基于国际科考的环境专业实践教学探索与实践

李 梅，蒋丽娟，顾雪元，季 荣，周 庆

（南京大学环境学院，环境科学与工程国家级实验教学示范中心（南京大学），南京 210023）

0 引 言

目前，环境问题日益全球化，而建设美丽中国始终是我们的追求目标。如何培养具备国际化视野、突出创新思维、卓越实践能力和多学科交叉的环境类新工科复合型人才，是对深化环境专业本科人才培养体系改革和发展提出的又一大挑战。2021 年4 月，习近平考察清华大学时强调，要打破学科专业壁垒，推进新工科、新医科、新农科、新文科建设，加快培养紧缺人才；要加强国际交流合作，主动搭建中外教育文化友好交往的合作平台，共同应对全球性挑战。在新工科背景下坚持多学科交叉和开放合作的实践教学模式，是环境专业创新型人才培养的新要求［1-2］。

1 环境学科的国际化实践教学改革

国际化实践教学模式作为人才培养体系的关键环节，可发挥培养学生实践能力、提升学生创新思维、拓展学生国际视野等多重作用［3-4］，是我校在新时期坚持实践教学、全面育人的重要载体。我校环境学院多年来坚持从院系特色出发，依托全球优质教育资源，积极创造条件，为学生提供参与专业实践、接受引导性科研训练的机会［5-6］。结合学科特点，学院于2019 年首次开展“莱茵河流域生态环境国际科考与科研训练”项目，以国际科考为平台，开展综合性、跨学科、研究性的科研训练，为学生创造融入国内外一流教研机构、公共组织和实践平台的学习机会，营造开放、自主的成长氛围；同时，这也为培养以创新实践能力为导向的专业、跨界和综合型新工科人才提供了丰厚土壤。

2 以学科交叉为特色的项目知识结构设计

莱茵河全长1 230 km，流经6 个国家，流域面积22 万km2，流域人口6 100 万。作为欧洲的“父亲河”，其流域管理作为成功案例对全球流域治理意义深远，是开展教学和创新研究的天然实验室［7］。我校依托与莱茵河沿线国家高校的良好交流合作基础，设立了“莱茵河流域生态环境科考与国际训练项目”，为学生们提供科研训练和实践的国际化平台。科考项目主要面向我校环境学院已完成环境专业基础课程及环境化学实验和污染生态学实验等实验课程的本科二、三年级学生，帮助他们在具备理论知识储备和实验技能基础上，整合提高已有知识能力，尽早参与到国际化的科研实践训练中去。

为提升环境专业学生的综合素质，实践项目融合环境、水文、化学、管理等多学科专业内容，为学生提供交叉复合型知识。项目制订了科考指导手册，内容包括莱茵河地理基本情况、水文特征和水生种群分布、环境保护和污染控制政策、水质监测和污染处理方法等，据此各专业小组完成选题、汇报和修改定稿，使科考更具目的性。带着明确目标出发，将更有利于学生在科考中主动发现问题、探索问题。科考期间，及时更新日志及推文，每日汇总实地考察数据并讨论，记录科考情况并动态调整进度安排；科考结束后，以小组形式高质量完成项目成果的总结和汇报，制作视频并汇编手册，为后续的科考接力留下珍贵资料（见图1）。

图1 2019年暑期莱茵河流域科考方案

3 以沉浸式体验为手段的实践资源供给

科考团于2019 年4 月由3 位老师、21 名本科生和1 名“飞越计划”选拔的中学生正式组成，并邀请瑞士西北应用科学与艺术大学（University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland，FHNW）生态创业研究所所长Philippe Corvini教授和德国利奥波第那（Leopoldina）国家科学院院士、康斯坦茨大学（Konstanz University）Bernhard Schink教授牵头参与指导。除本专业主力军外，科考团还包括了与环境领域密切相关的地球科学与工程学院、地理与海洋科学学院、生命科学学院、化学化工学院的多名本科生。队员具备了理、工、文多学科交叉背景与视野，既能独立开展工作，又可实现多学科背景的团队合作。出发前，团队已接受了全面的知识培训和技能强化，包括相关仪器设备使用培训、野外实地考察培训等，并在对长江入江口及其下游九乡河实地水样采集和水质检测分析实践活动中得以磨合，实现了优化分工、改进方案、提升效率的目标。

科考项目在莱茵河流域设计了20 多个生态环境考察点位（见图2），覆盖从上游到下游全流域，为学生提供了“沉浸式”考察莱茵河全流域生态环境的机会。自上游康斯坦茨（Konstanz）出发，途径巴塞尔（Basel）、路德维希港（Ludwigshafen）、美茵茨（Mainz）、科布伦茨（Koblenz）、科隆（Köln）、杜塞尔多夫（Düsseldorf）、杜伊斯堡（Duisburg）和艾默里奇（Emmerich）等地，团队在15 天内跨越了3 个国家11个城市，历经600 余km，采集预设点位的水体、生物和底泥样品。不仅在现场测定了pH 值、氮、磷、生化需氧量、透明度和浊度等水质基础指标，还在康斯坦茨大学实验室观察了水样中微生物形态、密度等生物指标，并在FHNW 大学实验室采用电感耦合等离子体质谱仪分析了水样中重金属含量。同时科考团还考察了多个研究机构，并实地参观了多处现场，如位于德国、法国和瑞士3 国交界的莱茵河水质监测站，基于土地处理法（过滤后的莱茵河水周期性注入森林地表，二次处理后作为地下水补充）的饮用水处理厂，集生活污水、工业废水处理和污泥焚烧于一体的ProRheno AG污水处理厂（https：／ ／www.prorheno.ch／home），以及配备有远程监测控制系统的ARA Birs 污水处理厂（http：／ ／www.aib.bl.ch／）等（见图3）。科考团队教师引导学生通过10 年监测数据来对比长江和莱茵河的水质变化趋势，并通过开展莱茵河流域和长江流域的比较研究，探讨了两者在污水处理技术与理念方面的差异，梳理总结了西欧环境治理经验及其对我国重点流域治理的启示。学生们在激烈的讨论中，结合欧洲“父亲河”莱茵河与我国“母亲河”长江相关的流域知识，从两者的水质水文情况、环境管理政策、水体处理工艺等方面进行比较，在理清莱茵河流域污染与治理历程的基础上，逐渐认识到流域内不同国家通力合作开展环境治理的重要性，进一步巩固和验证了水环境污染治理的理论知识，在此基础上对长江流域的环境治理进行了深入思考。

图2 2019年暑期莱茵河科考路线图

图3 参观污水处理厂

4 面向学科前沿的国际学术交流与培训

科考参与者需要具备一定的国际视野，以理解和尊重世界不同文化的差异性和多样性［8］。面向世界培养具有广阔国际视角、人类命运共同体环境治理格局的人才，是我国未来深入参与国际交流的关键［9］。为了让学生充分了解环境领域的国际发展趋势与研究热点，科考项目还组织策划了对瑞士FHNW 大学、德国康斯坦茨大学、科隆大学生物中心（Biocentre，University Köln）及亚琛工业大学（RWTH Aachen University）等5 所知名学府的参观考察，并邀请相关领域专家学者进行6 场学术讲座（见图4），为学生提供了环境领域国际研究前沿知识培训。

图4 聆听专家讲座

国内外学者之间的积极互动是使相关学术活动和学术研究活跃的重要因素和必要条件。国际科考可以作为学术深度合作的铺垫和过渡，而国际化的语言表达能力和跨国界的高效沟通能力，对获取考察区域科研部门的支持和自身的科考收益至关重要，是推动科学考察顺利进行的基础［10］。为此，整个科考团队在出发前组织学习了大量的专业相关词汇和语法，以应对国外科考中可能遇到的问题。考虑到语言是未来科学考察和研究工作开展过程中的关键问题，因而在莱茵河科考全程皆要求队员以英文进行日常交流，覆盖团队内部沟通、定期数据汇报、想法碰撞以及科学研究的整个过程。这不仅有效破解了语言障碍问题，学生的国际交流水平也得到了极大的提升。在与外籍教授的交流过程中，学生们对答如流，也常令教授们竖起拇指赞叹。

在康斯坦茨期间，Schink 教授热情地介绍了当地的博登湖（Lake Constance）在1960 代曾面临过的水华危机。由于生活污水、农业污水和工业废水的大量排放，及当地养殖业的快速发展，湖中营养元素比例不协调，磷元素比例过高，最终导致蓝藻迅速爆发。不仅遮挡了照射进湖中的光线，消耗了大量湖中氧气，还释放出有毒物质，种种恶化使博登湖无法作为饮用水源供给，甚至无法作为旅游景点供游客参观。在此背景下，德国、瑞士和奥地利3 国针对该区域联合立法，当地民众积极配合。最终，在多方共同努力下，博登湖水中的磷含量降低到了10 μg／L以下，水华得到了有效治理，博登湖的生态价值也恢复如初。课堂上，学生们针对水体氮磷污染何者主导水华危机等问题与Schink 教授展开了高效而热烈的讨论；还登上科考船在Schink教授指导下对博登湖不同深度水体与底泥采样和比较，并在康斯坦茨大学微生物实验室观察了样品中的浮游生物（见图5）。

图5 跟随科考船在博登湖生态考察

5 应对疫情与“云科考”

突如其来的新冠疫情打乱了高校正常课堂教学，也打乱了后续的科考活动，因而如何有效开展基于线上实践教学的国际科考活动成为疫情期间首要关注问题。相对理论课的在线教学活动，“云”科考集中于解决和弱化线上与线下实践教学的差异性，充分发挥网络互作的能动性，可将科考成果以在线直播和视频分享的形式惠及更多人群，并在限度范围内合理落实实践。“云”科考主要分为3 个模块，即在线教学、“云”参观和现场实践。科考团队邀请莱茵河沿线名校教授，通过线上课程讲解，使学生感受国际化教学基本模式，验证巩固课堂上关于流域水环境污染及治理的理论知识，体验世界经典环境污染保护历程。通过对方引导参观各高校实验室、巴赛尔污水处理厂、科隆地表水环境质量监测站、康斯坦茨考察站、瓦赫宁根饮用水厂等研究机构和工业场所，多方位、多角度体验水环境的污染与治理过程，培养学生热爱环境、保护生态的意识，提高对环境专业的认同感。现场实践主要集中在对长江中下游重点点位水样的采集，通过常规水质指标、重金属分析及水生生物观察，收集资料对比长江和莱茵河生态环境，培养学生动手能力、观察能力和合作能力，锻炼综合素质，激发学习兴趣。

6 实践效果

“国际科考”这一应用型人才培养体系的目的是在多学科背景下创建综合性、研究性、跨学科的本科生培养模式。团队教师将目光投注在新生代复合型创新人才的队伍建设，以期能多维度提升学生的综合素质，激发学生的学术研究志趣，助力其在未来成长为多学科理论基础扎实、野外作业经验丰富、精通现代信息技术的优秀青年骨干。

（1）搭建综合性实践教学平台。“国际科考”与专业理论课、实验课及专业实习等共同建立起了纵横交叉的人才培养体系，搭建了一个集理论教学、实验教学、课程学习和专业应用实践于一体的综合性实践教学平台［11-13］。莱茵河科考充分利用了学生的暑期时间，在提升学生认知能力、创新能力和实践动手能力等方面取得了一定的成绩，在国际一流期刊上发表了3篇以本科生为第一作者的SCI 文章［14-16］，为其将来从事环境领域相关工作奠定了坚实基础，团队成员相继进入境内外一流大学深造或进入优质企业就业。

（2）拓展国际化视野与意识。学生在参观和学习过程中，加深了对国外环境领域主流研究方向及发展现状的认识，了解到国内外研究和教学上的异同点，有助于其国际化视野的拓展。此外，团队教师注重激发学生对国内现有环境问题的思考，积极开展“头脑风暴”式主题讨论，集思广益，有效发挥学生的主观能动性，培养学生综合运用所学知识分析问题的意识，引导学生对环境问题进行整体性分析，团队成员在充分吸取国外流域治理的经验和教训后，对长江流域的环境治理进行了系统分析并提出了建设性意见。

（3）提升调研的主观能动性。实地采样与分析可加深环境专业学生对野外环境的认知，学习如何获取野外数据能够切实提高自身动手能力和观察能力、培养团队合作精神、加强师生凝聚力，为营造寓教于学的课堂奠定了基础。

（4）推动建设人才培养体系。“国际科考”不仅拓展了科考实践的广度、深度和精度，而且其实践成果也是系统的、科学的和高效的，未来也必将催生出一个中国特色、世界一流的人才培养体系。

7 结 语

“莱茵河流域生态环境国际科考与科研训练项目”的举办，是我校环境专业实践教学具有特别意义的尝试与探索，从实践结果来看激发了学生的研究志趣，培养了实践能力，拓展了国际视野，使学生获得顶峰体验，极具推广和应用价值。未来学院将有步骤、有重点地持续推进国际科考项目建设，并依托教育部高教司“虚拟教研室”试点建设，邀请长江沿线高校共同参与“长江-莱茵河生态环境‘云’科考”，构建服务于拔尖创新人才成长的实践教学体系，为培养新工科人才提供可持续、可借鉴的教学模式。