環(huán)境工程專業(yè)一體化實踐教學(xué)體系構(gòu)建

周 振，趙曉丹，蔣路漫，胡晨燕，時鵬輝，王羅春

（上海電力大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海 201306）

實踐教學(xué)是培養(yǎng)工程實踐能力、科技創(chuàng)新能力的重要途徑[1-2]，在眾多高校中受到越來越多的重視。環(huán)境學(xué)科是由多學(xué)科相互交叉滲透而形成的一門新興綜合性、邊緣性學(xué)科，因各高校背景和涉及領(lǐng)域不同，培養(yǎng)方向存在較大差異[3]。在 “新工科” 背景下，積極探索創(chuàng)新實踐教學(xué)模式，面向行業(yè)構(gòu)建層次化、多元化、特色化的實踐教學(xué)體系，是地方工科院校環(huán)境工程專業(yè)實踐教學(xué)改革的重要任務(wù)[4-5]。隨著近些年水污染防治行動計劃的出臺，污水處理與資源化技術(shù)、廢水零排放工藝的開發(fā)與應(yīng)用受到廣泛重視。我校環(huán)境工程專業(yè)基于在電力行業(yè)水處理和污水處理方面的優(yōu)勢和特色，面向產(chǎn)業(yè)需求，充分利用校內(nèi)外教學(xué)和科研資源，把握科技創(chuàng)新方向，構(gòu)建了以水為主線的一體化實踐教學(xué)體系。該實驗教學(xué)體系在以培養(yǎng)創(chuàng)新能力和工程實踐能力為目標(biāo)、凸顯專業(yè)特色的同時，強化理論與實踐教學(xué)內(nèi)容的相關(guān)性、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的關(guān)聯(lián)性、交叉學(xué)科的融合性，注重實踐的實際操作性和科學(xué)技術(shù)性。

1 以水為主線、以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的一體化實踐教學(xué)體系

隨著我校環(huán)境工程專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，設(shè)置的實踐課程逐步增多，建設(shè)初期實踐課程相對獨立，既存在課程設(shè)置分散和教學(xué)內(nèi)容銜接度不夠的問題，又存在部分內(nèi)容僅限于重復(fù)實驗操作、缺乏創(chuàng)新設(shè)計的問題。為了解決這些問題，同時進一步強化專業(yè)特色以及工程實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，學(xué)科教學(xué)和科研團隊密切聯(lián)系國家環(huán)保政策、行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)工程實際需求，以水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測、水污染控制與資源化為主線，進行涉水實踐課程的貫通設(shè)計。從水質(zhì)特性分析到污水處理工藝，再到污水回用技術(shù)研發(fā)，將獨立的實踐課程聯(lián)系起來，構(gòu)建了以水為主線、以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的一體化實踐教學(xué)體系（見圖1）。

一體化實踐教學(xué)體系的建設(shè)以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力為目的，從基礎(chǔ)實驗到綜合訓(xùn)練，從校內(nèi)實習(xí)到校外實習(xí)，從基本操作到創(chuàng)新技術(shù)，通過優(yōu)化設(shè)計理念、工藝模型分析、數(shù)據(jù)信息反饋、計算機仿真等技術(shù)手段進行關(guān)聯(lián)與提升[6]。實踐教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計以工程應(yīng)用為核心，將案例分析、關(guān)鍵技術(shù)和實驗操作滲透于各個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。工程實例關(guān)鍵技術(shù)主要設(shè)置在綜合能力訓(xùn)練和創(chuàng)新技術(shù)實踐環(huán)節(jié)。綜合能力訓(xùn)練的實驗內(nèi)容以環(huán)境監(jiān)測實驗和電廠水質(zhì)分析為基礎(chǔ)，以工程基本技術(shù)為主體，通過軟件設(shè)計實驗方案、優(yōu)化實驗條件，培養(yǎng)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的分析能力。創(chuàng)新實驗是依托科技項目開展的以培養(yǎng)創(chuàng)新思維為主要目的的實踐環(huán)節(jié)，從實驗方案設(shè)計到實驗數(shù)據(jù)分析，再到信息反饋的模型分析，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力。工程現(xiàn)場操作主要在校內(nèi)水處理和污水處理實踐工廠完成，學(xué)生在學(xué)習(xí)現(xiàn)場設(shè)備運行操作的同時，通過工藝模型分析，結(jié)合計算機仿真，進行關(guān)鍵工藝參數(shù)實驗和操作變量分析，強化學(xué)生借助工程實驗分析實際問題的能力。此外，在水環(huán)境影響評價和水污染控制課程設(shè)計中引入實際案例和仿真軟件，進一步強化實踐環(huán)節(jié)的實際應(yīng)用性。在污水處理廠和電廠開展認識實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)，并結(jié)合校外專家的專題講座，使學(xué)生在較為充足的時間里掌握企業(yè)的生產(chǎn)工藝以及生產(chǎn)實踐經(jīng)驗。

圖1 環(huán)境工程專業(yè)一體化實踐教學(xué)體系

2 內(nèi)外結(jié)合、科教融合的實踐教學(xué)模式

內(nèi)外結(jié)合、科教融合的“1234 實踐教學(xué)模式” 是我校環(huán)境工程專業(yè)一體化實踐教學(xué)體系實施的關(guān)鍵（見圖2），即一個目標(biāo)、兩種實踐平臺、三大技術(shù)領(lǐng)域、四個教學(xué)階段。一個目標(biāo)是指，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力為目標(biāo)，將校內(nèi)與校外實踐的結(jié)合貫穿于整個實踐教學(xué)過程，通過校企技術(shù)交流、科技合作項目等方式推進科教融合，為校企合作長效機制提供保障[7]?？平倘诤线€體現(xiàn)在校內(nèi)教學(xué)團隊與科研團隊的融合。兩種實踐平臺是指，基于教學(xué)和科研的各自優(yōu)勢，建設(shè)校內(nèi)實踐平臺和校外實習(xí)基地兩種實踐平臺，為實踐教學(xué)的開展提供硬件支撐。三大技術(shù)領(lǐng)域是指，開設(shè)污水處理、給水處理和資源化技術(shù)三大水處理技術(shù)領(lǐng)域的實踐教學(xué)內(nèi)容，由淺入深，由基本操作到科技創(chuàng)新。最后，通過基礎(chǔ)型、演示型、綜合型和研究型四個階段的教學(xué)過程，達到能力培養(yǎng)目標(biāo)。

圖2 內(nèi)外結(jié)合、科教融合的 “1234 實踐教學(xué)模式”

3 師資隊伍建設(shè)

為了強化實踐教學(xué)效果，有效實施內(nèi)外結(jié)合、科教融合的實踐教學(xué)模式，加強人才交流力度，建立穩(wěn)定、高素質(zhì)的師資隊伍至關(guān)重要[4]，其中包括校內(nèi)師資隊伍和校外教學(xué)團隊兩個方面。在提高校內(nèi)教師教學(xué)、科研和實踐能力方面，首先，在校教師通過國內(nèi)外訪學(xué)，汲取先進教學(xué)理念和方法，創(chuàng)新教學(xué)模式和途徑，強化教學(xué)改革和課程建設(shè)等教學(xué)研究；其次，通過產(chǎn)學(xué)研計劃深入企業(yè)，參加企業(yè)生產(chǎn)實踐，提高解決生產(chǎn)實際問題的能力；再次，通過與企業(yè)合作科技項目，提升學(xué)術(shù)水平和科研能力，壯大“雙師型” 教師隊伍。近三年來，本專業(yè)教師完成上海市級、校級教研項目10 項，參與企業(yè)科技合作項目和重大工程技術(shù)改造項目60 項，以第一作者正式發(fā)表科研論文180 余篇，申請專利30 項，授權(quán)專利18 項。此外，專任教師中，4名教師通過了國家注冊環(huán)保工程師和注冊環(huán)評工程師考試，5 名教師參加上海市級高技能人才培養(yǎng)基地項目建設(shè)工作，“雙師型” 教師占比達65%。

在加強校外教學(xué)團隊建設(shè)方面，首先，基于校企“深層次” 合作，邀請行業(yè)專家、企業(yè)資深專家共同參與教學(xué)計劃的制定，選聘企業(yè)技術(shù)骨干、高級工程師擔(dān)任兼職教師，參與專業(yè)教學(xué)工作，聯(lián)合編制污水處理領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)培訓(xùn)教材，開展培訓(xùn)體系建設(shè)工作；此外，我校加快了國際交流合作步伐，先后與英國、美國、日本、德國等國家的多所院校簽署了長期合作協(xié)議，環(huán)境工程專業(yè)還聘請了上海市海外名師、美國加州大學(xué)教授和日本大阪大學(xué)教授作為長期合作外籍專家，請他們定期舉辦專題講座。

4 校內(nèi)實踐平臺建設(shè)與實驗課程設(shè)置

依托上海市教委重點培育學(xué)科、上海市重點培育學(xué)科和中央財政專項建設(shè)等經(jīng)費支持，我校環(huán)境工程專業(yè)根據(jù) “以水為主線、以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向” 的一體化實踐教學(xué)體系，進行了校內(nèi)實踐平臺建設(shè)（見圖2），以下對其中的四個平臺實驗室進行具體介紹。

4.1 基礎(chǔ)型專業(yè)實驗室

基礎(chǔ)型專業(yè)實驗室包括水質(zhì)分析實驗室、微生物分析實驗室和環(huán)境監(jiān)測實驗室，主要用于基礎(chǔ)型實驗項目的測定，如常規(guī)水質(zhì)分析與微生物實驗等，目的是訓(xùn)練學(xué)生的實驗操作技能。此外，教學(xué)團隊結(jié)合實際工程應(yīng)用和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制了《電廠水質(zhì)分析》等實驗教材，使實驗項目與電廠和污水處理廠監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)體系對接。學(xué)生通過分析實際水樣，并結(jié)合工程應(yīng)用中水質(zhì)指標(biāo)對生產(chǎn)和環(huán)境的影響進行解析，能夠更深入地了解不同水體以及污水的水質(zhì)特征和相關(guān)環(huán)境監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 演示型工藝平臺

演示型工藝平臺包括工藝模型、水污染控制仿真和污水處理系統(tǒng)虛擬仿真。水污染控制實驗中一些復(fù)雜的實驗內(nèi)容，如沉淀池、序批式生物反應(yīng)器（SBR）、膜-生物反應(yīng)器（MBR）等，通過虛擬仿真實驗、工藝模型或多媒體教學(xué)等形式演示出來，使學(xué)生更加直觀地了解了不同反應(yīng)器型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及污水流態(tài)，加深對水污染控制工程理論的理解，同時通過對各流程的工程分析，進行互動討論，強化案例教學(xué)[8-9]。

校內(nèi)教學(xué)和科研團隊還引入國際水質(zhì)協(xié)會推薦并經(jīng)實踐檢驗的活性污泥模型（ASM）和污水處理專業(yè)仿真軟件WEST、BioWin，以污水處理典型系統(tǒng)——AAO 工藝全流程為載體，以項目為依托開發(fā)虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)[10-11]。校外企業(yè)實習(xí)基地為虛擬仿真平臺提供污水處理工藝原型、實際運行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并通過模擬分析優(yōu)化工藝運行參數(shù)，為企業(yè)實際生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。與此同時，能夠向?qū)W生演示污水處理工藝運行流程，并通過工藝分析和動態(tài)模擬使學(xué)生掌握污水處理中的關(guān)鍵運行控制變量，包括剩余污泥排放量，污泥內(nèi)、外回流比、供氧量等，還能通過計算機仿真技術(shù)操作得到不同運行參數(shù)下污水處理廠的各項出水指標(biāo)，從而使學(xué)生深入了解污水處理過程和運行特性，為后續(xù)污水處理系統(tǒng)實訓(xùn)以及企業(yè)實習(xí)打下基礎(chǔ)。

4.3 綜合型實訓(xùn)平臺

校內(nèi)綜合型實訓(xùn)平臺包括兩大類。一是環(huán)境工程綜合能力訓(xùn)練。根據(jù)目前水污染控制和回用處理常規(guī)技術(shù)設(shè)置了8 項實驗內(nèi)容，包括沉降特性、氨氮吸附、廢水電解等。綜合能力訓(xùn)練采用以學(xué)生為主體的模式展開，要求從實驗方案設(shè)計到實施，再到數(shù)據(jù)處理及分析，全部由學(xué)生自主完成。目的是培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識和實驗技能、系統(tǒng)規(guī)范地完成具有一定深度的綜合型實驗的能力，同時訓(xùn)練學(xué)生團隊協(xié)作意識，既是基礎(chǔ)實驗的延伸，又是后續(xù)創(chuàng)新實驗的基礎(chǔ)。以火力發(fā)電廠脫硫廢水為例，學(xué)生根據(jù)前期水質(zhì)分析實驗結(jié)果了解了其水質(zhì)特點，明確了顆粒物去除是污染控制的重要目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了化學(xué)混凝實驗方案和沉降特性分析實驗方案，使學(xué)生對脫硫廢水處理工藝建立總體認識，為創(chuàng)新研究型實驗中脫硫廢水零排放處理及資源化技術(shù)開發(fā)提供相應(yīng)知識儲備。

另一類實訓(xùn)是在校內(nèi)實驗工廠進行的實操訓(xùn)練，即小型污水處理系統(tǒng)和電廠水處理系統(tǒng)實訓(xùn)。污水處理系統(tǒng)由小型沉淀池、生物池等組成，電廠水處理系統(tǒng)包括離子交換除鹽系統(tǒng)和全膜除鹽系統(tǒng)。訓(xùn)練內(nèi)容以系統(tǒng)運行操作、調(diào)試和運行監(jiān)督為主，目的是在教師指導(dǎo)下，由學(xué)生完成污水處理和水處理系統(tǒng)的運行、控制、停運、再生等過程，加強對水污染控制和水處理技術(shù)的工程應(yīng)用認識。該訓(xùn)練可作為崗前實訓(xùn)，為校外頂崗實訓(xùn)奠定基礎(chǔ)[12]。

4.4 研究型創(chuàng)新平臺

依托教師團隊的科研項目建立了校內(nèi)科創(chuàng)實驗平臺，將部分具有創(chuàng)新性、前瞻性、探索性和針對性的課題研究和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為實踐教學(xué)內(nèi)容，開設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐環(huán)節(jié)[5,13]。要求學(xué)生自主組建研究團隊，根據(jù)各自興趣和發(fā)展規(guī)劃選擇研究項目，在科創(chuàng)導(dǎo)師的指導(dǎo)下開展實驗。通過查閱文獻、設(shè)計方案、自主探究、分析實驗結(jié)果等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和創(chuàng)新意識，強化其綜合能力的提升[14]。我校學(xué)生基于污水處理及回用技術(shù)的科創(chuàng)實驗研究，在省部級大學(xué)生科創(chuàng)競賽中多次獲獎，包括 “挑戰(zhàn)杯” 上海市大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎、陳嘉庚青少年發(fā)明獎（上海）二等獎、三等獎及上海高校學(xué)生創(chuàng)造發(fā)明 “科創(chuàng)杯” 發(fā)明創(chuàng)新三等獎等。

5 校外實習(xí)基地建設(shè)

為了規(guī)范校外實踐教學(xué)，學(xué)校與多家發(fā)電企業(yè)、污水處理廠簽訂了長期合作協(xié)議，教學(xué)實習(xí)基地及實訓(xùn)內(nèi)容見表1。校外實踐環(huán)節(jié)是校內(nèi)實踐的延伸和提高，應(yīng)與校內(nèi)實踐教學(xué)相對應(yīng)，實踐內(nèi)容同樣應(yīng)由淺入深、分階段進行，從初級的認識實習(xí)到綜合型的畢業(yè)實習(xí)，從生產(chǎn)現(xiàn)場工藝模型演示到創(chuàng)新型中試實驗研究[15]。認識實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)屬于傳統(tǒng)的校外實踐項目，由于電廠和污水處理廠的特殊性，實習(xí)過程中主要通過現(xiàn)場講解，讓學(xué)生熟悉生產(chǎn)工藝流程，熟悉先進技術(shù)的實際應(yīng)用情況，掌握在線儀表使用方法以及自動化控制全過程。除了認識實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)，我校環(huán)境工程專業(yè)基于企業(yè)培訓(xùn)中心，有針對性地開設(shè)了相應(yīng)的操作訓(xùn)練實踐環(huán)節(jié)。即通過污水和污泥處理中高級工和技師培訓(xùn)，可獲得上海市污水和污泥處理領(lǐng)域技能證書，進而通過專業(yè)知識的深入學(xué)習(xí)、現(xiàn)場實踐技能培訓(xùn)和頂崗實訓(xùn)，打造雙證融通型環(huán)境工程專業(yè)復(fù)合型人才。此外，基于校企科技項目合作，在電廠和污水處理廠建成了工藝技術(shù)研發(fā)平臺和生產(chǎn)性實證基地，為學(xué)生開設(shè)研究型創(chuàng)新實驗，強化創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，為今后進行先進技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

表1 環(huán)境工程專業(yè)實習(xí)基地及實訓(xùn)內(nèi)容

6 結(jié)語

實踐教學(xué)是環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)方案的重要組成部分，是培養(yǎng)卓越工程技術(shù)人才和創(chuàng)新性復(fù)合型人才的重要途徑。我校環(huán)境工程專業(yè)在培養(yǎng)學(xué)生共性工程應(yīng)用能力的前提下，面向社會經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，根據(jù)學(xué)科發(fā)展方向，整合了校內(nèi)外實踐教學(xué)資源和科研資源，建立了以污水處理與回用為主線的一體化實踐教學(xué)體系。通過教學(xué)和科研團隊建設(shè)及實驗室和實習(xí)基地軟硬件建設(shè)，加強和改進了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，形成了內(nèi)外結(jié)合、科教融合的實踐教學(xué)體系，更好地實現(xiàn)了對我校環(huán)境工程專業(yè)學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。