环境科学与工程专业创新设计课程教学实践研究

胡 清， 王 超， 黄燕鹏， 王 宏

（南方科技大学环境科学与工程学院，广东深圳 518055）

0 引 言

早在20世纪80年代，环境保护就被立为我国的基本国策［1］。然而，进入21世纪以来，由于工业化的快速发展，我国的环境问题日益突出。习近平总书记的“绿水青山就是金山银山”“像保护眼睛一样保护生态环境”等金句时时刻刻在强调保护环境的重要性，国务院也相继颁布了《大气污染防治法》《水污染防治法》《土壤污染防治法》等重要法规。而在世界范围内，环境问题逐渐变得复杂，可持续发展对环境科学与工程学科人才提出了更高的要求［2］。近年来，中央发布了诸多相关文件，提出了要加紧培养为未来服务的高水平创新型的人才。

环境科学与工程专业，其突出特点是学科交叉，学生们在大学一年级需先学习数学、物理、化学等基础科学课程，之后需要学习污染治理相关的专业课程，例如水污染控制工程、大气污染控制工程等。此外，学生还需要完成实践课程［3］。然而，当前面临的复杂环境问题（例如气候变化、极端天气、新兴污染物、污染加剧等）和新的环境管理理念（例如源头管控的循环经济、大众环保、基于环保大数据的环境管理与监管等）对环境保护人才的要求将越来越高。在此背景下，当前国内环境科学与工程学科的教学课程设置就显得比较滞后，尤其是面向未来的环保人才培养方面，还有进一步改进的空间。为此，设置了创新模式下的环境保护人才实践教育探索模式课程，基于校内外导师联合，以解决实际污染问题为主线，通过创新的手段、集体的智慧在有限经费、有限时间内共同完成并解决实际企事业单位所设定的问题，并通过答辩的形式展现在第3方评委面前，完成最终的考核。该课程以学生团队合作为中心，通过多次头脑风暴、文献调研、动手实践培养学生的解决问题、量化思维、工程设计、视觉审美、工程实操、创造力等多项能力，凸显了讲授法、讨论法、自主学习法、探究法、任务驱动法、现场教学法等多种教学方法的综合运用，符合教学规律。实践表明，该课程具有较强的实用性，取得了良好的教学成效。

1 国内环境科学与工程专业实践课程概况

环境科学与工程专业的实践课程在国内一直备受关注，众多学者在分析问题之余尝试了改进，但是仍存在停留在原有框架之内、难以让学生学习将最新的科技应用于污染治理、学生的实际工作能力不足、理论脱离实际等问题［4-5］。在我国，环境科学与工程专业的实践课程一般可分为：认识实习、实验课程、课程设计、毕业实习、毕业论文／设计等。

1.1 认识实习

认识实习是多数环境科学与工程学生接触到的第一门专业课。课程的形式一般由带队老师带领学生前往垃圾填埋场、污水处理厂等环保单位进行认识参观，听一线的工作人员现场讲解工作流程，并在课后由学生提交认识实习报告，作为评价学习成果的依据。主要目的是给尚未系统学习专业知识的学生以直观的认识，了解环境行业的具体工作流程和方法，一方面可以激发学生的学习热情，另一方面使学生对后续专业知识的学习有初步的概念［6］。

1.2 实验课程

实验课程在环境科学与工程专业中占据重要地位，每个高校都会设置大量的学时来进行实验课程的授课。实验课程一般包括环境监测、环境化学、环境微生物等基础性实验课程，还有水污染控制工程、大气污染控制工程等专业性实验课程，帮助学生理解理论课程中提到的各种工艺的基础原理，掌握基础的环境监测技能，并提高他们的动手能力［7-8］。

1.3 课程设计

为了使学生更深入理解专业课的基础知识，同时让学生们更好地掌握就业技能，国内高校的环境科学与工程专业普遍设置了污水处理课程设计、环境影响评价课程设计等设计实践课程，为培养合格的环境工程师奠定基础［9］。课程设计要求每位同学综合自己所学的知识，根据教师给定的设计目标，通过查阅资料和思考完成图纸绘制、计算说明书的编写，最终完成污水处理厂、环境影响评价项目的设计。

1.4 毕业实习

在毕业前，环境工程专业的学生通常需要到一线生产单位进行实践学习。国内各高校对毕业实习的时长要求不太一致，一般是两周或一个月。毕业实习要求学生在这段时间内找到一家相关环保单位进行实习。实习期结束后，学生请实习单位开具实习证明，并在返校后提交实习报告或进行答辩考核［10-11］。

1.5 毕业论文／设计

毕业论文／设计是每个大学生毕业前的最后一道关卡。对于环境科学与工程专业的学生来说，他们选择通过实验探究科学，如尝试某一种新型的污水处理技术的效果；或是设计某城市的排水系统。

1.6 问题分析

上述5大类课程构成了一个相对完备的实践课体系：认识实习让学生对环境专业有了初步认识；实验课程让学生掌握了基本的实验技能；课程设计使学生更深入学习工程类技能（绘图、计算）；毕业实习让学生到一线生产单位进行实践；毕业论文／设计则让学生按照自己的兴趣或就业方向，选择课题并完成，大大提升了实践能力。

然而，这样的课程体系仍存在一些问题。首先，我们培养的环境工程师们在实际工作中需要团队合作。团队合作是工程师教育的重要组成部分［12］，而现有课程涉及团队合作的成分较少。其次，课程实践的内容比较固定、陈旧，对培养学生的创新能力不利。此外，高校的老师往往更注重科学研究，工程实践涉及较少，使得学生所做的课程设计、毕业论文等不够接地气，即使有毕业实习这一让学生走到企业前线的课程，但因存在资源短缺、考核松散等问题，不利于培养学生的职业能力［10］。最重要的是，传统的课程所教授的内容更多注重于环境污染的末端处理，难以应对当前复杂的环境问题，实际上，环境保护应当走到“源头治理”，从前端设计环节来避免环境污染的发生。国外大学早已进行了创新设计课程实践，其特点是：重实践与行业实战、课题制（项目制）、理念创新（关注可持续性、生态友好、城市友好）。结合对国外课程建设情况的调研，本文所提出的“创新设计课程”将能很好弥补国内实践课程体系现有的缺点，有利于更进一步培养学生的实际问题解决能力和创新能力。

2 创新设计课程模式构建

创新设计课程教学模式的内涵是基于校企共同以实际应用型课题为导向的联合培养，包括校企联合以解决实际问题为出发点筛选课题、学生团队参与课题、教师团队讲授指导、学生与校企导师共同头脑风暴、学生依靠团队合作不设边界解决问题进行创新设计、学生在有限时间和资金支持下完成改进与验收等教学环节。各教学环节之间的关系见图1。

图1 创新设计课程教学模式

2.1 校企联合以解决实际问题为出发点筛选课题

开课前1～2个月，任课教师联系数家相关环保企事业单位，确定联合培养学生的合作关系，并请这些单位安排1或2名经验丰富的工程师或相关专家作为校外指导老师，共同指导学生。在此基础上，由企业提供基于实际环保项目的课题，课题需紧密结合当前环保市场的需求，可以是一个迫切需要解决的环保问题（环境咨询项目），也可以是创新型环保材料研发等。汇总各企业提供的课题，教师结合学生的实际情况、课题难度、课题实施的意义、创新的可能性等多种因素选择课题，最终选定6～7个课题供学生选择。

2.2 学生团队参与课题

任课教师向同学们介绍各个课题，并请学生填报选题意愿。根据学生所填报的选题意愿（每人可选3个），结合学生成绩、特长、兴趣等众多因素，为学生进行分组，最终确定5～6个小组，每组6或7人（学生总人数为30～40人），并为每个小组配备校内指导老师，形成学生-校内导师的合作小组，该小组可直接深入社会企事业单位与校外导师进行联系，有助于学生与社会单位的深度融合，提高课题完成的质量。

需要注意的是，每个小组的人数需适量。太小的团队对突发情况的抵御力不足，容易导致任务失败；而人数众多的团队，不利于学生发挥主观能动性。研究表明，问题解决型团队的最佳人数在5～12名［13-14］。综合考虑选课的人数，并保证校企导师可以进行有效的指导，确定团队的人数为6或7人。

2.3 教师团队讲授指导

在第一堂课上，教师向学生全面介绍生态环境的国内外发展及创新应用、课程具体内容与任务、进度安排、注意事项等，并结合自身完成环境工程项目的经历向同学们展示实际的环境工程项目是如何运行的，有助于学生后续更好开展自己的“创新设计”。同时，校内外导师也会就课题背景对同学们进行指导讲解，带领同学们入门。

2.4 师生共同开展头脑风暴

第1堂课之后，每个小组需要尽快根据课题进行深入的背景调研，整理该领域的理论研究与实际应用的研究进展，挖掘可能的创新点。然后，与组内的两位导师——校内导师与企业导师，共同讨论，开展头脑风暴，明确需要解决的问题，确定创新设计边界，并确定初步的创新设计思路。

完成初步思路以后的另一个关键阶段是对潜在创新设计进行评估。而在此步骤中，明确解决方案是非常重要的。同学们需要仔细思考，比较在头脑风暴阶段开发的各种设计想法，以更好地达成既定设计目标，团队将能够更仔细、高效地利用时间及材料。因此，必须仔细研究，以决定下一阶段采取哪种方法。

导师团的指导和团队合作都是创新的重要因素，在这个过程中，学生们可以很好地锻炼自己的思维，同时，因为有导师指导，能保证不偏离原始的设计目标。在完成设计目标的同时，亦可提升创新思维与能力［15］。

2.5 团队合作不设解决问题的边界进行创新设计

评估完第1次头脑风暴确定具体的设计目标与思路后，同学们就要根据拟定的思路进行“创新设计”。由于各组的课题性质并不一样，因此，实行的途径并不一致：可先进行现场调研，或者先开始进行设备或材料的采购等。从设计理念到实现的过程一般需要10周时间（授课总时长以16个教学周计）。此外，在这个过程中需要穿插多次的头脑风暴（小组每周开会讨论），通过头脑风暴，小组不断迭代、优化设计方案，并针对遇到的困难与不足提出解决办法，建立并测试设计方案的原型，即“小版本”。

在进行创新设计的过程中，最重要的是团队合作。作为团队成员如何有效工作是每个人必须学会的基本技能。一个团队由6或7个人组成，每个人都各有优缺点，不同的个性。因此，找到最好的团队合作方式不是一件易事，但探索最佳合作方式的过程是极其宝贵的。一个成功的团队往往是多元化的团队，团队工作按时高效，成员们互相尊重并分工明确。

2.6 有限时间、有限资金支持下完成改进与验收

为了便于各小组之间互相学习、交流，帮助各小组改进、完善创新设计，同时促进校企导师对各小组的指导作用，课程中实施了周报、月报、期中汇报制度，每个小组每周要撰写周报，每月要提交月报。周报、月报要求学生们对1周／1月的工作进行总结，跟进进度，并指出当前现存的问题与可能的改进方法。期中汇报则是在第8个教学周后开展，学生们展示当前的设计进度，所有的校企导师都参与周报、月报、期中汇报的评分，并给出建设性意见，以帮助同学们更好地完成创新设计。

整个教学环节周期是16周。经过大约12周的努力，每个组基本完成了创新设计，最后的4周是改进与验收。“罗马不是一天建成的”，创新设计也不会一次就达到最好，反复地评估“产品”是创新设计过程的一个重要环节，团队应通过这个环节评估“产品”的优缺点。学生需要抓住最后4周进行改进与评估，确保所设计的产品或方案确实能解决实际问题，这也是创新设计的最终目标。

完成创新设计后，各小组还需撰写对应的产品说明书或设计计算书等（统称为项目结题报告）。在学期末，将邀请各个企业代表、校企导师共同参与创新设计评审，为“项目”召开“验收会议”，作为考核的重要依据（50%）（见图2）。考核的其他要素还包括：月报／周报按时提交与质量（20%）、期中汇报（10%）、组员互评（10%）、预算执行（10%）。这些考核的指标在课程开始时向学生说明，以调动学生们的学习热情，提高教学效果［16］。

图2 “创新设计课程”考核模式

3 创新设计课程教学实践总结

3.1 课程实践成效

课程在2017～2019年已开展了3年，取得了良好的成果。学生与校企导师组成的团队共计完成了16个创新设计项目（见表1），解决了诸多亟待解决的实际环境问题，包括深圳市某污水厂总磷超标原因分析与应对策略、某湿地公园生态环境提升、基于模拟的污水处理厂提标改造、危险废物处理市场与创新技术调研报告、环保数据实时传输APP制作等。这些创新设计得到了合作企业的一致好评，为企业带来了实在的经济效益，并促进了深圳市生态环境质量的提升，其中一些成果可推广应用。

表1 学生在2017～2019年间已完成的创新设计课题列表

同时，创新设计课程有助于培养学生的表达能力、时间管理能力、团队合作能力、解决实际环境问题能力、充分调用资源能力等。笔者以走访、座谈的形式对参与课程的学生进行了调查，参与课程的学生普遍认为，在修读该课程后，他们在处理实际环境问题时的思维和动手能力都有显著的进步。此外，与企业的交流、接触使得他们了解了环保领域的企业或机构在运营、管理项目和解决问题方面的操作流程及经验，这对同学们的创业、就业有重要的启发和指导意义。

3.2 课程优缺点分析与未来改进空间

创新设计课程具有如下优点：

(1)学生参与度提高。创新设计课程以学生为主体，有效提高了学生的课程参与度。在整个课程过程中，学生用创新的思维方式占据课堂主导地位，导师起辅助、把关作用，这样的氛围有效地提高了学生的课程参与度。尤其是每周同学们进行的头脑风暴，充分调动了同学们的积极性。

(2)学生对大学4年所学知识深化理解。创新设计不是完全推翻旧的理论知识，而是要求同学们基于自己的专业知识，辅以前沿创新科技或理念，来完成创新设计，这对同学们进一步理解自己的专业理论知识有极大的提升作用。

(3)学生创新、实践能力得到磨炼。创新设计课程有助于提高学生的创新能力和实践能力，并培养了学生利用创新解决实际问题的能力。通过自主完成创新设计，同学们提高了实践能力，而团队合作、思维碰撞也提高了同学们的创新能力。

(4)学生团队合作能力得到提升。创新设计课程使学生学会在团队中工作，对团队合作有充分理解。这对合格工程师的培养至关重要。

(5)可接触前沿应用课题。学生同企业充分接触，有助于学生了解当前业界前沿与未来的技术发展趋势。

(6)促进产学研合作。创新设计课程促进了高校、企业与科研机构的产学研合作，有利于高校向业界输送高质量的人才。

通过创新设计课程的实践，深深感到在今后的教学活动中应关注以下两点：①企业资源的筛选。教师需要在前期做大量的工作，先是找到有合作意向的企业，并达成联合培养学生的意向。然后需要针对学生的特点与兴趣进行课题筛选，这需要授课老师耗费大量的时间与精力；②课题难易的差异。尽管已经对课题进行了筛选，但由于实际环境问题的复杂性、多样性，难免存在难度不一的课题，这给教师如何充分调动学生积极性带来一定挑战。

在下列两方面仍存在改进的空间：①与企业长期保持合作。基于现有的合作企业，选取其中几家优秀的进行长期合作，这样未来可以提高合作的效率，而且随着学生们完成的创新设计项目越来越多，企业对高校人才的培养模式满意度越来越高，对未来进一步提高课题的质量有很大的意义。但企业的类型也需要不断变化，以便让学生接触各种类型的课题；②改革考核制度。对于不同难度的课题，当难度差异达到一定水平后，应实行灵活评价制度。举个例子，对于一些前期推进较慢的课题，比如利用模型进行模拟分析这一类的课题，可适当降低期中汇报的要求，以鼓励学生并充分调动学生积极性完成创新设计。

4 结 语

大学四年级是衔接在校教育与职场的重要阶段，在大学四年级强化实践课程教学具有深远意义。针对环境科学与工程学科现有实践课程的不足，提出“创新设计课程”教学模式，并以我校2017～2019届环境科学与工程学生为研究对象进行了教学实践。实践结果证明，创新设计课程起到了实效，不仅提高了学生的课堂参与度和学生团队合作的能力，同时充分锻炼学生利用创新思维解决实际环境问题的能力。

当前，该课程尚存在企业资源配对、课题难度存在差异等不足，未来需要进一步深化与企业的长期合作，探究校企导师的指导程度对学生创新能力、团队合作、解决实际环境问题能力等多种能力的提升作用，并对课程考核制度进行探索，以达到更好的教学效果，培养更加优秀的、面向未来的环保人才。