新工科背景下大气污染控制领域创新与实践复合型人才培养模式探索

王婷 史国良 毕晓辉 田瑛泽 孙妍 徐准

摘  要：近幾十年来，我国在大气污染控制和空气质量管理方面做了大量的工作并取得了显著成效，但是很多问题的难度和复杂性远远超出目前人类的科学认知和技术水平，使用传统工学的技术方法恐难以满足复杂多变的大气污染治理现状。为应对新的挑战，教育部积极推进新工科建设，致力于培养面向未来的多元化、创新型卓越人才。为此，首先立足根基，通过完善课程体系建设，为学生建立大气污染控制领域问题导向、目标引领、全程控制、精准施策的系统知识体系。此外，将教学育人与科研育人相结合，提高学生对领域前沿的敏感性。积极鼓励学生利用课堂讲授的理论知识，培养学生的创新思维进行创新性成果转化，发表论文、获得奖励、申请课题等。进而指导学生作为“学术带头人”申请科研项目或参与国家重大研究项目，促进实践出真知，提升学生实践能力。通过多元化多举措并行，不仅夯实了学生的专业知识，更从理论创新、技术研发、社会实践等多角度对学生进行全过程培养，建立了具有环境新工科特色的大气污染防治领域创新与实践复合型人才的培养体系。

关键词：新工科;大气污染控制;创新;实践;人才培养

中图分类号：C961       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）S1-0143-04

Abstract： In recent decades， lots of measures have been implemented on air pollution control and air quality management and achieved remarkable results in our country. However， there are still many the difficult and complex problems far beyond the current human scientific cognition and technical level. Application of traditional engineering technical methods might be difficult to meet the complex and changeable air pollution control situation. To face the new challenges， the Ministry of Education vigorously promotes the construction of new engineering education， aiming to cultivating future-oriented outstanding talents with diversification and innovation. For this purpose， a systematic knowledge system of problem orientation， goal guidance， whole-process control and accurate measure was established for students based on the foundation and through the improvement of curriculum system construction. Furthermore， the teaching education and scientific research education were combined， which will improve sensitivity of students to the forefront of the field. In addition， actively encourage students to use the theoretical knowledge taught in the classroom and cultivate students' innovative thinking to develop innovative outcomes， including paper publication， awards acquisition， funding application， etc. Moreover， guide students to apply as academic leaders for application of scientific research projects or participation in major national scientific research projects， which could promote students to acquire genuine knowledge from practice and improve the practical ability. The diversified measures in parallel could consolidate the professional knowledge of students， and further cultivate students from multiple angles in the whole process through the theoretical innovation， technology research and development， social practice， and so on aiming to establish the cultivation system for innovative and practical interdisciplinary talents with new engineering features in air pollution control field.

Keywords： new engineering; air pollution control; innovation; practice; talent cultivation

地球是人类赖以生存的家园，随着现代工业文明的快速发展，人类赖以生存的环境正在受到前所未有的挑战，形形色色的污染物排放到环境中，与水体、土壤、大气形成复杂的混合体，在地球化学反应和环境生物的共同作用下，污染物不断变化，对环境造成了巨大的破坏。空气作为维持人类正常生活的必要物质，空气质量的优劣直接影响到人类的生存居住环境，近几十年来，我国大气污染形势严峻，大气环境保护事关人民群众根本利益，事关经济持续健康发展，事关全面建成小康社会，事关实现中华民族伟大复兴的中国梦[1]。但是，我国大气污染呈现区域性复合型污染的复杂特点，大气污染的来源多、污染的因子多、污染的成因复杂[2-3]。从《大气污染防治行动计划》《打赢蓝天保卫战三年行动计划》到“十四五”期间全面改善空气质量行动计划，近期，国务院再次提出深入打好污染防治攻坚战，强调要着力以更高标准打好蓝天保卫战，推动高质量发展、创造高品质生活。大气污染治理工作任重道远，难度和复杂性远远超出目前人类的科学认知和技术水平，使用传统工学的技术方法恐难以胜任复杂多变的大气污染治理现状。

近年来，为应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，主动服务国家创新驱动发展等重大战略实施，加快工程教育改革创新，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，支撑产业转型升级，教育部积极推进新工科建设[4]。新工科教育致力于培养面向未来的多元化、创新型卓越人才，以开拓的精神，打破固有的学科壁垒，强化实践训练，以应对纷繁复杂的大气污染防治新形势、国家战略发展和人才培养的新需求。我校环境工程专业作为学校首个通过工程教育认证的工科专业，在教学工作中坚持贯彻“学生中心、产出导向、持续改进”的教育理念，主动对标《华盛顿协议》和中国工程教育认证标准要求，在新工科建设的大背景下，力争通过不断完善课程体系、深化课堂改革，依托高校培养高科技人才，提升专业人才培养质量，走向高等教育强国之路[5]。

一、课程体系建设

环境工程学主要针对的是环境中以水、土、气、固废为介质的污染治理研究，大气污染控制工程课程是从事大气污染防治领域研究的环境工程专业学生的必修专业课程。传统的课程体系侧重于大气污染物的种类、扩散机制和其主要来源锅炉的烟气后处理技术的逐一讲述。而随着几十年来我国产业结构、能源结构、交通运输结构等的调整和优化，大气污染控制和空气质量管理手段已发生翻天覆地的变化[2]。作为人才培养的基础，为配合创新与实践复合型大气污染控制人才的要求，课程体系和课程理念势必与时俱进，本课程在基础知识上形成新的架构，形成了从大气污染物的产生和污染特征至大气污染控制技术与手段的从源到汇的完整知识体系。即首先解决大气污染物“是什么”的问题，从污染物种类、理化性质和产生来源夯实专业基础知识;继而，通过系统讲述大气污染物的源解析技术，培养学生对污染物精准溯源的能力，解决“从哪儿来”的问题;进而，对于各污染源有针对性地介绍采样及分析技术，并根据本领域研究前沿逐年更新教学内容，为今后科研或工作中解决实际问题提供方法学依据，解决大气污染物“有多少”的问题;最后，讲述各类污染源的污染物排放控制工程技术，既包括传统的成熟的技术手段，又不断更新新技术与新对策，培养能解决实际工程问题的专业人才，解决“怎么办”的问题。为学生建立大气污染控制领域问题导向、目标引领、全程控制、精准施策的系统知识体系。学生通过系统性的学习，对本领域专业知识得到一定的积累，目前已在Science of the Total Environment等领域内高水平学术期刊发表大气颗粒物源解析方面的综述文章。

二、领域前沿引领

在课程教学过程中，教学团队将科研育人与教学育人相结合，以科研反哺教学的形式，将科学研究的最新成果编入教材，引领本领域研究前沿，丰富了课程内容。例如，课程组梳理了大气颗粒物来源解析研究的国内外最新研究进展，编著了英文教材Recent Development of Receptor Model for Ambient Particulate Matter Source Apportionment，系统全面地介绍了大气颗粒物源解析技术的基础理论和发展历程，对源解析技术的方法学及其应用案例进行了详细阐述，并对复合受体模型、来向解析等一些较新的大气颗粒物来源解析技术和最新国内外研究进展进行梳理，为学生建立完整的大气颗粒物源解析理论与实践知识体系，该书作为授课教材之一，使学生更清晰地了解当前领域科学研究的最新成果，开拓学生眼界，提升学生科学素养。

大气污染复杂多变，存在多污染物共存、新旧污染问题交织、传统与新型污染源贡献多变等问题，大气污染控制技术亦飞速发展，日新月异，这些都要求大气污染控制工作者具有敏锐的嗅觉，采用更加科学先进的技术手段进行精准防控，大气污染控制教学内容需重视实效性与前沿性。为此，课程组每年修订课程教学内容，立足国内外污染现状，放眼领域最新研究成果。课程组成员由专业从事大气污染控制领域研究的教师组成，主持和参与国家级、省部级和地方级科研项目，在本领域顶尖期刊发表高水平学术论文，获省部级以上多项科研奖励，具有较强的领域前沿敏锐性和研究经验。因此，课程内容从传统污染物的新污染问题、新型污染物的污染特征、新污染源识别、先进采样与分析技术到前沿污染控制与后处理技术发展，全面覆盖大气污染控制领域研究内容，引领前沿，让学生在课堂上尽可能地接触本领域前沿理论与技术，努力实现从课堂到工作实践的“无缝衔接”，满足未来大气污染控制工作一线的需求。

三、创新思维培养

创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，已经成为全社会的共识[6]。习近平总书记也再三强调，“谁牵住了科技创新这个‘牛鼻子’，谁走好了科技创新这步先手棋，谁就能占领先机、赢得优势”[7]，“加強创新人才教育培养……要把教育摆在更加重要位置，全面提高教育质量，注重培养学生创新意识和创新能力”[8]。这都为创新教育注入了新的动力和提出了更高的要求。为此，课程组将传统教学方式与多元教学模式相结合。在传统教学方法的基础上，补充了最新的教学手段，丰富了课堂的教学内容。例如，在课堂上，通过讲解、演示、示范等可视化手段讲授大气污染控制理论与技术涉及的新模型、技术和方法，使学生更直观地了解其理论内涵、适用范围和应用效果。在课堂、课后指导学生充分发挥主观能动性，进一步熟悉和使用课堂讲授的模型和软件，并通过学术研讨会的方式，激发学生创新性思维，使学生更深层次地熟练了解和掌握最新的技术手段。鼓励学生利用课堂讲授的理论知识，进行创新性成果转化，多名研究生已撰写论文，并以第一作者身份发表在领域内顶尖学术期刊上，例如学生通过课堂学习受体模型源解析技术，将其应用于科研工作中，成果发表于Environment Science & Technology等本领域高水平学术期刊上;多名研究生获得国家奖学金、南开大学一等奖学金等;研究生多次主持、申请科研项目及课题，多次获创新项目立项，例如在课程组教师的指导下，研究生获得多项南开大学“知行南开”研究生创新能力提升计划项目立项，研究内容包括大气降尘污染特征及来源解析研究、机动车排放清单的构建等，部分项目获得优秀项目奖。这些举措极大地促进了学生的创新思维培养和科研主人翁意识。

四、专业实践培训

将教学育人、科研育人、实践育人相结合，以教学促科研，教学成果提升科研思维，培养科研实践人才。实践是方法论的客观标准，脱离实践，再好的理论都是空谈。因此，课程组在课程讲授关于大气污染控制的理论、技术与方法基础上，积极鼓励学生参与国家大气污染防治工作。例如，鼓励学生作为“学术带头人”申请科研项目，多名学生作为主持人获学校创新项目立项，学生通过撰写项目申请书、设计研究方案、组织项目执行、参与项目答辩等过程，将理论知识极大地应用于实践，且从实践过程中发现个人理论知识的不足和短板，通过与教师讨论和查阅文献等方式，拓宽和加深了领域相关知识的广度与深度，部分項目完成后获得优秀项目奖励，学生的学习和科研积极性与自信心也得到了有效提升。此外，指导学生参与学院相关研究方向教师的科研课题，例如将空气污染控制技术应用在京津冀周边空气污染来源及成因分析等研究课题上，综合利用受体模型、排放源清单等源解析技术分析了京津冀及周边区域的空气污染来源及对颗粒物的贡献，及参与山西省晋中市等地区大气颗粒物来源解析工作，帮助环境管理部门找到了污染成因和主要来源，实践工作受到了管理部门的肯定;所建立的污染物溯源及预警技术，多次获得省部级奖项和专利授权;协助监测部门开展京津冀及周边地区大气颗粒物组分网手工监测、模型计算工作，所建立的源解析新技术应用在国家大气重污染攻关防治研究工作上，为我国大气污染防治贡献了力量。正所谓纸上谈兵不如躬行实践，研究生参加实践工作，解决了实际中的大气污染控制问题，学术能力和实践能力均得到提高，学生的爱国情怀得到了提升，主人翁意识得到了树立，科技报国的理念得到了培养，日后将成为国家大气污染控制领域专业的创新实践复合型人才。

五、结束语

综上所述，在新工科建设的背景下，为建设美丽中国，加强生态文明建设，坚决响应国务院深入打好污染防治攻坚战的号召，培养可应对复杂多变的大气污染形势的大气污染控制专业人才。在学生培养过程中，通过多元化多举措并行，在提升了学生对专业理论的综合认知基础上，从理论创新（发表论文）、技术研发（获得授权专利）、社会实践（服务国家）等多角度对学生进行全过程培养。近两年的复合培养模式探索下，学生综合素质得到大幅度提升，获得多项国家级奖学金、主持校级科研项目、发表高水平学术论文、参与国家级项目和政府决策，并在综合实践的过程中对所学基础知识进行实践、对本领域科学前沿有了更深的了解、创新思维能力得到大幅度提升。这些成果与进步说明具有环境新工科特色的大气污染防治领域创新和实践的复合型人才培养体系的有效性，在今后的教学中进行持续维持与不断改进，必将为国家输送大气污染控制领域复合型高素质人才，为实现建设人与自然共生的美丽中国的目标而努力。

参考文献：

[1]中华人民共和国中央人民政府.国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知（国发〔2013〕37号） [EB/OL].（2013-9-13）.http：//www.gov.cn/zhengce/content/2013-09/13/content_4561.htm.

[2]柴发合.我国大气污染治理历程回顾与展望[J].环境与可持续发展，2020，45（3）：5-15.

[3]贺克斌，吴烨，胡洪营，等，环境学科发展与课程体系建设[J].中国大学教学，2018（6）：10-14.

[4]徐建行.我国新工科建设政策的演变逻辑与优化——基于多源流理论的分析视角[J].中国高校科技，2020（7）：57-61.

[5]郝吉明.依托高水平科技研究 培养高水平专业人才[J].中国大学教学，2019（Z1）：12-15.

[6]习近平谈创新（上）[J].党政论坛（干部文摘），2016（4）：4.

[7]习近平谈创新（中）[J].党政论坛（干部文摘），2016（5）：4.

[8]习近平：在科学家座谈会上的讲话[EB/OL].（2020-9-11）.https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1677549460006891757&wfr=spider&for=pc.