基于创新能力培养的环境工程原理课程教学改革与实践

石凤娟 段学军 杨书申

摘 要：本研究针对环境工程原理课程在课程规划、教学内容、实验特色、教学形式及考核方式等方面存在的问题，分析课程改革的必要性，提出教学改革方案，即在充分体现环境工程学科特色的基础上，科教结合，使教学内容体系得到优化;校企联合，构建新型教学模式;考核学生学习全过程。通过教学改革与实践，学生可以在掌握环境工程原理基本理论和知识的基础上，达到思维创新和能力培养的目的。

关键词：环境工程原理;创新能力;教学改革

2015年11月5日，国务院发布《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》文件。文件围绕“中国特色”“世界一流”的核心要求，在建设方面提出了“培养拔尖创新人才”的任务，要“坚持立德树人，突出人才培养的核心地位，着力培养具有历史使命感和社会责任心、富有创新精神和实践能力的各类创新型、应用型、复合型优秀人才”。同时，在改革方面提出要“实现关键环节突破。加快推进人才培养模式改革，推进科教协同育人，完善高水平科研支撑拔尖创新人才培养机制”。可见，“双一流”建设的重要任务之一——拔尖创新人才的培养至关重要。课程作为大学教育的基本单元，是培养人才的核心要素。因此，课程的规划和设计能力是大学教师乃至一所大学的核心竞争力。

一、环境工程原理课程教学的现状分析

环境工程原理是我国高校环境学科的专业基础课，主要研究工业及生活排污治理技术中各单元过程的基本原理、典型设备的构造与操作原理，以及各单元过程的设计计算。它以高等数学、物理、物理化学等为基础课程。该课程不仅适用于环境治理工程，而且在化工、冶金、电子、医药、轻工、航空等行业也发挥着效能。在高校教学计划中，环境工程原理是自然学科到应用学科的桥梁。因此，对于环境工程专业而言，环境工程原理课程的规划直接影响着专业学科的建设和发展，其教学设计对提高学生综合素质、实现创新人才的培养目标意义重大。

目前，中原工学院环境工程专业在环境工程原理课程的建设方面还存在着许多亟待改进和改革之处，具体体现在以下五个方面：

（一）课程规划

环境工程原理课程内容虽多源于物理化学、生物化学及化工原理等课程，但这些学科的知识点并不能很好地反映环境工程学科本身的理论以及环境工程领域的复杂工程问题。因此，基于环境工程学科的专业需求特色，环境工程原理的教学规划不能等同于以上三门学科的简单组合。

（二）教学内容

中原工学院环境工程专业选用的教材是清华大学胡洪营教授主编的《环境工程原理》。该教材属于国家级规划教材。在教学过程中，环境工程原理的教学内容多局限于该教材，对相关相近学科知识并未涉及，这必然限制课程的发展更新及学生学术视野和思维的拓展。

（三）实验特色

现有的环境工程原理实验多以基础性实验为主，以单一知识点为内容进行验证性实验，缺乏综合性、系统性和连续性。此类实验的设置不仅限制了学生对理论知识的融会贯通，而且也不利于创新思维和能力的培养。

（四）教学形式

教学只限于在限定的时间内在教室授课，一般是完全按照教材既定方案进行课堂教学。此种教学形式不利于培养学生独立思考的能力。

（五）考核方式

在实施教改前，环境工程原理课程作为专业基础课，其考核方式为平时成绩与期末成绩相结合。平时成绩由出勤率和作业成绩构成，作业内容为章节后的练习题，平时成绩占综合成绩的20%。期末成绩即为试卷成绩。单一的考核方式既不能全面考查学生的学习效果，也不能体现学生的学习过程。

因此，扩展教学内容、改进教学形式、开展多样的学生学习评价模式势在必行。

二、环境工程原理课程教学改革实践

（一）注重理论系统构建，规划知识模块

作为环境科学与工程学科的专业基础课程，环境工程原理与大气污染控制工程、水污染控制工程及环境工程微生物学等研究方向及课程都密切相关，其知识源于物理化学、生物化学及化工原理的有机结合。在教材内容的规划上，环境工程原理更倾向于基本原理和理论在典型設备、典型工艺及环境工程中的应用。因此，环境工程原理的课程规划，不能完全参照以上三门学科的内容，要以建设一流学科为目标，在遵循该课程自身课程理念的基础上，更多地体现学校本专业的学科特色，充分考虑后续专业课程的衔接性和延续性，从而激发学生学习的热情及参与科研的积极性，培养并增强学生灵活运用理论知识分析和解决复杂工程问题的创新意识和能力。

因此，在教学内容的规划中，避免相关课程教学内容的重复，明确环境工程原理的教学内容与重点难点，优化课程教学体系格外重要。例如，热量传递、质量传递、过滤、吸收、吸附、萃取等操作单元的基本原理及典型设备的设计计算等内容在化工原理课程中为主要讲授内容，而环境工程原理则是针对知识体系规划课程相关知识模块。教学规划中可以将相互联系的知识点重新组合，使教学内容系统化。例如，选取基础理论部分的质量传递与分离过程原理的吸收、吸附及其他分离过程为模块，该模块的规划突出体现了基本理论和操作单元实践应用的有机结合。

（二）科教结合，优化教学内容体系

随着环境工程中单元操作的新技术、新工艺的发展，环境工程原理的相关教学内容也应及时更新。2012年，中共中央、国务院印发《关于深化科技体制改革加快国家创新体系建设的意见》，强调要“大力推进科技与教育相结合的改革，促进科研与教学互动、科研与人才培养紧密结合”。在环境工程原理教学实践中，教师应及时采用前沿科技成果优化课程体系，更新教学内容，及时了解环境工程领域科技发展的最新动态。例如，在膜分离教学过程中，将前沿海水淡化技术引入其中，不仅可以使学生了解膜分离的机理，掌握相关的分离理论，而且可以培养学生的科研理念。将科技前沿理念应用于理论教学中，可以开拓学生的视野，培养学生的创新思维能力。

（三）注重学科特色，增加探究性的科研实验

探究性实验提倡理论联系实际、独立思考和科学探索精神，有助于培养学生的独立思考能力和开拓创新能力。因此，环境工程原理实验内容摒弃以往体现单一知识点与技术方法的实验，增加具有本学科特色的印染废水处理综合实验。例如，印染废水中有机污染物对硝基苯酚的催化降解实验设计，该实验不是要求学生按既定的催化剂进行实验，而是要求学生通过分小组查阅中外文献进行归纳总结之后，制订催化剂制备方案，经教师审阅后再进行催化剂的制备。从催化剂的制备、物化性质表征到催化剂对污染物的催化活性评价，整个过程无一不是对学生动手操作能力和科研创新能力的培养。从教学反馈来看，学生制备的催化剂种类多样、形态迥异、催化活性不佳。然而，该实验并不是为了验证某些原理或相关参数，制备出形貌规整、催化活性极佳的催化剂，而是为了给学生更多思考和创新的空间。

（四）校企联合，构建新型教学模式

环境工程专业以培养环境保护领域高级应用型人才为目标。学生须具备环境污染防治的基本技能，能够在环境保护领域一线胜任污染控制工程的设计、建设、运行、管理、规划、研发及环境评价、环境监测等方面的工作。因此，在环境工程原理课程的教学中，教师应以社会需求和培养目标为基准，加强校企联合，充分利用社会资源，增加校外课堂，依托实习基地进行现场教学，实现理论课堂和实践课堂的相互融合。例如，带领学生在郑州双桥污水处理厂和郑州马头岗污水处理厂学习微生物反应器的设计和运行机理;带领学生在郑州垃圾填埋场基地现场学习微滤、超滤及反渗透膜在渗滤液处理中应用等。教学形式和场地的转换，不仅使教学内容更加丰富，还能使学生深刻理解理论、技术和工程应用之间的融合。

（五）以学生为中心，加强学生学习的全过程考核

教师改变“教师讲，学生听”的传统教学方法，激发学生主动学习的热情，培养学生质疑的精神，以探究性的课题引导学生组织研讨;让学生理解和掌握环境工程原理特色的思维方式，训练其创新性思维。教学过程应实现考核常态化，形成过程考核，强调对学生学习目标、任务、成果等方面的阶段考核，最终实现对学生学习全过程的考核。

课堂教学之前，教师应设置贯穿独立篇章的探索性问题。这些问题为递进关系，从学生熟悉的生活现象和基本理论出发，引导学生预习教材、查阅文献、自主思考。例如，在环境工程原理的热量传递章节的教学中，先设置问题：地暖和空调安装位置为什么不同？两者传热的方式是什么？地暖和空调如何传热？哪些因素可能影响传热效能？关于问题的回答和讨论都以混合式教学的线上形式进行。通过回答问题和讨论，教师及时掌握学生对章节知识点的理解程度，并对预习结果进行评价，以调整课堂教学中重点难点的时间分配，提高课堂教学效率。这些环节的设计可以使学生积极主动地参与教学过程，提高沟通交流的能力。

探究性教学引导学生运用探究的方法进行学习，主动获取知识，从而培养学生积極探索创新的精神，提高科学探究能力。课堂教学从预习的问题出发，以探究的方式引入本章节的新知识点。课堂教学中，教师鼓励学生发言，通过师生对操作单元之间的内在联系的探讨，激发学生的探索兴趣。

为了培养学生的科研创新思维能力，教师除了可以依据课堂内容设置基础题检验学习效果，还可以开设创新设计型课题，要求学生在课余时间完成。创新设计型课题只提出研究方向和目的，没有具体的实验材料、操作步骤及相关数据等信息，学生需要查找文献，经归纳总结后制订研究方案。这一过程的考核包括基础和创新两部分。教师根据基础题的对错及研究方案的完整性和可行性分析对成绩进行评价。教学反馈的结果表明，这种教学方法实施后，部分学生学会了进一步通过实验验证研究方案的可行性。尽管得到的结论不合逻辑甚至违反了科学定理和定律，但实验无论成功还是失败，该教学方法对培养学生的学习兴趣、加深其对理论知识的理解和掌握、提高学生的科研创新能力大有裨益。目前，环境工程原理课程的考核形式仍为平时成绩与期末成绩相结合的方式。但平时成绩改为由预习与讨论、课题创新、作业和阶段测试四部分构成，平时成绩在综合成绩中的占比由原来的20%提升到50%。期末成绩占综合成绩的50%，期末考试的内容着重考察学生利用环境工程原理对环境工程中的复杂问题进行分析的能力。

通过对环境工程原理课程的教学改革，教师积极引导、支持和鼓励学生进行相关科研创新实践活动。目前，一些学生已在校级和省级大学生创新创业训练计划中取得优异成绩。

在“双一流”建设背景下，环境工程原理课程在建设一流课程方向上进行课程内容、教学方式和考核方式等方面的教学改革，不仅提高了教师的教学技能和质量，而且培养了学生的创新思维能力。

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责编：艾 和