新工科背景下应用型本科环境工程实验课程改革探究

蔡玮，程浩淼，朱腾义

（扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州）

近年来，随着我国“互联网+”等战略的提出，以新技术、新模式、新产业和新业态为代表的环境新经济蓬勃发展，对环境工程教育的改革和发展提出了新的挑战。“新工科”建设的提出积极回应了这一挑战。在环境经济牵引的新工科道路的探索中，高校环境工程专业人才被赋予更高的期待。社会对环境专业人才要求的变化使得教师学者们不断对环境工程课程设置、教育模式、授课方法等提出创新与改进策略，然而环境工程实验教学作为应用型本科教学过程的关键部分，其创新与改革仍没有引起重视。本科教育以教学为主，应用型本科更应注重实验实践教学环节。在“新工科”建设的背景之下，环境工程实验教学的改革势在必行，迫切需要以培养应用型人才为目标而对实验内容与教学模式进行重新规划与设计。本研究通过对当前高校环境工程实验教学现状与存在问题的分析，探讨基于OBE（outcome based education）成果导向教育理念结合新兴VR（Virtual Reality）虚拟现实技术提高实验教学效果的措施，以期进一步改进并完善环境工程实验课程教学体系，激发学生自主学习的积极性与创造性，提升学生应对行业需求的综合实践能力，为培养环境工程应用型本科人才提供参考。

一 环境工程实验教学现状分析

环境工程实验课程是环境科学与工程专业环境工程类实践课程，将“水污染控制工程”“环境微生物学”“环境化学”“大气污染控制工程”等重要环境类课程有机联系在一起，是培养学生动手能力、创新能力和实践能力的一门基础课程，也是环境科学与工程专业学生将理论与现实相连接的渠道。虽然当前越来越多的高校意识到实验教学的重要性，提高了环境试验课程的学分，增加了实验教学比重，但仍存在一些客观问题，导致应用型不强。

（一）实验内容的滞后性

虽然在当前新工科背景下环境科学与工程专业教学不断发展，但环境工程实验更新缓慢，内容陈旧，多为验证性实验而缺乏拓展性，更有甚者与其他学科如化学或流体力学相重复，因此教学设计并不合理。同时，环境工程实验应涉及大气污染控制工程、水污染控制工程及固体废弃物资源化中常见的实验，然而目前很多高校主要开设了水污染相关实验，而对其他关注较少，对综合性实验的开设更是匮乏。此外，为防患实验室安全事故和保障学生人身安全，高校实验室安全管理系统对实验内容有严格的限制，很多实验无法切身进行，限制了学生的综合实验能力与创造性思维。

（二）教学方式的单一性

虽然传统实验教学方式方法不断在改善，但其实质仍是以“教”为主导，填鸭式教学方式成为理论部分的主要讲解方式。教师有时更注重知识点的解析而忽略学生的理解，因此在此过程中，学生的创新思维和独自思考能力依然缺失。同时，部分实验由于缺乏相应客观条件，学生只能通过观看教师演示进行学习，并无实际操作演练的机会，继而降低了自主学习的积极性与实际操作的动手能力，导致无法掌握相关专业技能。

（三）教学条件的局限性

目前，各高校在实验教学中的教学条件还有待改善。首先，实验课程教师普遍具备较好的理论知识基础较好而缺乏专业综合实践能力，无法很好地结合工程生产指导学生技能学习。同时，高校环境工程专业实验课程的软件与硬件配置还不完善，使得实验教学脱离环境工程的实际运行背景，与应用型高校人才的培养目标相背离，主要表现在以下两点：第一，实验场地无法满足环境工程综合实验的要求。由于环境工程实验涉及很多实际工程中的技术实验，具有交叉性和综合性强的特点，因此对实验场地要求较高，而一些高校由于实验场地的限制而无法单独开展综合实验；第二，仪器设备无法满足学生实践要求。在很多环境类实验中，学生们往往几人共享一台仪器或者合作完成实验，因此对实验流程、仪器原理等不能全面了解。高校的一些大型仪器或者精密仪器，由于价格昂贵且数量稀少，并不会在环境工程实验课程中安排相关涉及的实验，学生只能通过书本或其他媒体了解其原理、使用方法及操作注意事项。因此在后期进入相关工作单位时，学生无法胜任有关工作，单位必须投入部分人力物力对新员工进行岗前培训。这在一定程度上降低了环境工程专业本科人才的市场竞争力，使得单位宁愿选择有基础有实践经历的其他人员。

二 提高实验教学的改进意见

“新工科”建设要求高校需要有针对性地根据行业领域要求培养“适销对路”的应用型人才。因此OBE教育理念，又称成果导向教育、能力导向教育或者需求导向教育，十分符合当前应用型人才的培养要求。当前，OBE 已成为很多发达国家教育改革的主导教育理念，特别对于工程教育更加具有意义。教育需要凭借科学的技术手段来实施。VR 虚拟现实技术，主要通过控制计算机图形系统为使用者提供沉浸式三维虚拟环境，进行实际操作模拟。通过数十年的发展，VR 技术已进入到高速发展推广时期。随着VR 技术的低成本化，越来越多的行业引进此技术进行行业革新。在教育改革之路中，VR 技术也逐渐开始渗透。在环境工程实验中，基于OBE 理念借助VR 技术进行教学改革，可以缓解上述相关问题，对新工科背景下应用型环境工程人才的培养具有十分重要的推进作用。

（一）优化实验内容，更新教育理念

OBE 成果导向教育以培养学生获得知识后所具有的实践能力和应用能力为目标，因此在实验内容的设计上必须要遵循能力本位的教育理念，以使得学生在就业中具备较强的市场竞争力。利用“工程应用—基础知识—实验设计”的逆向教学模式，首先分析污水处理厂、自来水厂、环保企业实际生产过程的工程应用项目，引入需要解决的工程问题，有针对性的筛选符合工程能力培养需要的实验内容，替代原有无实际操作应用价值的实验内容，通过向学生传授与之相关的基础知识，训练学生利用相关知识进行实验操作并进行科学分析，提升实验内容的拓展性、综合性和应用性，与应用型人才的培养目标相契合。

（二）改进教学方式，完善课程结构

为培养应用型环境工程本科人才，需要从教师教的方式及学生学的方式两方面进行改革。首先，教师在实验教学中必须起着积极的引导作用。适当削减理论课学习的内容而筛选重点知识点进行介绍，与此同时增加工程案例的讲解，使得学生对环境工程生产过程有直观的了解。在课堂讲授中，教师可以首先介绍本实验的工程应用背景，传输与之相关的实际生产现场知识，随后引导学生科学探究的能力，通过提问与提示的方式循循善诱，逐步锻炼学生分析问题解决问题的能力。另一方面，随着课程信息量的增加，传统教学方式需要结合新兴科学技术，才能实现教学效果的提升。因此在结合“以学生为本”和OBE 成果导向这两个教学理念的基础上，除了在课堂教学中融合多媒体信息化教学形式之外，还可以引入新兴VR 虚拟现实技术，将现实中污水处理厂、自来水厂等环境中真实的工程运行过程展示在学生面前，进行沉浸式工程体验，使学生对整个工艺状况可以有全方位的了解。同时，学生可以运用VR 技术对相关涉及实验进行仿真模拟练习，并进行大型精密仪器的仿真模拟操作，保证每个学生都有亲手实践的机会，大大提高学生的综合实践能力并激发出学生自主学习的积极性。

（三）改善教学条件，提升教学效果

首先，实验教师需要根据当前环境工程发展现状进行专业领域知识的更新，紧密跟随环境类工程单位对人才的培养需求，既能针对性地讲授学科专业知识，又能结合工程生产指导技能学习，成为具备专业综合素质的“双师型”教师，继而可以游刃有余地培养新工科专业人才。第二，构建超时空虚拟实验平台。通过引进新兴VR 技术装置，建立VR 工程实验机房，设计VR 实训软件，构建超时空虚拟现实的环境工程仿真运行环境，建立针对应用型人才培养的虚拟工程训练平台，形成围绕VR 技术的环境工程专业产、学、研、用相融合的创新体系，使得学生通过云平台可以随时进行各项大小型实验操作训练，包括原来处于安全性考虑而没有纳入实验课程学习的技术也同样可以得到训练，并可重复进行。通过基于VR 技术的实践操作，不仅可以突破场地、仪器设备及其他客观条件的限制，同时也可以保证学生人身安全，并满足“新工科”背景下环境产业相关企事业单位对毕业生无缝对接到工作岗位的要求。

三 结语

在建设“新工科”的背景下，培养具备专业基础知识与工程实践能力的应用型本科环境工程人才已成为工程教育界一致的共识，因此环境工程实验教学的改革势在必行。通过在环境工程实验课程建设中引入OBE 成果导向教学理念和VR 超时空虚拟仿真实验平台，可以开发学生自主学习的积极性与创造性，增强学生的综合实践能力和职业能力，以期为培养合格的环境工程人才提供参考。