环境工程原理课程建设的思考

陈坦 张冰 金军 刘颖 杨婷

［摘 要］环境工程原理课程重点介绍污染控制工程的主要工藝和设施的共性原理，以“模型概化→数学刻画→真实情况还原”为重要思考方式，利用微分和积分工具描述微观和宏观过程。教研团队在教学过程中发现，环境科学与工程专业的师生对环境工程原理课程尚有一些疑惑，如教师不清楚本课程与环境工程学等其他专业课的关系、学生不易掌握课程学习方法等。文章从存在的问题与课程定位、课程的衔接、课程实践环节的设计、授课过程中其他需要注意的问题等方面探讨环境工程原理课程的建设思路，有利于进一步提高课程的教学质量。

［关键词］环境工程原理课程；课程建设；环境科学与工程专业；课程实践

［中图分类号］ G642.3；X506 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）03-0025-03

当前，我国生态文明建设已取得了巨大成就，“绿水青山就是金山银山”的理念逐渐深入人心，环境保护事业的蓬勃发展也对环境科学与工程专业的人才培养提出了更高要求[1-3]。环境工程原理课程（以下简称本课程）是环境科学与工程专业的重要专业基础课，以机制、原理的讨论为主线，介绍水处理、大气污染控制、固体废物处理处置等污染控制工程的主要工艺和设施中的共性原理[4]。明确环境工程原理课程的定位，进一步改善课程的教学效果，对保证环境科学与工程专业人才的培养质量具有重要意义。本文从存在的问题与课程定位、课程的衔接、课程实践环节的设计、授课过程中其他需要注意的问题等方面探讨本课程的建设思路。

一、存在的问题与课程定位

本课程主要讨论以下内容：（1）质量衡算、能量衡算；（2）质量传递、热量传递、动量传递；（3）沉降、过滤、吸收、吸附等环境工程常用分离过程的原理；（4）均相化学反应器、非均相化学反应器和微生物反应器等反应工程原理。本课程以“模型概化→数学刻画→真实情况还原”为重要思考方式，即去掉次要影响因素，将复杂的环境问题简化为模型，当宏观问题无法被均质化看待时还应将其剖分成均质的微观问题，再通过数学方法描述、求解、优化，继而考虑各因素和各部分对模型的影响与修正。这样的思考方式需借助微分和积分工具描述微观和宏观过程。

目前在授课中主要存在3个层面的问题：第一，学生层面。课程性质和内容决定了课程难度大、公式复杂、计算量大，学生在学习时有一定的抵触情绪，遇到难点也容易选择放弃。同时，由于本课程在水处理工程、大气污染控制工程等专业方向课之前开设，授课时学生不了解具体工艺、设施的特点及实践意义，由此增加了学习的难度，部分学生会质疑课程开设的意义。第二，教师层面。部分专业教师不了解本课程的主要内容和特点，往往容易和环境工程学等课程混淆，也不理解本课程与水处理工程、大气污染控制工程等后续专业方向课程的相关性，甚至出现在制订培养方案时取消本课程或将本课程设置于上述专业方向课程之后的情况。第三，培养体系层面。本课程的讲授以理论分析、介绍为主，要想达到理想的教学效果，需要实验、实习等实践类课程配合，也需要开设先修课程，后续课程应用本课程的基本原理去分析、解决实际问题。这既是本课程与培养体系关系的问题，事实上也是关系到整个培养方案设计和培养模式落实的问题。

解决上述问题的关键，在于梳理清楚本课程的定位，全面加强课程的建设，持续提高教学质量。本课程在环境科学与工程专业的人才培养过程中，对专业认同等的提升具有重要作用，是培养学生从具备基本的理工科素质向具有一定广度和深度的专业技能过渡的枢纽。从知识体系构建层次的横向角度看，环境工程原理课程与环境微生物学、环境监测、环境化学等课程共同起到了引导学生由具备理工科思维向环境科学与工程专业知识体系构建的过渡作用。从课程组培养能力的纵向角度看，环境工程原理的选修顺序一般处于居中位置，如环境工程专业水处理方向的选修顺序为环境微生物学→环境工程原理→水处理工程→污水厌氧处理技术进展；环境科学专业污染治理技术方向的课程选修顺序可为水力学→环境工程原理→环境工程学→其他环境工程专业方向课。环境工程原理课程承担着本专业学生工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究和使用现代工具等方面能力的培养任务。

二、课程的衔接

梳理本课程与其他课程的区别与联系，做好课程间的配合与衔接，是环境工程原理课程在培养过程发挥枢纽作用的关键之一。明确了课程定位就确定了课程在培养体系中应该发挥的作用，解决授课中存在问题的重点就转化为如何处理课程间的重复内容问题。本课程与部分课程重复的内容如表1、表2所示。与先修课程相比，本课程更注重面向应用，而与后续课程相比，更倾向于更多复杂因素的机理分析和公式构建。课程的任务和重点不同，相同内容的介绍侧重点也不同，加强课程的衔接，能让学生从不同的层面去学习知识，加深对知识的理解。

讲解侧重点 量纲、无量纲准数 水力学 引出判定流态类型的雷诺数 利用量纲分析特定参数的单位，为介绍雷诺数、努塞尔特数、普兰德数等无量纲准数做铺垫 焓 物理化学 描述物质的能量状态 衡算系统能量的变化 流体流动 水力学 描述流体流动状态和能量损失 分析传动量的机理，为传质和传热的控制提供理论基础 吸附 物理化学 描述物质吸附过程的作用力规律，主要考虑静态吸附 剖析吸附过程的物理和化学作用过程，以静态吸附为基础、以吸附反应器为背景介绍动态吸附知识点 环境化学 描述污染物和环境介质间的行为 反应动力学 物理化学 描述化学反应的速率和微观机理 面向质量衡算描述反应生成或降解物质的规律 微生物的生长特征和Monod方程 环境微生物学 介绍微生物的生长特点和影响因素 面向生化反应器速率控制描述各因素对微生物反应的影响 ]

讲解侧重点 沉降 水处理工程 计算沉淀池的尺寸和效率 分析沉降的机理，建立数学描述方法 吸收、吸附 大气污染控制工程 计算烟气处理设施的尺寸和药剂用量 建立静态—动态分离过程数学描述方法 离子交换 水处理工程 介绍工程应用情况和重要工艺参数计算 分析其中的微观机理，建立数学表达方式 ]

三、课程实践环节的设计

本课程承担培养学生工程观念、创新能力、动手能力和解决工程实际问题能力的任务[5]，实验、实习等实践类教学环节是本课程的重要组成部分。从培养过程的整体性角度考虑，可组织构建衔接更紧密的理论—实践课程组，既能让环境工程原理理论课有实践依托，也能增加实践类课程的理论深度，同时改善授课效果。

实验方面。开设和课程理论讲解配套的实验课程，目前主要依托化工原理实验课程开设，包括吸附等温线的测定、反应动力学方程的测算、流体阻力的测定、离心泵性能曲线的测定和传热系数的测定等内容。课程配套实验可分为验证性实验和开放探索型实验，覆盖课程的重要知识点。验证性实验包括：（1）流体流态和雷诺数的测定；（2）流体流速与尾流的生成实验；（3）传热系数的测定；（4）扩散系数的测定；（5）颗粒沉降速率的测定；（6）沉淀过程水头阻力损失的测定；（7）均相化学反应动力学方程的测定；（8）非均相化学反应本征反应动力学方程的测定。开放探索型实验包括：（1）流量计的误差与修正实验；（2）吸收/吸附的动态模拟和影响因素分析；（3）微生物生长和微生物反应动力学方程的测定。开设上述实验不仅需要任课教师投入大量精力，还需要配套基本硬件设施，更需要考虑如何组合优化课程以帮助学生建立知识体系。

实习方面。可充分整合认识实习、生产实习、毕业实习和相关专业课程的学习等，既注重不同层面实习实践的侧重点差异，又注意在实习实践中融入以环境工程原理为主导的专业基础理论课程，增强学生理论深度，防止实习实践形式化。如要求学生在实习实践前做好必要的预习，复习工艺设施的相关原理知识；运用线上线下混合教学模式，将线上视频讲解和线下实地参观相结合，让学生带着诸如“原理如何应用于工程中”等问题去参观。

四、授课过程中其他需要注意的问题

第一，课程思政元素的挖掘。传统理工科课程需要解决课程思政和专业结合难、缺乏实践支撑等问题[6]。环境工程原理课程在挖掘思政元素并将其融入课堂教学的过程中，需要做到潜移默化、润物无声，做到课程知识讲授过程的自然流露。教师可深入分析课程中蕴含的思政元素，如科学家故事、我国环境保护的成就、工程思维方式和工程伦理等，使得专业知识讲授和思政教学融合。课程组在实践教学过程中可设置融入专业考评的思政元素考查点，关注学生独立解决问题的能力、团结协作的意识和克服困难的精神。

第二，适当增加对社会需求和社会关注问题的讨论，提高课程的时效性[7]，营造学以致用的氛围。环境保护工作既受环境政策的指引，也在一定程度上反映出环境政策是否落实到位。跟踪社会需求和社会关注问题，有利于学生掌握环境保护工作的发展动向和重点，有利于引导学生建立专业信心，有利于课程知识结构和素材“不落伍”，始终面对当下的环境问题，适应当下社会对环境的需求。事实上，及时了解环境政策的导向，不仅有利于提高课程建设质量，而且有助于激发学生学习兴趣，还有益于教师个人成长、专业和学科发展。

第三，合理使用各种教学手段，以适应讲授内容、收到良好效果为标准。合理地使用现代化教学工具可在一定程度上提高课程的教学效果，调动学生学习的积极性，教学工具并不是越新、视觉冲击力越强就越好，而是应该与讲授的内容匹配。如讲解公式时，推导的过程往往适合板书，方便学生按照教师的思路书写、思考，也利于教师在演示时省略次要因素等推导过程，这样的授课方式往往速度较慢，但可拓宽授课深度，可使师生互动更深入。再如，讲解典型设备的运行时，与只用静态图片讲解相比，借助设备三维动态结构图和运行视频讲解的教学效果更好。

第四，引导学生认识本课程的特点，逐渐建立适合自己的课程学习方法。学生在了解本课程的性质、内容和意义后，会逐渐调整心理预期，这就需要教师把绪论讲深讲透，带给学生信心和兴趣。大学和中学的学习方式有很大区别，中学学习往往以具体的习题训练为载体，大学学习却常常注重对知识本身的理解和记忆。在习题讲解、作业布置与讲评等环节，应以对知识的理解为重点，讲解知识的来源、简化方式和适用条件，习题的解答过程相当于一般式的具体化。本课程的学习依赖微分和积分知识，重在培养学生对工程实际问题的分析和提出解决思路的能力，对学生思维方式的构建意义远大于解决具体的习题。

五、结语

环境工程原理课程在环境科学与工程专业的本科人才培养方案中具有重要的作用，主要阐述污染控制工程中的共性原理，利用微分和积分工具从微观—宏观分析结合的角度开展数学描述。梳理本课程与其他课程的关系，做好课程间的衔接，能更好地发挥环境工程原理课程在人才培养过程中的枢纽作用；同时应在课程实践环节的设计、课程思政元素的挖掘、社会需求和社会关注问题融入、多种教学手段结合、学生学习方法引导等方面不断加强课程建设，以进一步提高课程的教学质量。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 陈坦，金军，王英，等.民族院校环境工程专业的建设特色与培养方案调整初探[J].教育教学论坛，2019（31）：119-123.

[2] 陳坦，金军，王英，等.民族地区环保工程新型人才培养方式改革的设想[C]//新时代高校环境教学改革与创新研讨会组委会.新时代高校环境教学改革与创新研讨会论文集（2019）.北京：高等教育出版社，2020：317-321.

[3] 陈坦，金军，王佩，等.民族院校环境工程专业学生的就业意向浅析[J].教育教学论坛，2020（43）：101-103.

[4] 侯彬，卢静，王海芳.《环境工程原理》课程教学体系的改革与优化[J].教育教学论坛，2019（11）：94-95.

[5] 周远松，唐晓龙，高凤雨，等.矿冶背景下环境工程原理实验教学体系建设[J].大学教育，2020（3）：20-23.

[6] 夏嵩，王艺霖，肖平，等.土木工程专业教育中工程伦理因素的融入：“课程思政”的新形式[J].高等工程教育研究，2020（1）：172-176.

[7] 陆永生，黄鑫，许云峰，等.环境工程原理示范课程建设的实践探索[J].大学教育，2018（10）：43-45.

［责任编辑：苏祎颖］