学习只能是局限于认识学习，无法实际操作，因此对实验流程并不能有一个很充分的了解和深入学习。另一方面，能够体现的膜技术核心概念和原理的实践教学设备与资源非常有限，如何摆脱传统、陈旧的教学模式，亟需开发体现膜技术工艺内涵和创新性的硬件资源。

二、膜法水处理实践教学资源的构建与整合

新工科的专业建设中要求专业培养应与工程实践紧密结合，通过先进知识的获取，更新工程人才知识体系，使课程与经济发展相协调，才能有效地满足社会经济发展需要。膜技术课程作为新兴技术类课程，需要结合课程特点与专业培养目标，形成特色的课程体系。为此，教学团队整合现有专业的优势资源，根据行业对人才的需求的不同维度，结合近年的教学实践，逐步形成了课程的培养体系，如图1。

在教学实践中，教学团队在膜技术课程中逐步整合了现有环境工程专业课程体系中的不同维度的课程、实验以及特色平台资源，按照实际工程应用中的工艺模块和教师专长划分教学任务，将工艺原理与工艺设计和运行调控有机衔接。如在课程理论内容部分上注重与水污染控制工程、给水工程等教学内容的衔接与差异。在课程时间分配上，一方面充分利用所在单位的工程实践平台，另一方面也注重与其他实验类课程的对接，以把工程问题解决的思维与能力，提升实践能力的“工匠”意识融合到课程中。上述资源的整合在具体实施上也体现课程之间的双向关联，其他的课程为新技术课程提供的可以依托的资源，而新兴技术课程也促进了其他课程的动态更新。在具体的教学环节中，我们通过自编的《膜法水处理技术实验》教材，将以往学过的课程知识进行前期的梳理和引导，并在平台资源和实验课程资源上得以应用，通过不同形式的操作训练，达到资源衔接的目的，也打通了理论教学与实践教学的通道。从教学中我们发现，对于新兴技术课程的教材建设是推动其培养模式实施的关键。

膜技术实践类课程的重点是使学生如何从所学的膜技术的理论向水、氣等污染治理工程应用实践转变，并在这个过程中让学生理解掌握典型膜系统在给水、排水、气体净化等工程体系中的设计、运行方法，在满足污染排放要求的基础上合理控制膜系统的运行，达到处理标准、优化处理工艺、降低运行成本的目的。使学生具备一定的典型膜工艺过程实际操作能力。为此，教学团队在实践环节设计了涵盖“基础类实验-专业类实验-综合类实验-实习实践”及“课外实践”实验实践教学框架，有针对性设计了以膜技术为特色的系列实验实践项目。配合自编《膜法水处理实验》教材，形成完整的实践教学体系。在扩展教学资源方面，引进微课建设、多媒体课件共享等形式，弥补由于课时限制部分内容不能在课堂上展现的问题。同时为了更好地满足社会对膜技术专门人才的需求，激发学生的学习积极性，教学团队近年通过组织学生加入创新实验室，建立校企合作实训联盟，以赛促学的形式，提升学生在实践环节培养的深度和广度，尤其是在膜技术课程的实施，近年也受到了许多行业内知名企业的充分肯定。

三、膜法水处理课程实践资源的开发与设计

膜技术实践课程实施目的就是解决与当前环保产业发展和工程前沿应用相适应的问题。因此，如何着力提升学生的实践能力，是课程培养目标的核心内容。课程的建设需要学生在直观、形象地掌握知识点的基础上，通过不同形式的实践加深和巩固对理论知识的理解与吸收。但由于现有可借鉴的软硬件资源有限，因此教学团队一方面基于现有的平台和实验室资源，根据当前在环境保护领域中应用最为广泛的膜技术的工艺形式，自主开发了系列化的膜法水处理技术教学系列设备。如图2，课程体系中涵盖了目前膜技术在水处理应用的最为主流的膜生物反应器（MBR）技术实验、连续膜过滤（CMF）技术实验和浸没式连续膜过滤（SMF）技术实验，同时通过理论性较强的截留、污染和孔径评价等实验加强学生对课程中核心知识点的理解和掌握。另一方面，根据未来学生就业走向和企业需求，开发以典型膜法水处理技术为核心的虚拟仿真平台，突破现有教学手段在实践过程中“参与度不够，无法实操”的瓶颈。在此过程中，教学团队总计开发了10个膜法水处理工艺实验，14个膜法水处理性能参数测试实验和4个膜制备实验，建设国家级虚拟仿真平台1个。

（一）膜法水处理工艺虚拟仿真系统的开发

结合新工科面向产业需求，支撑创新驱动的建设理念，教学团队根据当前信息化技术在教学环节中的推广和应用的发展趋势，以天津工业大学中水处理站为原型，自主开发了基于网络教学的“生活污水膜生物反应器中水回用工程”虚拟仿真平台，以教学团队自主编写的《膜法水处理技术实验》教材中“膜通量及截留率测定分析实验”和“膜生物反应器（MBR）污水处理工艺实验”为蓝本， 借助虚拟仿真的教学方式和手段，学生通过虚拟实验可掌握13个工艺知识点：包括膜生物反应器预处理、进水、生化曝气、膜曝气、生化系统，回流系统、产水、在线反洗系统、离线加药系统、膜离线清洗系统、在线加药系统、膜通量测试系统、膜截留测试系统。按照操作型-综合型-设计型-创新型逐渐拓展的教学路径设计，将膜性能分析的虚拟实验模块与膜工艺单元虚拟实验模块进行了有机结合。

教学团队基于自主开发和设计，开发了针对具有膜法水处理技术特色的虚拟仿真实训平台，充分将信息技术、网络技术融入到教学环节中。由于虚拟平台的设计源于工程实际过程，可将课堂教学与实验的内容以人机交互界面的形式呈现，可实现各种常用膜工艺的全流程参数的调节与控制。通过内嵌的互动反馈系统，在实验课堂上能够及时有效地评价学生对于相关知识熟悉和掌握程度，以评价实训效果。虚拟仿真教学平台作为培养课程体系的关键一环，与课堂实验、现场实习形成了有效的互补与支撑。尤其对于大型膜法水处理系统的控制，使学生从“敢动手、能动手”到最终“会动手、擅动手”。改变了以往认识实习阶段中存在的“观察难、调控难、耗时长、风险高”的问题。教学团队借助便捷高效的网络化教学模式，增强了学生学习的主动性和参与性。切实解决并突破了在环境工程领域实践环节中，大规模工程化装置和设备学生实践机会少，运行操控存在风险等问题。

从近年的教学反馈来看，虚拟仿真实践形式在环境工程专业中的应用，顺应了新工科人才培养在专业强化素质能力的需求，从专业内涵、知识结构、培养模式等方面对新兴技术课程的实践教学构成了有力的支撑。

（二）膜法水处理装置的开发

虽然开设环境工程专业的高校数量、规模不断扩大，能够提供环境工程类教学仪器和实验设备的供应厂家也为数不少，但是要找到能够适用于膜技术实践教学的教辅仪器，目前还是比较困难的。为了解决这个问题，行之有效的方法是进行实验教学装置开发与自制。为此，教学团队结合多年的教学和工程经验，根据教辅仪器兼具科学性、技术性以及可操作性的综合特点，设计了系列化的实验教学装置，实现了教学科研平台一体化、成套化和系列化，见图3。

教学团队结合多年的教学经验发现，学生对板书和电子课件结合的讲授方式在一些抽象的结构上的理解往往不到位，例如对膜组件的分离过程，分离中流体流动的方式与膜微观结构等内容上教学达成度不够。因此如何将课上所学的有关膜分离理论进一步强化认识并掌握，需要通过更具有针对性的膜分离实验装置的设计与开发来实现。在教学实验设备开发关键是需要通过对课程内容的精准把握并将其与课程目标达成的工艺环节紧密衔接而实施的。如对膜截留分子量的测试，根据对膜分离过程中的筛分与截留理论，我们开发了可实现快速更换与密封的膜评价装置，能够在有限的课程时间内中完成3至4种截留分子量膜的更换，非常有助于学生对截留分子量概念的理解。而混凝-平板膜连续膜过滤实验装置的设计，则是对饮用水深度处理的“短流程”工艺的再现，能够帮助学生熟悉工艺参数调整操作，以便增进对通量设定、曝气、反洗等关键工艺参数的理解。考虑到大规模工程在可研及论证阶段都会进行前期的小试和中试环节，教学团队在实验装置的开发上也充分考虑到了这一因素，在装置中设计的参数上做到尽量与工程实际契合。开发的连续膜过滤实验装置能够模拟大型连续膜过滤对工艺的操作过程，并能够实现每个学生独立操作和对工艺参数的调整。上述教学实验设备的开发提升了学生工程实践能力的深度和广度，使学生在实践与操作过程中进一步强化对理论知识的理解和掌握。

在实践教学的实施过程中，教学团队还借助团队成员承担的科研项目而形成的优势资源，将科研成果转化成为实践教学的案例与成果，及时将新工艺、新技术及先进仪器设备等融入教学内容，做到了与时俱进。通过上述工作的开展，本专业学生参加各类竞赛的比例显著增加，近年团队成员指导在校生参加专业学科竞赛并获奖14项，期间发表学术论文19篇，申请发明专利3项，同时毕业生的实践能力也获得了用人单位的充分肯定。

四、新兴技术课程在课程思政建设中的思考

课程思政工作是当前高等教育中教学环节的关键内容，而对于新兴技术课程，如何更好地与课程思政相结合则是课程建设中我们需要思考的问题，也是体现建设更为全面的新工科课程需要完善的内容之一[8-9]。为此，教学团队主要从以下几个方面入手来实现膜技术实践课程的课程思政工作。首先是在实践课程中融入我国目前在水资源与水环境保护、大气污染防治等重要政策的介绍与宣讲，不但能够让学生了解国家环保领域的政策和导向，同时也有利于学生掌握学习的背景和目标。其次，结合不同装置的操作，穿插向学生介绍我国膜技术和膜产业的发展历程，及国内外最新的前沿技术，有利于激发学生学习的兴趣，树立未来服务我国环保事业的理想。再次，通过实践平台辅助学生参加一些环保活动和环保公益，发挥课程建设的外延作用。通过近年的教学探索，我们发现，新兴技术类课程是否能够很好地与当前国家重要的发展战略与政策对接融合，对于吸引学生的学习兴趣，树立正确的职业发展规划具有重要的作用。

五、结束语

在新工科建设背景下，学生的动手能力、思维能力和创新能力的综合提升是环境工程专业实践类课程改革和发展的方向。在新工科教学体系建设的探索中，教学团队紧紧抓住“问产业需求建专业，问技术发展改内容，问学生志趣变方法”的核心理念。在膜技术实践课程中通过教学理念的创新、教学体系的构建和实验教学资源的开发，将“特色教学”与“实训实践”培养的模式贯穿于整个专业培养中。以新工科建设理念为引领，广开资源、延伸时空、拓展内涵，为提升学生实践创新能力创建了全过程、全方位的学习平台和资源。在课程形式上充分体现了实践教学紧密衔接课堂教学和工程实践的特点，实现了对环境工程专业新工科建设实践教学培养模式的进一步改革和探索。

参考文献：

[1]骆欣，杨怡心，徐海宏.环境工程专业应用型人才培养模式研究[J].教育教学论坛，2019，28（7）：65-66.

[2]苏荣军，李俊生，苏欣颖.培养环境工程创新人才的实践教学体系改革探索[J].实验室科学，2019，22（3）：115-118.

[3]王家宏，于生慧，景立明.轻化工特色环境工程专业实践创新平台建设的探索[J].高教学刊，2021，7（25）：27-30.

[4]汪银梅，鼓政.地方性院校环境工程专业实验教学问题剖析[J].教育教学论坛，2019（34）：279-280.

[5]张周，廖家林，钱凯，等.工程认证背景下环境工程专业实验教学条件建设探索[J].广东化工，2021，48（6）：231-232.

[6]孙亚乔，段磊.面向新工科的环境工程专业实践教育体系与平台构建[J].中国校外教育，2019（12）：69-70.

[7]朱新锋，刘彪，康海彦，等.“新工科”背景下应用型高校环境工程专业人才培养的改革与探索[J].课程教育研究，2020（11）：223-224.

[8]关共凑，徐颂，杨富国.新工科特色环境工程专业实验教学改革探索[J].实验室科学，2019，22（4）：98-102.

[9]潘复静，靳振江，游少鸿.高校环境工程专业课程思政教學改革探索[J].科教文汇，2020（33）：91-93.