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1.1教学模块的选择
环境化学本身内容非常丰富、复杂,涉及污染物在各圈层环境介质中的化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法。现有的经典《环境化学》教材多分为七章或七章以上,在有限的教学课时里,不可能讲完全部的教材内容,所以必须对现有教材内容进行有机整合。改革后的课程教学内容仍以“水环境化学”、“大气环境化学”、“土壤环境化学化学”和“生物体内污染物质的运动过程及毒性”四大块内容为主体,但把后面的“典型污染物在环境各圈层中的转归与效应”穿插入“水环境化学”部分,把“有害污染物及放射性固体废物”整合入“土壤环境化学部分”。这样的整合既以基本原理为主,又涉及领域广泛,内容丰富,还避免了不必要的重复,形成同时兼顾系统性和前沿性,基础性及创新性。
1.2引入“经典案例”
为了增强教学效果,将一些全球性、公害性的重大环境污染事件作为案例进行引入教学模块。大气环境化学部分放入“洛杉机烟雾”、“伦敦烟雾”和“多诺拉烟雾”等事件,水环境化学部分融入“水俣病”、“痛痛病”和“剧毒物污染莱茵河”等案例,土壤环境化学部分引入“切尔诺贝利核电站泄露事件”,生物体内污染物质的运动过程及毒性纳入“米糠油事件”。这些著名“污染案例”的引入,使枯燥、难记的化学知识转化为活生生的案例,增加了学生对专业知识的理解,营造出了生动而活跃的课堂气氛。
1.3增加“热点案例”
环境问题总是随着科技和经济的发展而不断发展,社会的每个发展时期都有其特殊的热点问题需要研究解决。比如近30年来一直是全球环境热点问题的“南北极臭氧空洞”,“温室效”,近20年来被广泛研究和讨论的“环境内分泌干扰物”、“持久性有机污染物”,目前冬季在我国大多数城市都会出现的“雾霾天气”等。在学习重金属污染时,结合2010年12月发生的安徽怀宁100多名儿童血铅超标。学习有机物污染时,联系2010年4月的墨西哥湾漏油事件。在讲授水体富营养化时,介绍2007年6月发生的太湖蓝藻事件。这些在我们的时代、我们身边实实在在发生的事例,给学生留下了深刻的印象,极大地激发了他们的学习热情。
1.4领略发展新动向
环境化学仍然是一门处在迅速发展之中的交叉学科,其研究领域非常广泛,几乎深入到环境的各个领域,如土壤、大气、水体和生物圈,许多环境污染事件的深入研究和解决都依赖于环境化学的发展。由于新理论、新方法和新技术的不断出现,现有的教材内容会相应的滞后。为使学生了解环境化学的最新发展动向,必须将国内外该学科领域出现的前沿知识和方法技术通过课堂介绍、讨论等形式纳入教学内容。
2教学方式的多元化
2.1采取互动式教学
课堂是需要教师和学生交流的场所,不应该由教师“满堂灌”。在引入“经典案例”和“环境热点案例”时,我们采用互动式教学模式。比如在讲述2005年11月的“松花江污染事故”时,我们让学生分析污染发生的原因、主要污染物是什么,污染物在环境介质中的形态、行为和环境效应如何,最后让学生思考提出合理的解决方案。这个问题的分析和解答过程中,要动用大量的知识点,比如水体有机污染的分布和形态、污染物在水体中是如何迁移和转化的,各种形态污染物对水体、土壤生态效应如何,对水生生物及人体的毒性效应如何。哪些措施可以控制污染物扩散,哪些措施可以促进污染物的较快去除。这种方式的实施明显有助于提高学生的分析问题、解决问题的能力。
2.2建立稳定的校外实践基地
校外实习基地是理论知识和实际应用衔接的纽带。我们与地方环保部门、污水处理企业、垃圾填埋厂、固体废弃物公司、研究机构、社会团体等多个组织签订了长期的教学实习基地协议,这些基地的建立为环境化学的实践教学提供有力的保障,同时也很好地促进了地方与学校的通力合作、共同发展,以达到高校产业化目的的关键环节。将课堂枯燥的理论知识与我们身边的实际环境问题紧紧地结合起来,使抽象的问题具体化,极大地调动起了学生的能动性与积极性,学生毕业后很受用人单位的好评。
2.3以科研带动教学
将科研融入教学有助于培养学生创新能力,实际情况学生的确更愿意参与到科研活动中来。近几年我校实行了“大学生科技创新训练”计划,在项目中我们实施了优秀学生的导师制,学生可以从低年级就直接参加到科研工作来。另外,我们还将老师新的科研成果改编成具体实验,使学生能接触到最前沿的知识和技能。以科研带动教学的实施,使学生毕业时已具备很强的实践操作能力,并初步具备了科研能力。
3考核机制的结构化
生的培养目标及现状近年来,我校环境科学与工程学院充分依托学院“环境科学与工程”湖北省重点(特色)学科、“矿区重金属污染防治与资源化”湖北省协同创新中心、“矿区环境污染控制与修复”湖北省重点实验室、黄石市环境工程省级生产力促进中心等省级优势科研平台和持有的国家环境影响评价、环境工程设计等资质,按照培养“面向环保行业、服务区域经济、注重工程实践”环境工程专业人才的科学定位,以培养应用型环境工程高级技术人才为目标,以服务地方经济为根本,将环境工程的产、学、研有机结合,努力建立注重创新意识、创业精神和实践能力的全日制专业学位硕士研究生培养模式。目前,我校与武汉大学、武汉理工大学等重点高校及武汉工程大学等省属地方高校开展了环境工程专业学位硕士研究生的联合培养工作。截至2014年3月,我校已联合培养环境工程专业学位硕士研究生7人,其中已毕业4人,在读3人,硕士毕业生受到社会的一致好评。
2我校环境工程专业学位硕士研究
生联合培养模式的探索我校联合培养硕士研究生分为2个阶段完成。第1阶段为硕士研究生第1年在招生单位修完规定的专业基础课。此阶段将为硕士研究生提供系统的专业理论课程学习,为后续开展本领域的应用基础研究奠定基础。第2阶段为硕士研究生到我校开展毕业论文的相关工作。此阶段实行双导师制,以我校兼职硕士研究生导师培养为主,双方共同指导硕士研究生完成学位论文。硕士研究生通过2个阶段的学习,既发挥了招生单位理论教育的优势,又充分利用了我校服务地方的科研和实践平台,以地方需求为依托共同培养硕士研究生。在第2阶段的培养过程中,坚持以当地经济社会发展进程中生态环境建设需求为导向,以硕士研究生职业需求为目标,全面提升硕士研究生的专业实践应用能力和科研创新能力,将人才培养和项目紧密结合,强调理论与实践相结合,注重多渠道协同创新。这一阶段将突出项目案例剖析和实践研究,灵活运用团队指导、现场调研、室内实验研究、模拟训练等方法,着重培养学生研究实际问题的意识和能力。在具体的硕士研究生培养过程中,始终坚持“项目带科研、科研促工程、工程促培养”的应用型环境工程专业硕士研究生培养原则,通过参与项目和解决实际问题来提高专业学位硕士研究生的创新能力和实践应用能力。其中,与武汉理工大学联合培养的专业硕士研究生殷斌结合黄石市磁湖水污染控制工程实际,开展磁湖底泥重金属污染生态风险评价,对底泥资源化过程中重金属的溶出规律进行了相关研究,该课题获得了湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目和湖北省水利科研重点项目资助。
在联合培养硕士研究生的过程中,我校环境科学与工程学院建立以硕士研究生导师为主导的科研团队,从而解决了学院教授—青年教师科研团队项目开展、硕士生—本科生—专科生3个层次学生培养和高中低年级“传帮带”中的难题。在硕士研究生导师的科研项目背景下,青年教师校级创新团队带领硕士研究生指导本科、专科学生积极参与各项科研活动。此外,通过聘请“楚天学者”等高层次人才的方式,与外单位合作,充分利用外单位的科研条件和师资力量培养硕士研究生。其中,与武汉理工大学联合培养的专业硕士研究生刘玮玲联合中国科学院地球环境研究所,根据当前黄石市大气环境的实际,率先开展了黄石地区大气微细颗粒物中碳气溶胶污染来源解析研究,为下一步黄石市大气颗粒物污染源成分谱的建立和大气污染防治工作奠定了良好的基础。这样既提高了硕士研究生的创新意识和实践能力,也提升了青年教师的学术水平和服务区域经济社会发展的能力。经过几年的努力,我校环境科学与工程学院专业学位硕士研究生的培养取得了一些阶段性的成果,但同时也面临一些急需解决的问题。这主要是由于我校联合培养专业硕士研究生学科较分散、规模较小,且我校又缺乏系统和专门的管理培养体系,导致出现培养方式单一、学术氛围淡化、学术社团活动缺失、专业导师队伍偏少、项目研究经费不足等问题。
3我校环境工程专业硕士研究生联合培养的主要对策
我校环境工程专业硕士研究生联合培养的主要对策如下:
1)科学合理定位,构建应用型研究生培养模式。
由于专业学位教育要凸现职业性和实践性的特点,传统的学术型硕士研究生培养模式将难以适应专业学位硕士研究生的培养需求。除了制定符合应用型专业学位硕士研究生人才培养方案的课时和学分之外,更应该使科研实践环节目标考核机制具有指导性和可操作性。实践环节的实施,可通过提前进合培养导师课题组、到重点科研院所短期交流、到相关企业实习等方式,构建全程化、多层次的综合实践能力培养模式,以弥补课程学习中科研实践环节的不足。
2)加强导师队伍建设,完善导师遴选和管理制度。
应用型高水平硕士研究生的培养,离不开高水平的导师队伍,在通过重点实验室、协同创新中心等省级重点科研平台吸引和巩固高水平人才队伍的同时,应与招生单位硕士研究生导师资格要求保持一致,逐步完善校内兼职导师遴选制度,形成一支年龄结构合理、职称比例合理并拥有丰富服务地方经济社会发展经验的导师队伍。只有建立完善、规范的遴选机制和相应高水平的导师队伍,硕士研究生的培养才能真正实现量和质的双重飞跃。例如,我校在积极筹建院士工作站、引进楚天学者等高层次人才的同时,利用多种渠道资助青年教师到国内外高水平科研机构访问学习和交流,并定期开展与本地企事业单位的相互交流。
3)加强协同合作,建立开放型硕士研究生培养模式。
除利用自身已有的科研平台和师资力量之外,还可组建包括高校、研究所和企业在内的协同创新中心,这种开放式合作方式为联合培养专业学位硕士研究生提供了更广阔的学术视野和科研实践平台。以相关企事业单位的需求为目标,以项目牵引合作,在生产实际中解决急需的技术难关,既能有效地利用校外科研单位的科研资源,又能加强各单位间的学术交流,有助于提高硕士研究生的学术水平和科研实践能力。通过这种开放式合作方式使专业学位硕士研究生的培养实现了围绕服务地方经济社会发展的“教学+科研+生产+开发”培养模式。例如,与武汉工程大学联合培养的硕士研究生王振根据磁湖水体富营养化较严重的环境问题,用曝气生物滤池亚硝酸型生物脱氮技术实现水体脱氮,其研究成果已申请发明专利1项。
4)营造良好的学术氛围,完善学术监管机制。
地方高校长期以教学为主导,学术监管机制不完善。作为地方高校,应建立与招生单位的长期沟通机制和联合培养硕士研究生的管理办法,将联合培养研究生纳入双方学校的统一管理,并通过开展各种学术交流活动和建立科研激励机制来调动硕士研究生的学习积极性,提升学校的学术氛围,同时通过招生单位和联合培养单位导师的相互配合,加强对硕士研究生思想品质、学术道德等方面的引导,将其贯穿于联合培养过程的各个环节,如研究方案的制定、实验及实践效果的监督、开题报告和中期报告的考核、学位论文的检查、毕业答辩的预评审等,使学生能够自觉遵守学术道德规范、抵御学术不端行为。
4结束语
1.优化课程结构体系。我校设置了人文社科、公共基础、学科基础、专业课程、实践教学、素质教育、创新创业教育七大平台,各平台既相互联系又逐层递进,体现了人才培养的基本规格和全面发展的共性要求,实现了人文素质教育、科学教育、工程教育和个性化培养有机结合。环境工程专业培养方案充分体现了各门课程的相互关联与衔接。从环境化学、环境工程微生物、环境监测,到水污染处理工程、大气污染控制工程和固体废弃物处理处置等,从时间安排和教学内容上将专业基础课、专业课系统地整合为一体。在学科建设中围绕学科发展前沿和社会发展需求,注重学科的渗透与融合,环境工程专业课的设置,既要面向社会环保部门,又要突出化学工程领域环境工程的行业特色。
2.进一步增加选修课比例,提高选修课程的多样性和灵活性。2009版培养方案选修课比例为23.5%,2014版方案已增加到24.2%。为满足社会对环保应用人才的需求,增加了与环境工程专业相关性较强的选修课,如给排水工程、化工安全、管道工程、工业通风与净化、工程技术经济和造价管理和环境法学等,引导学生根据自己的兴趣和特长主修某些专业模块,拓展其专业视野,提升其专业综合实力。还设置了环境工程CAD制图课程,注重实例与理论相结合,重点培养学生的工程设计和CAD技术应用能力。同时,还利用学术讲座的形式,从市政设计院请来工作经验丰富的工程师讲解“毕业设计CAD图纸规范”相关内容,这更有利于拓展学生的视野,弥补课堂教学的不足,提高了学生的工程制图能力。
3.以综合为导向,引导学生学会运用综合知识去解决实际问题。在教学模式上,不断增强课程的系统性,注重知识与能力的综合传授及多种知识间的相互联系,培养学生多角度的工程思维模式与综合应用能力。环境工程专业课程的课堂教学、实验教学、课程设计、综合大实验及毕业设计,教学内容涵盖了化工开发过程和化工加工过程等背景知识和对环境工程技术的需求。注重从思想、方法、推理上培养学生渴望学习、善于学习的科学思维素质,鼓励学生大胆创新勇于实践。在加强基础教育的同时,专业教师在课堂教学中还让学生了解本学科的国内外最新动态与发展趋势,培养学生获取新知识和运用新知识的能力。在2014年本科教学评估中,环境工程专业基础教育环节得到评估组专家们的高度评价。
二、强化实践教学,促进人才创新精神和工程实践能力的培养
1.近两年根据工程教育认证标准,环境工程专业进一步加强了公共实践环节、专业实践环节等教学内容,大幅增加了实践教学环节的总学时。通过毕业实习和生产实习、工程实训等环节,多方位、多角度地引导学生积极思考,加深学生对工程项目设计和实施的认识,使学生真正感受到教学活动和所学知识的实践意义。在2014版培养计划中,已将环境专业课程实验又增加了20学时;又新增了污染控制综合试验,学时数为48学时;环境监测课程增加16学时的实验内容;将认识实习和生产实习增至七周;进行为期十八周的毕业实习和毕业设计。当然,强化实践教学,不仅仅是在形式上增加总学时和总学分,还应改革实践教学方法、内容,提高实践教学质量。
2.采取新的举措,加强毕业设计教学环节的管理。为保障本科生毕业设计的质量,实行校、院、系三级严格管理和跟踪考核制度,将毕业设计分为初期考核、中期考核和答辩考核等几个不同的考核阶段。初期考核阶段,以环境工程系为单位进行学风教育、开题报告及方案设计的考核审查;中期考核阶段,分别由学院和学校督学组对毕业设计的进度、完成的质量进行考核,针对考核结果和建议,专业导师及时督促、指导学生进行调整、改进;最后进入答辩考核阶段,由5~7名专业教师组成答辩委员会,考核内容包括毕业设计(论文、设计结构方案、图纸、图表、计算及外文)的质量和数量,设计(论文)的新见解及成果,自述及回答问题情况等,对不合乎要求的需重新修改,应付了事的打不及格成绩者需参加二次答辩,二答仍不合格者需重修。通过对毕业设计的严格要求、层层把关,使学生充分认识到毕业设计的重要性和严肃性,端正学习态度、养成良好的学习风气,从而提高毕业设计的质量。
3.加大综合性、设计型实验开放,推行创新性实验,培养科学思维能力和实践动手技能,为培养学生创新精神和实践能力打下坚实基础。自2012年开始进一步开放实验室,提高实验室利用率,学校设立实验室开放基金,保证学生更好地于实验室根据需要自主地进行实验研究、产品开发等,不断加强学生的实验技能和动手能力。环境工程实验室也不断加强建设、积极创造条件,加大对在校本科学生的开放,采取全天开放、阶段性开放、预约开放等多种形式,吸引有兴趣或特长的学生进入实验室学习。
4.加快校内实践基地建设。自启动吉林省教育厅高教强省项目———环境工程专业综合实验平台建设以来,充分利用省教育厅和学校为环境工程专业实验室累计投入的近300万的建设经费,创建了独具工程特色的实验条件和研究场所。新建了一批能够充分体现环境工程基础知识和专业知识的实验装置;同时建立了具有仿真和操作功能的污水处理的综合实训实验系统,包括传统活性污泥曝气系统、Orbal氧化沟系统、MBR池和二次沉淀池等;还新引进城市污水处理厂工程设计和实训软件、通风与大气污染控制工程实验模拟软件。这些实验平台建设,工程性强,极大地提高了学生的工程意识,为训练学生工程实践能力提供了有力保障。
三、加强素质教育,培养全面发展的应用型人才
1.长春工业大学将专业教育和素质教育紧密结合,在传道授业解惑的同时,更注重学生的情商培养,为其立足于社会打下基础。学校完善了教育教学、咨询服务和危机干预“三位一体”的大学生心理健康教育工作体系,建立了校、院、班三级的危机预防和干预系统,形成“125-要爱我”的心理健康宣传教育格局。在素质教育课程平台中,开设《大学生心理健康教育》2学时必修课程和与心理健康教育相关的近20门必选1学分课程。我校为了体现“为学生健康成长服务”的办学宗旨,提出并实践了“离学生最近的教育”,形成了自己的人才培养特色。
2.坚持素质教育贯彻于教书育人过程始终的教育观,促进人文教育与专业教学的融合。我校环境工程专业人才培养方式,注重培养学生提高哲学素养,不断地提升学生的人文精神和职业道德修养。在培养计划的品德与业务素质模块中,已将基本原理概论实践、思想道德修养与法律基础实践等作为必修课程。通过对学生哲学素养教育和人文综合教育与专业教学的有机融合,能够加强学生分析问题的能力、提高学生看待事物的全面性与整体性,有利于学生工程思维方式的建立,更好地将联系的、发展的、辩证的观点和工程思路运用于工程设计、施工以及污染治理,更好地适应社会科技迅速发展的需求。
四、加强师资队伍建设,保证高素质应用型人才培养
目前许多院校广泛采用主辅修方式培养复合型人才,即学生在完成主修专业课程的基础上,再辅修第二专业的课程。辅修课程的上课时间经常与主修课程的上课时间相冲突,或者辅修课程的上课时间统一被安排在周末或晚上,这给辅修课程的学习带来不便。环境工程与化学工程复合型人才的培养可采用特色班级方式培养,即在招生时就用固定班集体招生、统一培养。这种培养方式便于课程体系的学习,尤其是便于实践课程的教学与管理。湖南城市学院化学与环境工程学院同时拥有化学工程和环境工程两个专业,这使得该学院在环境工程与化学工程复合型人才的招生、教学与管理有独特的资源优势。
2环境工程与化学工程复合型人才培养的课程体系
在课程体系设计上,不能简单地将环境工程专业与化学工程专业的课程“拼盘”。根据环境工程与化学工程复合型人才培养的特点和要求,我们在请教专家、调查学生的基础上对环境工程专业、化学工程专业的相关课程进行了有机整合,形成了培养环境工程与化学工程复合型人才的课程体系,该课程体系由5个课程模块组成。公共基础和素质课程模块。该课程模块包括中国近现代史纲要、思想道德修养与法律基础、基本原理、思想和中国特色社会主义理论体系概论、大学生心理健康教育、军事训练、大学体育、大学英语、计算机基础、大学语文。专业基础课程模块。该课程模块包括高等数学、工程制图及CAD、无机化学及实验、有机化学及实验、分析化学及实验、仪器分析及实验、物理化学及实验、化工原理及实验、波谱分析。专业核心课程模块。该课程模块包括环境化学、管网工程、环境微生物学及实验、环境生态学、环境监测及实验、水污染控制工程及实验、大气污染控制工程及实验、固体废物处理工程及实验、噪声污染控制工程、环境影响评价。特色课程模块。该课程模块包括化工环境保护、化工污染控制工程、化工污染控制设备、绿色氧化技术、突发性化工环境污染事故的预防与处置等课程。实践教学课程模块。该课程模块包括环境工程仿真实验、工程设计、工程实验设计与数据处理、PIDCAD工艺流程制图、认识实习、生产实习、毕业论文(设计)。该课程体系在保留环境工程专业的核心课程基础上,《无机化学》、《有机化学》、《分析化学》、《物理化学》、《仪器分析》、《化工原理》、《波谱分析》等专业基础课程内容和学时与化学工程专业一致,在课程设置上体现出环境工程专业与化学工程专业课程的复合;特色课程模块和实践教学课程模块体现出环境工程专业与化学工程专业课程的融合。
3环境工程与化学工程复合型人才培养的教学方法
对于环境工程与化学工程复合型人才,要求综合培养学生环境工程、化学工程两专业的知识和能力,达到综合培养的目标,这就要求其相应的教学不能采用灌输性的教学风格,而应采用渗透式教学、融合式教学、案例式教学和研究性教学等。(1)渗透式教学是指在上述专业基础课程模块中渗透环境工程专业知识的教学,在上述专业核心课程模块渗透化学工程专业知识的教学。例如,《物理化学实验》中动力学实验可以让学生动手做“Fenton试剂降解除草剂2,4-D反应速率常数和活化能的测定”。(2)融合式教学是指在上述特色课程模块和实践教学课程模块中将环境工程和化学工程中的知识、原理、技能融成一体进行教学。例如,《化工污染控制工程》中教师可结合工程实践进行“流化床化学反应器处理农药厂废水”的专题教学,将流化床工艺设计参数、原理、废水排放标准等融合在一起进行教学。(3)案例式教学就是指在环境工程与化学工程复合型人才培养的教学过程中结合教学内容运用工程中的实际案例进行教学。例如,《水污染控制工程》中教师可结合工程实践进行“电镀厂含铬废水的深度处理”的案例教学。(4)研究型教学是指在环境工程与化学工程复合型人才培养的教学过程中教师结合教学内容,通过创设学习情境,促进、支持和指导学生完成研究型学习活动,来综合培养学生能力与素质的一种教学方法。例如,在“Fenton试剂降解除草剂2,4-D反应速率常数和活化能的测定”实验中,教师可引导学生自己查阅文献资料,引导学生思考如何测定溶液中2,4-D的浓度?如何用计算机软件绘制2,4-D浓度的标准曲线?让学生自己确定实验中所需要的仪器和使用的方法,引导学生思考FeSO4和H2O2使用量对2,4-D降解速率的影响,如何求算该降解过程中的速率常数K和表观活化能Ea?
4环境工程与化学工程复合型人才培养的师资队伍建设
良好的师资队伍是实施环境工程与化学工程复合型人才培养的关键。要培养环境工程与化学工程复合型人才,首先必须有环境工程与化学工程复合型的师资。笔者认为,要改变目前环境工程与化学工程复合型的师资匮乏问题,可从如下几个方面加强环境工程与化学工程复合型人才培养的师资队伍建设。(1)引进、培养具有环境工程和化学工程双专业学位的高水平的博士或硕士,他们在学士、硕士或博士学位教育期间接受过环境工程、化学工程的专业教育,具备环境工程和化学工程复合的知识结构和科研素养,是环境工程与化学工程复合型人才培养的理想师资队伍。(2)教师交叉自学和资格认证。在学院内部要求有环境工程专业学位的教师参加化学工程的本科理论与实践教育,要求有化学工程专业学位的教师参加环境工程的本科理论与实践教育,教育期满后进行考试认证,达到认证资格的教师才能评聘为环境工程与化学工程复合型人才培养的师资。(3)聘请企业有工程实践经验,且有良好师范素养的工程师参与环境工程与化学工程复合型人才培养的教学和科研工作。
5学生自主学习是环境工程与化学工程复合型人才培养的重要手段
目前许多院校广泛采用主辅修方式培养复合型人才,即学生在完成主修专业课程的基础上,再辅修第二专业的课程。辅修课程的上课时间经常与主修课程的上课时间相冲突,或者辅修课程的上课时间统一被安排在周末或晚上,这给辅修课程的学习带来不便。环境工程与化学工程复合型人才的培养可采用特色班级方式培养,即在招生时就用固定班集体招生、统一培养。这种培养方式便于课程体系的学习,尤其是便于实践课程的教学与管理。湖南城市学院化学与环境工程学院同时拥有化学工程和环境工程两个专业,这使得该学院在环境工程与化学工程复合型人才的招生、教学与管理有独特的资源优势。
2环境工程与化学工程复合型人才培养的课程体系
在课程体系设计上,不能简单地将环境工程专业与化学工程专业的课程“拼盘”。根据环境工程与化学工程复合型人才培养的特点和要求,我们在请教专家、调查学生的基础上对环境工程专业、化学工程专业的相关课程进行了有机整合,形成了培养环境工程与化学工程复合型人才的课程体系,该课程体系由5个课程模块组成。公共基础和素质课程模块。该课程模块包括中国近现代史纲要、思想道德修养与法律基础、基本原理、思想和中国特色社会主义理论体系概论、大学生心理健康教育、军事训练、大学体育、大学英语、计算机基础、大学语文。专业基础课程模块。该课程模块包括高等数学、工程制图及CAD、无机化学及实验、有机化学及实验、分析化学及实验、仪器分析及实验、物理化学及实验、化工原理及实验、波谱分析。专业核心课程模块。该课程模块包括环境化学、管网工程、环境微生物学及实验、环境生态学、环境监测及实验、水污染控制工程及实验、大气污染控制工程及实验、固体废物处理工程及实验、噪声污染控制工程、环境影响评价。特色课程模块。该课程模块包括化工环境保护、化工污染控制工程、化工污染控制设备、绿色氧化技术、突发性化工环境污染事故的预防与处置等课程。实践教学课程模块。该课程模块包括环境工程仿真实验、工程设计、工程实验设计与数据处理、PIDCAD工艺流程制图、认识实习、生产实习、毕业论文(设计)。该课程体系在保留环境工程专业的核心课程基础上,《无机化学》、《有机化学》、《分析化学》、《物理化学》、《仪器分析》、《化工原理》、《波谱分析》等专业基础课程内容和学时与化学工程专业一致,在课程设置上体现出环境工程专业与化学工程专业课程的复合;特色课程模块和实践教学课程模块体现出环境工程专业与化学工程专业课程的融合。
3环境工程与化学工程复合型人才培养的教学方法
对于环境工程与化学工程复合型人才,要求综合培养学生环境工程、化学工程两专业的知识和能力,达到综合培养的目标,这就要求其相应的教学不能采用灌输性的教学风格,而应采用渗透式教学、融合式教学、案例式教学和研究性教学等。(1)渗透式教学是指在上述专业基础课程模块中渗透环境工程专业知识的教学,在上述专业核心课程模块渗透化学工程专业知识的教学。例如,《物理化学实验》中动力学实验可以让学生动手做“Fenton试剂降解除草剂2,4-D反应速率常数和活化能的测定”。(2)融合式教学是指在上述特色课程模块和实践教学课程模块中将环境工程和化学工程中的知识、原理、技能融成一体进行教学。例如,《化工污染控制工程》中教师可结合工程实践进行“流化床化学反应器处理农药厂废水”的专题教学,将流化床工艺设计参数、原理、废水排放标准等融合在一起进行教学。(3)案例式教学就是指在环境工程与化学工程复合型人才培养的教学过程中结合教学内容运用工程中的实际案例进行教学。例如,《水污染控制工程》中教师可结合工程实践进行“电镀厂含铬废水的深度处理”的案例教学。(4)研究型教学是指在环境工程与化学工程复合型人才培养的教学过程中教师结合教学内容,通过创设学习情境,促进、支持和指导学生完成研究型学习活动,来综合培养学生能力与素质的一种教学方法。例如,在“Fenton试剂降解除草剂2,4-D反应速率常数和活化能的测定”实验中,教师可引导学生自己查阅文献资料,引导学生思考如何测定溶液中2,4-D的浓度?如何用计算机软件绘制2,4-D浓度的标准曲线?让学生自己确定实验中所需要的仪器和使用的方法,引导学生思考FeSO4和H2O2使用量对2,4-D降解速率的影响,如何求算该降解过程中的速率常数K和表观活化能Ea?
4环境工程与化学工程复合型人才培养的师资队伍建设
良好的师资队伍是实施环境工程与化学工程复合型人才培养的关键。要培养环境工程与化学工程复合型人才,首先必须有环境工程与化学工程复合型的师资。笔者认为,要改变目前环境工程与化学工程复合型的师资匮乏问题,可从如下几个方面加强环境工程与化学工程复合型人才培养的师资队伍建设。(1)引进、培养具有环境工程和化学工程双专业学位的高水平的博士或硕士,他们在学士、硕士或博士学位教育期间接受过环境工程、化学工程的专业教育,具备环境工程和化学工程复合的知识结构和科研素养,是环境工程与化学工程复合型人才培养的理想师资队伍。(2)教师交叉自学和资格认证。在学院内部要求有环境工程专业学位的教师参加化学工程的本科理论与实践教育,要求有化学工程专业学位的教师参加环境工程的本科理论与实践教育,教育期满后进行考试认证,达到认证资格的教师才能评聘为环境工程与化学工程复合型人才培养的师资。(3)聘请企业有工程实践经验,且有良好师范素养的工程师参与环境工程与化学工程复合型人才培养的教学和科研工作。
5学生自主学习是环境工程与化学工程复合型人才培养的重要手段
实践教学是巩固和加深对理论认识的有效途径,是培养具有创新能力和创新精神的高素质人才的重要环节,是理论联系实际、培养学生实际动手和操作能力的重要平台。加强实践教学已经成为我国高等教育发展的必然潮流。高等学校的实验和实践环节是培养学生创新精神和创新能力最重要的场所。充分意识到实践教学在人才培养过程中的重要分量,针对环境工程专业特点,加强环境工程专业实践教学环节,在实践中培养学生的创新能力,已经成为新世纪人才培养和教育改革的要求。环境工程学科作为一门实践性很强的综合性学科,它主要是充分运用物理、化学、生物、生态、水文地质、法律、经济等多种学科的知识,综合系统的研究人类与环境相互作用及其控制和调整途径,用工程手段防治和解决有关环境污染问题。我国环境工程教育始于20世纪70年代末,随着国家对环保的重视,开设环境工程专业的高校占比由1977年的0.8%上升至2004年的37.9%。到2004年,设置环境工程专业的国内高校已达到247个。每年这些高校为国家输送了大量的环境专业人才。但是,众所周知,环境专业就业前景一直不是很理想,就业率一直低于兄弟专业给水排水工程,其原因可能和环境工程的实践教学不足有关。无论从环境工程的专业特点还是从当前环境专业学生的就业率,笔者认为在环境工程的教学过程中强化实践教学环节是必要且必须的,同时教研工作者还要不断更新实践教学的内容和形式。
二、开展环境工程实践教学的原则
实用型原则开展环境工程专业实践教学,要和专业岗位的要求相一致,与专业岗位发展密切相关。以此为原则构建一个层次清楚、分工具体的实践教学体系。如实验、实训教学平台可按照基础实验技能平台、专业岗位技能实训平台、专业岗位实践平台三大步进行设置。混合型原则混合型原则主要是指专业与实践指导教师的混合、理论和实践教学的混合、实验室与教室的混合等方面,淡化理论与实践教学、专业与实践指导教师、实验室与教室的界限,打破原来按学科设置实验室的传统布局,重新整合实践教学设施,形成一体化混合实践教学模式。
三、环境工程专业实践教学的方法探讨
1.在理论课教学当中紧密联系实际问题调动学生学习的积极性和主动性是有效提高教学效果的重要因素。课堂上,仅仅讲授一些理论知识,很难激发所有学生的学习兴趣,但如果在理论讲学过程中,能和实践知识很好的结合起来,就有可能达到事半功倍的效果。比如,笔者在讲授《环境工程概预算》这门课时,由于一开始只注重理论教学,给学生机械的灌输一些理论知识,就发现在课堂上很多学生注意力不集中;后来我通过课后的问卷调查发现,很多概念学生搞不明白,因此听起来也就没有兴趣。我这才恍然大悟,该门课程实践性较强,和实际问题结合起来讲授效果才会更好。因此,在随后的课程里,我举了大量的工程实例结合基本概念进行讲解,学生的学习兴趣和积极性果然有大幅度提高。
2.强化学生基本实验技能的培养笔者认为,为了学生更好的消化在课堂上学习的理论知识,应当强化学生实验课程的力度,能够有条件开设实验的课程都要安排专门的实验学时。针对实验教学,老师要合理安排实验内容,并在实验之前要求每个学生掌握实验原理和意义,而不是学生实验课上机械的动动手,走走形式。在实验课上,老师应加强和学生得互动性,多给学生提一些问题让学生思考,学生能够独立完成的实验尽量由学生亲自动手完成。这样通过一次实验课程既锻炼了学生的实验技能,又让学生在实际操作过程中加深了对理论知识的理解。
3.实践性教学环节应与实际工程或科研项目相结合环境工程专业的课程设计、毕业实习、毕业设计(论文)等实践性教学环节,有条件可以与教师的实际工程或科研项目相结合,那将比单纯的凭空想象的设计产生更好的教学效果。教师的科研项目或工程项目一般都含有环境工程技术新发展的成分,相关的实验研究、工程设计、设备调试都可以结合本科生的教学工作来实施。产学研相结合,让学生参与到实际的工程或科研项目中,学生将受益匪浅。比如,“大学生创新计划”就是一个很好的产学研相结合的成功范例。
四、结语
人口膨胀促使城市化进程的加快,这就导致城市建筑面积不断扩大,随之而来的则是城市基础配套设施建设则相对滞后。2012年7月中旬,北京遭遇60年不遇的暴雨及洪涝灾害。根据北京市政府灾情通报会公布的数据显示,此次暴雨及洪涝灾害共造成近百人死亡,一万多间房屋倒塌,160多万人受灾,直接经济损失高达百亿元。北京遭遇暴雨及洪涝灾害不仅有天灾,更有人祸。如果北京市有完善的地下排水系统,这场暴雨并不能产生如此巨大的破坏力。城市基础配套设施不完善并不是某个城市的特例,这是整个中国城市的通病。仅仅关注城市建筑面积的扩大而忽略相关基础配套设施的完善,不仅影响城市居民的生活,更会阻碍城市的发展。
2城市环境工程建设存在的问题
2.1城市地质结构发生变化
由于城市环境工程的盲目建设和城市地下空间的过度开发,致使城市地质结构发生变化,如水土流失、地表陷落、地下水污染。例如,深圳水土流失的区域主要集中在深圳大沙河流域中上游地区,该区的水土流失主要是由于地表土地开发及公路建设破环地表植被,致使雨水冲刷地表土壤,造成大面积水土流失。2013年9月12日,深圳宝安中心某小区旁的路面出现约40m2的塌方,塌陷处是正在建设的地铁11号线,施工单位是中铁七局,一辆建筑工的空压机掉入坑中。
2.2环境污染严重
现代城市既是人口集中区,也是固体垃圾产生的主要区域。就目前来说,固体垃圾仍然采用自然分解的办法。堆砌的固体垃圾经过雨林,其污染物必然会随着雨水深入地表污染土壤,影响农作物的生长,一些有害毒素更会渗入地下水,威胁人畜饮水安全。另一方面,在现代城市建设中,声、光、电污染也成为人们常见的污染源。
3城市环境工程地质研究关键技术的意义及发展方向
3.1注重城市的可持续发展
面对城市环境工程建设中出现的种种问题,可持续发展理念正在成为人类追求的目标,这一价值理念在城市环境工程建设中尤为重要。现代城市是人类生活活动的主要乘载体,一个缺乏可持续发展理念的城市环境工程不能为人类服务,一个缺乏可持续发展理念的城市也终会被淘汰。在现代城市环境工程建设中,要以可持续发展为目标,避免对自然地质环境的盲目性、过渡性、破坏性的开发和利用。
3.2做好城市环境工程建设质量的预测与评估
环境工程地质研究关键技术能够预测与评估环境工程建设的质量,预测人类环境工程建设和经济活动对自然环境的影响,为人类环境工程建设提供科学、合理的依据,保障人与自然环境的和谐相处。在目前人与自然环境矛盾重重的困境下,预测技术就显得尤为重要。对于已经完成的环境工程,如水电站、核电站,则要做好系统的工程质量评估工作。但目前环境工程质量评估工作主要是从区域自然环境地壳稳定方面入手,以环境工程环境质量为中心的研究则相对较少[3]。
3.3城市环境工程地质研究关键技术的发展方向
城市建设与地质环境保护应该同步进行,为了促进两者之间的和谐发展,环境工程地质研究关键技术有必要向建立健全环境地质研究数据库方向努力。随着互联网的普及,许多城市的地质研究数据库已经建立,尚未建立地质数据库的城市应该加快地质数据库的建立。该数据库应该涵盖环境工程地质绘图技术,城市环境工程地质质量三维空间监测与评估技术。
4结语
(一)“高、多、大”是城市工程建设发展的一大趋势城市化是人类社会具有现代城市特征之演化的历史过程,它涉及到人口职业的转变、产业结构的转变以及土地和地域空间的变化,而这些转变和变化又存在着一定的内在联系,从发达国家的城市化进程中,我们能够看出,首先是农村人口大量向城市聚集,城市人口密度猛增,而涌入城市的乡村人口迫于生计就要另谋职业,与此同时还会引发城市生产与住房的紧张,进而导致地价上涨,迫使建筑物开始向高空发展,以美国为例,美国是全世界高层建筑数量最多的国家,据相关资料统计,高度在160m~200m的建筑已经超过了100幢。近年来,我国的城市化进程正在加快,城市工程建设越来越频繁,高层建筑越来越越多,且呈现出建设速度快、数量多、体型复杂、总高度增大的特点,“高、多、大”已经成为城市建筑发展的一大趋势,而高层建筑的施工对周围地质环境的影响也非常大。
(二)发展城市地下空间是城市工程建设发展的另一大趋势进入本世纪后,为了解决大城市中公共设施过密化的问题,日本、美国以及欧洲主要发达国家开始将一些公共设施转向地下,大力发展城市地下空间,城市地下建筑已经向更广泛的方向发展。发展城市地下空间是现代城市工程建设发展的必然趋势,日本更是将地下开发上升为国策,提出了开发地下,将国土扩大10倍的设想。我国对地下空间利用的时间可以追溯到上个世纪60年代,即大量的人防工程建设,近年来,随着城市化进程的加快,也加大了对地下空间资源的开发和利用,以城市地下交通为例,我国已经走在了世界前列,但是大规模的地下工程建设,对地质环境也造成了不同程度的影响。
二、现代城市建设所引发的环境工程地质问题
(一)地表工程建设造成的环境工程地质问题随着城市人口的不断增加,大力建设高层建筑以及开发地下空间仍很难缓解城市用地紧张的局面,平原地区的城市建设便开始占用农业用地,山区城市建设便开始向山坡开发土地,由此引发的水土流失、软土地基、边坡失稳等问题时有发生,而水土流失、边坡失稳等问题又会继续破坏环境,所引发的后果甚至会危机后代。
(二)地下工程设施造成的环境工程地质问题发展城市地下空间是城市工程建设发展的一大趋势,但是大规模的地下工程建设对地质环境也造成了很多不利的影响,如地面变形、地下水流场改变、洞室围岩失稳、生态环境恶化等。地下工程设施造成的最常见的环境工程地质问题就是地面变形,最为典型的就是日本东京地铁施工引发的地面塌陷事件,这对我国当前的地下交通建设无疑起到了警示作用。
(三)水资源开发造成的环境工程地质问题我国水资源总量居世界第6位,但人均水量却是世界人均水量的1/4,属于典型的贫水国家,全国缺水的城市已经超过2/3,水资源的日益短缺严重限制了我国的经济发展,很多城市,如上海、宁波、天津、太原等,都因超采地下水,造成了地面沉降、塌陷等环境工程地质问题,以上海为例,累计沉降量已达2.63m,据不完全统计,全国范围内因超采地下水而引起的地面塌陷已有800多处。(四)固体废弃物堆放造成的环境工程地质问题随着城市工业的不断发展,人口的不断增加,产生的人工废弃物也越来越多,固体废弃物堆放造成的环境工程地质问题也越来越突出。以城市生活垃圾为例,我国城市生活垃圾的总量正在以每年8%~10%的速度增长,这个增速无疑是对我国GDP增速的一个巨大讽刺(我国GDP曾长期以8%的增速创造了世界经济发展的奇迹),目前,我国已经有超过一半的城市被生活垃圾的所包围。固体废弃物堆放不适宜,就会造成很多环境工程地质问题,如影响地表土壤性质、污染地下水系统等。
三、对现代城市环境工程地质问题的研究
(一)现代城市环境工程地质研究的关键技术现代城市工程建设引发的环境工程地质问题越来越多且日益严重,目前,现代城市环境工程地质技术研究已经成为城市地学研究的一项重要内容,现代城市环境工程地质研究的关键技术主要有预测工程地质环境质量的技术、评价工程地质环境质量的技术、改造工程地质环境质量的技术、以及计算和制图技术等。环境工程地质学研究的主要内容就是预测人类工程建设对环境的影响,当前,现代城市环境工程地质问题越来越严重,对其进行预测已经成为地学研究中的一项关键性工作,加强预测工作,能够更好地掌握城市工程地质环境质量的变化趋势。一些大的工程在选址和规划之前都要对工程地质环境质量进行评价,如三峡工程和南水北调工程。环境工程地质技术在防治工程地质环境污染、抑制工程地质环境恶化等方面已经取得了一定的进展,其应用前景十分广阔,环境工程地质技术的应用能够更好地发挥地址工作的主观能动性。
(二)现代城市环境工程地质研究的主要方向就目前的发展现状和发展形势来看,今后现代城市环境工程地质研究的主要方向体现在四个方面,其一,必须尽快建立城市工程环境质量数据库,随着计算机应用技术的不断发展,工程地址数据库以及制图技术已经受到国外众多研究者的重视,在工程地址数据库系统的基础上,应尽快建立起城市工程环境质量数据库,这是今后现代城市环境工程地质研究的主要方向之一;其二,应重视对城市三维空间的工程地质环境质量的预测和评价工作,形成一个多层次、多目标、多因素的预测和评价体系,更好地揭示人类工程建设对环境的影响程度;其三,应加强对城市工程环境质量相关理论以及标度方法的研究,使环境工程地质学取得突破性的进展和跨越式的发展;其四,应注重对城市工程建设与工程地质环境质量调控系统的协调发展理论的研究,探索出一条城市工程建设与工程地质环境协调发展的道路。
环境工程专业本科就业难问题主要原因在于环境工程专业人才培养模式还不完善。各单位需求环境工程专业的岗位一般专业性要求高,实践动手能力强。而高校在人才培养的过程中,由于经费、场地、设备、体制、机制等原因的限制,往往会出现“教、学、做”分离的现象。学生往往仅限于对专业理论知识的学习,而关于专业知识的运用及实际问题的处理方面的实践极度缺乏,甚至为零。因此这种模式下培养出来的本科毕业生往往满足不了用人单位的要求。
2产学研合作教育下的科研项目模式带动人才培养
产学研合作教育是实现高校应用创新型人才培养目标的有效途径。只有加强产学研结合,促进学生的理论学习与生产、科研等实践活动结合起来,使人才培养处于学校和社会两种教育环境之中,才可能极大的提高学生的创新意识和实践能力,解决学生的就业问题。近年来,我国产学研合作进入稳步发展阶段,其在创新人才培养中的作用也日益凸显出来,新近颁布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010~2020)》中就明确提出:要创立高校与科研院所、行业、企业联合培养人才的新机制。因此,深入探索产学研合作培养创新性人才的模式、机制等问题,正是对国家中长期教育改革和发展纲要的贯彻和落实。在产学研合作教育模式上,国内一些学者和多所高校都对其进行了一些研究和探索性实践。如张亮峰、曾永卫认为,产学研合作教育模式可以分为常规模式和高级模式两种,其中常规模式可以分为自主式,外向式和委培式;高级模式包括联合式、项目式和共建式。石火学指出,产学研合作教育模式主要包括“三明治”模式和“交替型”模式,继续工程教育模式、工程研究中心模式、企业博士后工作站模式、校内产学研结合模式、大学科技园模式。国内多所知名高校都在产学研合作教育上进行了一些探索实践。例如华南理工大学通过共建研究开发中心和联合实验室、联合建和教学实训基地、开展基于项目的合作等多个产学研教育平台,来强化学生实践能力的培养。这些教育模式的研究和实践对我国产学研合作教育发挥了重要作用。然而,由于高校人才培养是个复杂的系统工程,我国高校产学研结合模式还处于摸索阶段,还存在一些亟待解决的问题。不同的高校类型,不同的专业特点、不同的地域环境其面临的问题亦不同。桂林电子科技大学环境工程专业在产学研结合方面也做了相应的工作,如建立了实习实践基地、专业教师与企业的科研合作、学生在企业进行毕业设计等。但学生的创新能力提升方面成效并不显著。究其原因主要是,环境工程专业是实践应用性很强的专业,同时还是多学科集合的专业,环境相关的企业对应的工作岗位需要学生具备环境处理技术、自动控制、土建施工、项目管理等各方面的知识技能和经验。我校环境工程专业安排实习实践的学时较短(3周),在短时间内企业很难让学生在各方面得到训练,同时企业的相关工作往往是以环保项目的形式体现,而学生在校内的实践能力培养欠缺,学生进入企业很难介入实际工作,也因实习时间短,企业也不大愿意接收实习学生,即使接收了也没办法安排学生真正意义的实习,使得学生的生产实习变成了完成学分的一种形式。产学研结合培养学生能力就成了务虚的模式,学生创新实践能力得不到有效提高,从而也影响到学生的就业。因此,针对这种情况,我们提出环境工程专业以科研项目源为主线的创新人才培养模式,形成一套适合于环境工程的产学研结合模式下的人才培养方案。
3基于“产学研合作教育”的科研项目实践教学的主要途径及其作用
实践创新能力培养的课题的选取与设置首先必须强调创新性。工科类大学生创新能力要求运用专业理论知识,在实际项目中创造具有价值的新思想、新理论、新方法和新发明。大学生在大学阶段所培养的创新实践能力将会成为他们在日后职业生涯中的重要财富,是他们未来职场竞争的原动力。我国教学研究型和研究型大学在承担教书育人责任的基础上,还要求承担与国计民生相关的科学研究工作。因此此类高校会有较多的科研团队参与各级各类的科研项目。例如来自国家基金委的自然科学基金项目;来自科技部的科技攻关项目;来自企业委托解决企业生产设计过程中的难题的企业合作项目等等。不管那一类项目,都需要经过主持人申报、专家评审、立项公示等环节。只有具有一定创新性和实用性的项目才能最终立项。而且这些项目都有非常明确的研究背景、研究目标、研究方案和技术路线,思路十分清晰明确。从这些创新性、可行性有所保障的科研项目中衍生出一些小课题作为本科大学生创新能力培养的课题,开展有利于培养创新思维和创新能力的实践活动,是培养大学生实践创新能力的有效途径。基于广西高校科研项目的组成及我校环境工程专业教师的课题申请状况,我们将大学生创新实践培养的基本途径分为以下四类:
3.1理论研究类:强化学生学科知识体系
以国家级及省厅级自然科学基金项目为代表的基础理论研究类项目是高校教师开展科研工作的基础。这类项目通常针对具体的目标,有较强的原理性新知识的创新,代表了本学科的发展前沿。在人才培养过程中,教师将总项目划分出不同的子项目,提炼出一个研究点,让学生以参加科研项目的形式进入研究小组。由于理论研究类课题涉及的专业知识比较深入,就要求学生自己首先通过查阅文献来了解课题研究背景,研究目的。在这一过程中必然会遇到很多不熟悉或不了解的知识点,在要完成项目的动力推动下,项目组成员会积极主动的查阅资料来解决过程中遇到的问题。项目研究的实施方案也是在学生前期工作的基础上自主提出,通过与导师的沟通,在教师的指导下拟定。这样既发挥了学生的主观能动性,激发学生的学习欲望,又可以保证研究方案的可行性。项目研究的实施过程全程以学生为主体,通过走进实验室,自己动手做实验来提高自身的实验操作能力。项目研究过程通常会涉及很多环境分析、环境监测类的实验及大型仪器操作,因此通过项目参与可以显著的提高学生的实际操作能力。不仅如此,项目研究过程中会遇到各种导致实验失败的问题,学生要解决这些问题就必须综合运用自己学到的专业基础知识。从项目的整个参与过程看,基础研究类项目充分发挥学生的主动性,提高了实验操作能力,强化学生学科知识体系,为创新应用型人才培养打下坚实的基础。
3.2工程应用类:理论与实践结合培养学生工程实践能力
与理论研究类项目不同,工程应用类项目强调研究成果的应用。以国家级、省市级科技公关项目为代表的工程应用类研究项目一般是各行业中急需发展的创新性项目,代表了行业的发展方向,并且技术难度比较高。科技公关项目的工作环节一般有技术应用,评价分析,试验鉴定、实践效果,总结备案等工作过程。这类项目的研究模式一般是研究试验、鉴定、实验、投入实践应用,强调项目成果的最终应用。将科技攻关项目作为大学生创新培养项目的课题来源,可以将理论研究与实践应用很好的结合起来。从我院学生参与市级及区级科技公关项目的效果看,科技公关项目明显的激发了学生对自己专业的热情。高校长期的理论教育方式,一定程度上使学生厌烦了这种学习模式。而科技公关项目恰恰可以称为理论学习与实践应用之间的纽带。以笔者所在课题组的所承担的一项科技公关项目为例。由于本项目涉及水污染控制工程的相关理论与知识,因此在学院范围创新项目时,明确指出了项目的技术要求和成果应用要求,并特别要求项目成员需是大三以上年级的学生。项目启动后,项目组成员紧围绕自己的研究任务收集资料,查阅文献,制定方案。每周抽出一定时间去工程现场对水处理的构筑物及相关工艺进行调试,并采集样品进行分析检测。整个团队计划周全,分工明确,紧密协作,不仅较好的完成了相关的任务,而且在研究过程中提出的一些建议和见解也十分具有参考性和创新性。可见科技开发项目在培养实践创新型人才上的作用是显而易见的。
3.3学生自主类:充分发挥学生自主创新精神
大学生创新项目包括校级、省级的大学生创新训练计划、“挑战杯”课外科技活动项目、广西高校大学生化学华工论文(设计)竞赛等。大学生创新项目以实验室为依托,以学生为项目主持人及项目组成员身份全程参与项目研究的各个环节。我院环境工程专业每年都有一批学生申报或参与申报各级大学生创新项目。项目组成员组成由学生自由组合,教师从中择优推荐上报,最终形成多年级,多专业的成员梯队。与其它研究项目不同,大学生创新训练项目完全以学生为主体,学生在项目主持人和项目成员的双重身份下,除了要做好项目研究的实验工作,还要负责项目的申报,项目过程实施,项目经费管理,项目结题等多项工作,有利于充分发挥学生自主创新能力,培养学生处理问题的综合能力,为他们日后走进社会提前练兵。此外,通过大学生创新计划项目,学生在二年级,三年级甚至是一年级就开始走进实验室。高年级学生带低年级学生,经过一到两年的训练,大部分学生可以完成项目的基础研究工作。尤其是3年级学生,可以将大学生创新项目与自己的毕业设计相结合,争取到比较充裕的时间来安排大四的实践教学和就业活动,从而较好的解决了毕业设计与就业工作之间的时间冲突。3.4企业合作类:全面培养学生实践工作能力高校科研工作中,企事业单位合作项目通常要解决企事业单位在生产实践过程中遇到的实践难题,项目的最终结果是要求解决问题。我院环境工程专业教师的横向课题所承担的工作性质和任务主要是在三废治理基础上的技术革新、工艺改造、仪器设备设计、节能降耗,监测分析等等,内容非常广泛。教师将这类项目以毕业论文选题的形式让学生参与,能较好的将学生将来从事的工作和企业需求结合起来。我院企业合作类项目通常采用双导师制,学生除了要在学校完成一定的研究任务外,还必须有一定的时间到企事业单位去研究。甚至整个毕业设计的内容全部在企事业单位完成,从而真正的解决企事业单位的实际问题,将研究成果具体应用起来。企事业单位合作类项目可以以学生毕业设计选题的形式展开,让学生深入企业内部开展相关的研究直接强化了学生的工程实践能力,加强了他们对知识的掌握和运用,同时也可能解决部分学生的就业问题,极大的提高了学生的积极性和自我成就感。
4总结和展望
(一)管理制度不健全。对于其它实践教学环节如毕业设计,学校往往制定了详细的质量标准与评估指标,而对课程设计的教学缺少系统性、实质性监管和奖惩措施。
(二)学生思想不重视。一般课程设计都是安排在学期末,学生忙于准备期末考试,临近假期又着急回家,不能将全部精力投入到设计中,而且抱着交个材料上去就能过关的心理,对课程设计敷衍了事,得过且过。
(三)单个课程设计学时不足。环境工程专业的课程设计主要集中在第三学年,开设的有环境工程课程设计(一)泵站、(二)管道、(三)水处理构筑物、大气污染控制工程课程设计、环境监测与仪器分析课程设计等,种类较多,但是单个学时较少,一般只有1~2周,设计深度不够,只能浅尝即止。
(四)题目单一陈旧。课程设计的指导老师往往由相关的理论课老师担任,一个老师要同时指导环境工程专业两个班的学生,而课程设计仅有1~2周,时间少,老师精力有限,基本上所有学生只能共用一个题目,题目类型由指导老师来确定。由于教师所掌握的工程资料有限,课程设计的选题往往已使用多年、比较陈旧,工程实践性不强。
(五)设计脱离实际。现在进入高校的门槛越来越高,基本都要求有博士学位,这些年轻教师往往从学校毕业后直接到学校任教,没有经过严格、系统的业务技能和专业实践训练。环境工程专业课程具有较强的理论性、实践性和应用性,教师若只有理论知识,缺乏工程实践经验,在授课时照本宣科,不能很好地将理论与工程实际相结合,最终将导致学生感觉工程理论基础知识枯燥、抽象、理解困难。学生在进行课程设计时也就只能依葫芦画瓢,设计与实际脱节,无工程实际意义。
(六)考核指标片面。课程设计的考核主要是指导老师根据学生提交的设计说明书和图纸进行成绩评定,缺乏对过程的监管,使一些学生产生偷懒心理,之前不认真查资料进行设计,临时抱佛脚找其他同学的随便改改交差了事。这种片面的考核方式不能客观真实的反映学生的实际设计水平,还严重影响了学生的积极主动性。
二、面向卓越工程师培养的课程设计教学改革
(一)加强监管,提高教学质量。健全课程设计的监督、管理和检查机制,从学校、学院和教师三个层面制定详细的课程设计教学管理流程,对课程设计的质量进行有效的监控。同时加强教务处及学校督导组对课程设计教学工作的抽查监控力度,对教师指导课程设计工作、课程设计质量、成绩评定等各方面进行检查,促进课程设计教学质量的提高。
(二)强化教师的工程背景。当前学校对教师的考核存在重科研轻教学现象,使老师大量的精力投入在科研上,部分教师的教学积极性没有发挥出来。教师忙于跑项目、写论文、出成果,忽视了科研成果的转化,逐渐脱离了实际应用,有工程实践经验的就更少了,即使有也是陈年的经验了,而课程设计的教学需要的就是实践经验,因此学校要加强对教师队伍这方面的培养,定期送教师去企业交流,使教师能接触生产一线,掌握生产实践的新动向。同时建立青年教师参加工程实践的激励机制,支持教师与企业合作承担科研课题,开展应用型科学研究,实现学术水平与工程实践能力的双提升。
(三)深化校企合作。盐城工学院“卓越计划”试点专业实行校企联合培养模式,培养分为校内培养和企业培养两个部分:本科生保持4年学制不变,优化提升“3+1”模式,在校学习时间2.5~2.8年,在企业学习实践累计1.2~1.5年。中国盐城环保产业园和江苏科易达环保科技有限公司作为环境工程专业主要的校外实践基地,能为学生提供良好的企业实际工程环境和实践教学资源。但是实践基地这些优秀的教学资源不应该仅仅用于最后一年多的企业实践阶段,前期教学中的理论学习,如课堂的工程案例分析、课堂讨论及布置的课下作业都可以结合工程实际。课程设计的题目设置也要是真刀真枪,来自于企业的项目实例,体现当前行业的技术发展水平,这样才能真正有助于提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。
(四)建立课程设计题库。针对课程设计题目单一陈旧的问题,可以通过建立设计题库的方式来解决。指导老师平时注重收集素材,每两年更新一次,淘汰陈旧的题目,增添新的,与时俱进。题目多样化,根据题目的类型分若干个模块,每个模块包含若干个主题,每个主题下设置一些题目。如环境工程课程设计水处理构筑物的设计题目可以分物理处理构筑物和生物处理构筑物两个模块,生物处理构筑物模块下包含活性污泥法、生物膜法和厌氧生物处理技术三个主题。学生可以根据自己的兴趣选择题目,提高了学生的积极性,并且能有效地防止抄袭现象。学生在理论课程的学习时,看到感兴趣的题目,经老师确认有可行性,符合课程设计的要求,也可以加入到题库中。
(五)拓展课程设计教学环节。目前课程设计的指导老师基本上由相关理论课老师担任,那么在课堂教学中要避免“满堂灌”,可以引入工程思想、原理和方法系统,推行启发式、研讨式、案例式教学和研究性学习,使学生加深对理论知识的理解,学以致用。通过淡化理论教学与实践教学的界限,将理论知识融入到“模拟企业、模拟项目”的情景中,培养学生工程意识,提高工程实践能力。课程设计不应该仅仅局限于完成基本的教学任务,对于一些创新性比较强的设计,可以鼓励学生参加各类各级环境工程专业相关的设计竞赛,如国家级的全国高校环保科技创意设计大赛,校级的环保创新设计竞赛等,进一步增强学生的理论功底,培养学生的工程实践能力和自主创新精神。
(六)注重专业素养的培养。在教育部制定的“卓越工程师教育培养计划”的通用标准中第一条就要求具有良好的职业道德及较强的社会责任感,这与我国高等工程教育一贯倡导的“以德为先、能力为重、全面发展”的人才培养理念是一致的。课程设计作为环境工程专业实践教学的重要环节之一,应该在培养学生成为未来工程师所必需的职业道德、安全意识、环境意识等基本素质方面发挥重要的作用。在课程设计之初,可以联系相关企业组织参观、座谈、调查研究、考察等活动,帮助学生了解本职业应具备的基本能力与素质。课程设计时,真题真做,增强学生将所学的理论知识应用于实际生产及分析问题、解决问题的能力。学生按照自愿的原则组成3~4人的团队,一起讨论设计方案,分工合作,最终完成一个综合性的设计,不仅可以杜绝混学分现象,还培养了学生的责任感和团队协作能力。
(七)改革考核方式。完善考核体系,严格考核制度,提高课程设计质量。改变原来单一的考核制度,注重全过程的考核,增加设计中期进度检查,设计后期答辩环节。完善评分体系,对设计成果从创新性、规范性、严谨性、科学性等方面进行逐项打分。不合格的设计给予一次修改机会,若还不能达到合格要求,须下次重修,从而引起学生对课程设计足够的重视。
三、结语
微生物课程具有很强的实践性,在教学工作过程中,推动实验教学的发展,可以有效强化学生的学习效果,促进学生综合成绩的提高。在实验过程中,为了培养学生的创新精神和实践能力,我们需要优化实验内容,强化实践环节,从而强化微生物实验教学效果。
(一)推动微生物实验课程的改革
实验是学生学习和了解微生物的重要渠道。通过实验进行教学可以培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。在微生物实验课程教学过程中,我们应当帮助学生认识到实验教学工作的不足,帮助学生主动探索、了解、观察实验,便于学生开展实验工作。学生在实验过程中,可以充分锻炼实验技能,加深对微生物性质、特性的理解,从而提高知识水平。在学生实验的过程中,可以以实验为契机,让学生了解环境治理中可能涉及的相关细菌集群的问题,让学生在参与实验的同时,了解该知识领域的动向,为学生的后续课程研究工作打下基础。通过微生物实验课程改革,培养学生实践能力,为学生的后续科研与实践打下良好基础。
(二)强化实验课程中的实践环节
在微生物实验过程中,实验涉及许多未曾接触过的问题。通过实验教学,可以让学生接触未知的环境和问题,在此过程中可以锻炼学生分析问题、解决问题的能力,培养学生创新能力。实验是培养学生创新思维的重要途径,因此,在教学工作过程中,我们要将基础知识与实践相结合,增加实验课程中学生实践环节的比重,引导学生正确开展实验,并在实验过程中发现问题、解决问题,从而提高学生综合素质。
二、微生物实验教学实践总结
微生物实验教学工作的发展,应当在强调基础知识、理论教学的前提下,充分利用现代社会的技术条件,通过实验工作进行创新,从而强化微生物实验课程教学工作的效果。实践教学可以很好地将基础知识与实验相联系,让学生在实践过程中获得知识,从而强化教学效果。教学内容与环境实际相结合,可以大大提高学生的学习兴趣,强化微生物教学工作的效果。为了方便实验工作的进行,我们可以利用现代技术,优化课堂教学内容,并对教材内容进行优化、组合,从而拓展基础知识面,方便教学工作。在微生物实验过程中,应用传统的实验教学方式教学效果不佳。通过对微生物实验教学方法的创新与改革,可以让学生更好地理解知识,强化教学效果。对于实验工作的改革,我们应当增加实验中学生参与环节,鼓励学生主动参与实验、开展实验。同时,对于学生的实验工作效果应当进行监督校准,从而强化实验教学效果。在实验过程中,我们可以同时开设两个小组进行实验,通过实验对比,可以减少学生动手锻炼的时间,又可以减少实验的次数,了解学生的学习效果。
三、结语
环境工程CAD应用能力广泛,涉及到环境工程如格栅、沉降池、絮凝、曝气池、厌氧处理池、污泥干燥、污泥焚烧等多方面工程设计,由于它的功能强大,图层界面多、能与多种软件协同作用,这样使得学生对CAD软件快速掌握带来了一定的困难。环境工程人才培养及CAD技术的应用,是一项复杂的系统教育研究,确定科学合理的培养目标和方向,按照有章可循、有的放矢的原则,通过实践逐步确立环境工程CAD人才的培养目标。掌握CAD基础知识、熟练操作CAD软件、熟练绘制污水处理专业设备图形、掌握CAD专业开发,是环境工程CAD人才的培养目标主要方向。
2充分体现专业特色培养
学生学习兴趣体现专业特色激发学生的学习兴趣,作为环境工程实践教学的主攻方向,教师通过讲解和环境工程主要设备的实例制作,激发学生对CAD的技能应用和探索热情,在实践操作中鼓励学生抛开书本束缚,在环境工程的常见设备如沉降池、絮凝、曝气池、厌氧处理池等图形功能的绘图、编辑、图案绘制、尺寸标注以及三维建模功能方面灵活应用。教学中针对每一个教学环节不但要以各种搅拌轴、传送带、栅栏槽、水泵、闸阀等单体实例进行讲解,同时要通过基本命令和用法引导学生如何使用快捷键和命令窗口绘制出一幅体现专业特色的完整图形。激发学生的学习热情。注意学生专业技能的培养,利用主讲教师自身的设计作品激发学生创作热情,树立学生设计信念和专业信心,在有条件的前提下带领学生参观著名设计师工作室,亲临感受设计氛围和现场工作环境,为自己人生规划制定行动纲领。在教学中应当鼓励学生发挥主观能动性,加强综合能力的培养,针对有关图形格式转换、版本升级、文件压缩、字库增加、Word文档中插入CAD图形等实用技巧应熟练掌握。
3合理安排内容培养独立思考能力
针对环境工程方向的特点明确教学目的,合理选择与教学内容相关的污水处理厂,对单体设备如泵房建筑、格栅、沉降池、絮凝、曝气池、厌氧处理池、污泥干燥、污泥焚烧等进行教学演讲,分析各单体结构特点、功能、作用原理,在集成体系中的作用。在学习的过程中,培养学生独立解决问题能力,以在设计思路解决“做什么”、“怎样做”、“结果如何”三方面设计框架,将学生绘图思想转化为CAD设计绘图思维,在短时间内使学生解决设计思维的转化,从培养学生的自学能力出发,提高学生理解能力,更激发了学生的CAD设计的兴趣。
4注重CAD上下游软件的关联性
基于AutoCAD图形平台,其下游软件Skechup在设计中实现了专业化、可视化、智能化的设计理念,快速、方便、迅达地在施工设计图上,能够深度且同步地表现三维立体模型,该系列软件拥有先进的结构分析软件包,并有污水处理计算的常用方法,以及丰富和成熟的结构施工方案辅助设计功能,其在物料恒算、污水处理曝气计算、污泥产生计算、动力消耗、热能损失等方面形成完整体系,同时可以应用Skechup软件和PhotoShop软件,对作品进行三维造型设计和图形渲染,使得作品更加生动、直观,达到理想的教学效果。
5案例设计教学的实施过程
案例设计教学是一种有计划、有目标的活动,通过对教学案例进行设计讲解,是实现CAD课程有计划、有步骤进行的必要手段,案例设计教学不是一种随意、随机的行为,在设计案例时应用与实际应用相联系,通过一个案例-厌氧处理池基本应用设计,将厌氧处理池设备分解、分化成不同的功能单元,分组完成的不同单元结构体设计,通过单元教学使得绝大部分基本操作融汇在单元案例中,在设计过程中了解其具备的基本功能,同时掌握单元体的实际应用和操作使用方法。将厌氧处理池的独立搅拌系统、污水输入系统、厌氧发酵系统、沼气收集系统压力控制系统进行案例操作、设计与三维立体模型制作,并通过数码成像处理技术、图像合成技术制作形成完整控制单元,并以AutoCAD图形平台、Skechup建模、Photoshop可视化渲染的特效处理,实现功能化的宏观表现,通过组合案例的设计与实践,使用同学们在掌握大三元功能设计的同时,深刻地了解了该单元体在现实工作中应用,使得案例教学开放性、生成性得以体现,使案例设计更好地为教学服务,培养了学生的自主创新能力。
6课程设计的实践与提高注重课程设计实践活动
运用单元设计的知识和设计技巧,在教师指导下独立或小组结合的方式完成工程的综合设计。老师应对课程设计的主要内容和实施步骤进行讲解,设定课程设计题目,供同学们筛选,以小组为单位,各组员进行分工安排、制定计划,组员明确各自的任务,同学之间互相合作共同完成设计工作。在设计的初期阶段,需要同学们通过各种渠道查阅相关资料,以及已有的样例,根据资料做了设计分析,完善工程单元设计,独立产生各种部件如管道、阀门、水泵、搅拌机、污水进入、净水输出等设计,达到设计规范的技术要求,使用户体验更真实、流畅的目的。通过应用CAD课程设计使同学们逐步锻炼出解决问题的能力,同时将把毕业设计的一般性内容,延伸到CAD课程设计的实践环节中,通过多年的努力实践取得了良好的效果。
7CAD的多元化考核评价方式
采用多元化考核方式完成对环境工程CAD课程教学效果的评价,在环境工程主要环节如格栅、沉降池、絮凝、曝气池、厌氧处理池、污泥干燥、污泥焚烧单元操作,采用主导教师提供3-5个设计单元方案,学生根据自身特点和擅长自由选择设计方案,最终提交自行设计的不同方向的设计作品。学生提交作品的方式,单元设计实施过程中,学生完成的设计作品能够反映学生对环境工程CAD软件绘图技巧和图像处理技术掌握水平和应用能力,能够反映出学生对格栅、沉降池、絮凝、曝气池等单元的创新设计能力。综合上述因素CAD课程的评价方式采用教师评价、学生互评和小组评析的形式,其中教师评价中包含对每一位学生的所有作业进行分数计量,作为阶段成绩的一部分。同时过程性评价则由教师根据学生平时学习态度、出勤、作业、提问等方面综合评定。而设计技能的评价以实训大纲为依托,由专业任课教师对学生的实际操作能力以模块进行考核。
8新旧教学效果比较
膜分离技术利用膜的选择渗透作用之间的差异实现分离、提纯,外界能量和化学位差是其外在推动力。膜分离技术包括很多种类,下面笔者就几种主要技术进行简单介绍。
1.1微滤分离技术(MF)微滤分离技术属于高级过滤技术的一种,采用筛分原理,同时将压力差作为助推力,实现膜分离。其技术原理和普通过滤方法基本一致,但其能将更小微粒过滤掉,是比较安全可靠的过滤技术。
1.2超滤分离技术该技术主要应用目的为去除水中多余杂质,通过压力驱动实现膜分离。目前,大分子物质、蛋白质、胶体等物质分离时,常会用到超滤分离技术。该分离技术能够快速将废水中杂质和悬浮物取出,并可以作为活性炭过滤器的替代品,具有广泛用途。
1.3反渗透分离技术(RO)在高压水环境中,反渗透分离技术可以及时阻止某些细菌、病毒(或锌、钙等离子),而保证水分子能够顺利通过,获得高质量水。该分离技术在苦咸水脱盐淡化处理和海水淡化中具有较为广泛的应用,目前现有淡化方法中,反渗透分离技术是最经济的。在一定程度上,其自身效用已经超过电渗析分离技术。
1.4动态膜技术(DM)动态膜技术包含两层分离含义,一是动态膜自身分离层,二是动态膜载体。所谓动态膜载体,是指利用大孔径不锈钢丝网材料对动态膜进行承载,使得动态膜自身分离层依附在载体上。现阶段,动态膜技术尚还处于发展阶段,在对污水处理进行时,还需要不断实践和创新。
2膜分离技术在水处理环境工程中的应用
2.1饮用水处理饮用水处理主要原则是去除水中细菌、病菌等有害物质,并将水中悬浮物过滤掉。将膜分离技术用在饮用水处理工作中,是水处理环境工程的重要突破。应用微滤、超滤、纳滤等分离技术,不仅过滤作用强大,还能去除水中微米级别颗粒,效果良好,提升了饮用水水质。和常规饮用水处理技术相比,膜分离技术具有很大优越性。
2.2工业废水处理工业废水排放范围广、排量多,且水中含有不同种类、浓度化学物质,是非常令环保部门头疼的课题。工业废水处理原则是消除水中有害物质、回收水中有用物质、节约水资源,工业废水要采取严格净化措施,达到国家标准方能排放。膜分离技术在工业废水处理上。它不仅能净化工业废水,更能实现水中有用物质的回收再利用,收到良好环保效果,在节约水资源上也发挥着无可替代作用。目前,膜分离技术在工业废水处理中应用广泛,工业废水经过膜分离技术处理后,能够达到国家相关排放标准,也使得废水中有用成分得到有效回收。
2.3苦咸水脱盐处理为解决我国部分地区淡水资源紧缺的问题,将地下苦咸水进行脱盐淡化是有效途径之一。目前,苦咸水脱盐处理主要应用到的膜分离技术包括反渗透技术、电渗析技术、蒸馏技术以及纳滤技术等。电渗析分离技术不能有效去除水中细菌、有机物,且能耗较大,因此目前使用范围还不够广泛。而苦咸水经过反渗透分离技术脱盐淡化处理后,会改善水质,并符合(甚至高于)国家《饮用水卫生标准》。反渗透分离技术操作简单、清洁环保、能耗较低,过滤过程易于控制,具有良好净化效果。当然其成本低廉,是目前苦咸水脱盐处理的最佳方案。
2.4海水淡化处理目前,在海水淡化领域,主要应用到的膜分离技术包括电渗透分离技术、膜蒸馏技术以及反渗透分离技术等。其中电渗透分离技术可以对海水进行直接淡化,用来制造适合人类饮用的水源。但目前该技术尚不成熟,且能耗较高,水资源回收率低。膜蒸馏技术具备众多优点,如设备构造简单、易于操作、清洁环保、能耗较低,并且膜的使用寿命相对较长。应用反渗透分离技术对海水进行淡化,相比之下,不但成本较低,同时具有脱盐率高、耗能低等特点。反渗透分离技术应用在海水淡化领域,是水处理环境工程的一次重大突破和变革。现阶段,利用反渗透分离技术对海水进行淡化,可有效解决淡水资源不足的问题。
3结语
我校环境工程实验室的建设目标是能够充分满足本专业、本院的本科教学、研究生教学和科研的需要。实验室实行学院、系两级管理。学院负责实验室的硬件建设并提供实验室正常运转、维修及更新改造的费用;环境工程系负责实验室人才队伍和软件建设,以及实验室的日常运行和管理工作。为了让新的环境工程实验室更好的服务于三峡大学和社会,需要从以下三个方面来加强和完善实验室的建设。
1加强实验技术人员队伍的建设
实验技术人员队伍的建设是实验室建设的核心问题。实验技术人员队伍的水平决定了实验室的水平。硬件设备可以快速的备齐,但是实验技术人员的培养却不是一朝一夕能完成,而是一个长期的过程。目前,环境工程实验室的专业技术人员只有1人,属于高级实验师。一个人既要为本科生准备各种实验,还要管理实验室,精力更本不够,需要引进更多试验技术人员。当然,为了解燃眉之急,还可以鼓励环境工程系的老师兼职做实验老师。通常,实验课由相应的理论课老师负责。这样既可以减少实验技术人员的负担,有助于精简实验室的人员编制,还可以避免理论教学与实践教学脱节。将两者结合起来也有助于教师队伍业务素质的培养和业务能力的提高。除了引进实验技术人才,还可以加强对现有的实验人员或其他老师的培训,比如参加各种培训或学术交流,使他们及时了解先进仪器设备的发展动态和学科前沿技术,及时更新知识结构,不断提高业务水平。另一方面,由于实验室技术人员一直被认为是“教辅”人员,他们的待遇也一直不如理论课教师,这样使得多数人不愿意做实验员,或者不愿意尽心做好这份工作。因此,我校应该完善实验人员的考核制度,提高他们的地位和福利待遇,让他们都能安心做好各自的工作。
2加强实验室仪器设备的建设和管理
仪器设备及其他硬件设施是实验室发展的基础。新建的实验室虽然明显增加了空间,但是现有的仪器设备显然不能满足要求。因此,将来必须加大环境工程实验室仪器设备更新和升级的投入,淘汰一些太老的仪器,并维修一些还可以用的坏仪器。同时,有针对性的增加部分大型仪器,以满足更多的需求,比如气相色谱、液相色谱和离子色谱等常用的水质分析仪。目前,实验室的大型仪器只有去年刚买的原子吸收光谱仪。另外,环境工程实验室还可以借助挂靠在我院的三峡库区生态环境教育部工程研究中心的先进仪器。这样既可以快速地提高环境工程实验室的水平,也有助于提高工程中心的仪器使用率。学院原本计划建立一个分析测试中心,把学院所有的大型仪器集中放在一起,由专人看管,方便全院师生使用。我觉得这是一个很好的方式,可最大化的利用各个仪器。以前,各个仪器都是在某一个老师的实验室,主要是个人用,导致仪器的利用率不高,而其他老师要用却很不方便。现在很多好的高校都是把很多大型仪器集中起来,建立分析测试中心,面向全校师生服务,还可以对外开放创收。环境实验室仪器种类多,而且多数仪器是各门实验课都需要。因此,有必要建立相应的管理体系。首先,需要建立网络管理平台,对实验室所有的药品和仪器设备的详细信息进行统计并分类,并在网上对学校教师和学生公开,方便查询。各个仪器旁边放置相应的操作流程说明,对于一些大型仪器,需要专人管理,不允许学生单独操作。对于负责大型仪器管理的实验员必须参加过该仪器的操作培训,能够熟练操作该仪器。对于大型仪器,应该有相应的登记本,记录每个人用过的时间和仪器状态。另外,对于实验室的各种仪器、设备外借,应有规范的手续,借用和归还时都应检查仪器是否完好,并做好登记,明确责任。对于损坏的仪器设备要及时维修,每年定期报废达到使用年限、无法正常使用的仪器设备。
3完善实验室的各项规章制度
由于目前的环境工程实验室面积小、实验人员少,服务的学生也相对少,实验室的管理还没有形成完备的规章制度。但是,随着新实验室规模的加大以及将来学生的扩招,需要建立新的实验室管理制度。实验室的规章制度在推进实验室现代化建设和科学管理方面起了重要作用。为了规范管理,保证实验室的正常运转,必须制定详细的实验室管理办法。通常,实验室的规章制度应包括:实验室工作条例、管理条例、实验室工作人员职责、学生实验守则、化学品管理办法、实验仪器设备使用与管理办法以及安全与卫生制度。实验室的工作人员和使用实验室的人员必须遵守实验室的各项规章制度,才能保证实验室的正常运行。实验室的规章制度必须从实际出发,具有相对的稳定性和连续性,既要有原则性又要有适度的灵活性。一个完善的实验室规章制度,既要有明确的管理对象、管理任务、管理内容和管理办法,还要明确责任监督和奖罚办法。完善的实验室规章制度有助于实验室的良好运行,可以更好的服务于教学和科研。
二结束语
在纤维乙醇研究领域,针对生产成本高的问题,研究人员选育高产复合系纤维素酶[9],并尝试进行固定化技术以提高酶的利用率[10]。王振斌[11]等尝试通过使用超声波来对固定化纤维素酶进行预处理,在酶解温度58.73℃,CMC-Na缓冲液pH3.0、超声时间16.88min、超声频率22.33kHz、超声功率26.77W的条件下,固定化纤维素酶活性与未加超声波预处理相比较提高了9.75%。上述研究,提高了发酵速度和设备利用率,使乙醇得率得到较大的提升,这些都推动了酒精行业的不断进步。
2在环保行业中的应用
2.1废气处理方面
活性炭填料床反应器具有较强的抗冲击能力。赵康[24]等建立了海藻酸钙凝胶固定化活性污泥反应器处理丙酮废气的数学模型。由引入颗粒调整系数的概念以解决模型假设与真实情况的差异。在流量为1100mL/min、反应器进口丙酮质量浓度为3051mg/m3时,测定4个采样口和出气口的丙酮浓度,对反应器模型参数进行了校正,得到微生物最大比生长速率为4.17×10-5mg/mg·s,丙酮半饱和常数为76900mg/m3,氧气半饱和常数为273mg/m3,颗粒调整系数为195,丙酮分配系数为0.0024。曹桂萍[25]等考察了在固定床生化反应器中使用海藻酸钠包埋法制备固定化细胞对废气SO2的去除能力,结果发现,当细胞量为0.3g时,海藻酸钠质量浓度为3%,氯化钙质量浓度为4%,固定时间为14h时,在无喷淋液体、气体停留时间为5s,入口浓度低于7mg/L时固定化细胞对废气SO2的净化效率达90%,最大生化去除量为240mg/L·h。徐健全[26]使用固定化混合菌进行油烟废气降解的研究,结果发现,当油烟入口浓度小于400mg/m3,气体流速小于0.6m3/h时,降解效率可达90%以上。以上研究结果从不同方面佐证了固定化技术在去除或降解废气中的应用效果。
2.2废水处理方面
固定化技术因其抗逆性、抗毒性强、对环境适应性强、系统内微生物或酶的浓度和纯度高、反应迅速、固液分离容易,以及可以减少反应器堵塞等特点,使其在废水处理方面应用广泛[27]。周珊[28]等研究发现,使用竹炭固定化假单胞菌在处理高浓度苯酚时具有效率更高和处理量大的优势。竹炭固定化假单胞菌对苯酚的降解效率在pH5~8范围内,以200mL水样中固定化假单胞菌添加量为20g时最高。李二平[29]等研究发现,利用聚乙烯醇-硫酸铵包埋法对硫酸盐还原菌污泥进行固定,采用上流式厌氧反应器对含锌废水进行处理,结果表明,Zn2+去除率达98%以上,出水Zn2+达到国标要求。于光[30]等研究发现,固定化溶藻菌对藻细胞和藻毒素的48h溶解率和降解率分别达到了85.68%和60.16%。司伟磊[31]等研究发现,固定葸醌的聚氨酯泡沫经10次循环使用后,偶氮染料的生物脱色速率仍保持在90%以上。李正魁[32]等研究发现,辐射聚合固定化反硝化菌对污水中硝酸盐去除率可达到78%。其他研究人员开展了固定化微生物对苯胺、甲醇、二氯酚、总氮等污染物的去除研究并取得了良好结果。这些研究为固定化技术在废水治理中的应用提供了有益的借鉴。
3在生物制氢方面的应用
固定化制氢微生物主要有发酵制氢和光合作用制氢两大类。在发酵制氢微生物方面,罗欢和黄兵研究发现,使用海藻酸钠固定微生物进行发酵制氢,其最大累积产氢量为496mL,平均比产氢速率为15.8mL/h·g。在光合作用微生物方面,陈明等研究发现固定化技术能够提高产氢率,并且以海藻酸钠作为载体时的效果最好。同时,在对乙酸、丙酸、丁酸等底物的转化率进行考察时发现,乙酸的最大氢转化率最高,达到65.3%。廖强等研究发现,光合细菌代谢底物为产氢提供还原力氢。随着光照强度的增大和进口流量的增大,固定化光合细菌光生物制氢填充床在产氢速率和底物降解速率呈递增趋势。刘双江等用海藻酸钠固定sphaeroidesH菌株进行豆制品废水产氢实验,氢含量在60%以上,废水COD去除率达41.0%~60.3%。研究还表明,高浓度有机废水的平均产氢速率和化学需氧量(COD)去除率均高于低浓度有机废水,但H2含量较低。朱核光利用琼脂固定R.sphaeroides进行豆腐废水产氢实验,50h连续产氢,最大产氢速率达2.1L/h·m2,TOC去除率达到41%。Yokoi等人对产气肠杆菌HO-39菌株采用多孔玻璃为载体对菌体进行固定时,产氢率提高到850mL/L·h(HRT=lh),较非固定化细胞的产氢率提高7倍。这些研究成果开辟了生物制氢的新路径,为生物制氢新工艺的开发提供了参考依据。
4在生物柴油方面的应用
酶法生产生物柴油具有反应条件温和、醇用量小、产物易分离及无污染物排放等优点,尤其是对原料要求低,有望降低生物柴油的生产成本,因此,酶法生产生物柴油日益受到人们的青睐。固定化技术的应用,进一步推动了酶法生产生物柴油的研究。吴茜茜等的试验结果表明,在20mL正己烷、加酶量7.5g(12U/g)、脂肪酸10g、酸醇摩尔比为l∶1.2、含水率4%条件下,分3次加入甲醇,40℃反应8h,反应体系酯化率达到了82%。在王学伟的试验中,其同样以正已烷、固定化的脂肪酶、脂肪酸(大豆油)、甲醇为反应物,最终得到脂肪酸甲酯的质量分数高达91.87%。高静等的研究表明,自制的固定化假丝酵母脂肪酶99~125可以较好地合成生物柴油。在最佳实验条件下,反应体系采用石油醚(60~90℃)为溶剂,底物有机溶剂与油的摩尔比为1∶4,反应体系加入油质量的10%的水,采用2次流加甲醇,反应6h,油醇摩尔比1∶3,反应转化率最高可达92%,酶使用7批后,其反应转化率仍然能够达到70%。张媛媛等研究了固定化南极假丝酵母脂肪酶(Candldaantarcticalipasc)的新方法,在固定化酶同时加入聚合物PEG(polyethyleneglycol)进行非共价修饰,可显著提高固定化酶的转酯活力。PEG修饰的固定化酶转酯比活是未经PEG修饰的固定化酶的4.1倍,转酯酶活回收率为604.8%。高静等研究发现,使用木糖对脂肪酶进行保护,其变性温度为144.3℃,比未保护的酶提高了83.8℃。魏作君等将溶胶-凝胶法制备的固定化离子液体进一步应用于脂肪酸与乙醇的酯化反应,正己酸乙酯产率均在90.0%以上。王珊等用活性炭固定产脂肪酶的发酵性丝孢酵母细胞,结果发现,在100mL发酵培养基中(250mL摇瓶)添加1.0g活性炭、于160r/min吸附培养48h,可吸附较多发酵性丝孢酵母细胞。将固定化细胞于4℃保存30d固定化细胞的脂肪酶活力无明显下降。用固定化细胞催化大豆油转酯化反应,连续催化5批后酯化率仍超过50%。但是筛选高活性脂肪酶、对介质耐受性好的脂肪酶,以及提高脂肪酶的使用寿命和转化率仍然是长期的研究课题。笔者有理由相信,随着脂肪酶法合成生物柴油技术的发展与产业化进程的推进,脂肪酶法制备生物柴油将会以其高效、安全、节能、环保、低成本等优点得到广泛推广应用。
5结论与展望
虽然固定化技术在诸多领域已经得到了长足发展,但是在特定行业中,距离其大规模应用还有一系列需要解决的问题。
5.1酒精行业
首先,载体材料或固定化所用的试剂有时会对细胞产生比较大的生理毒性,进而影响目标代谢产物的生物合成。其次,固定化技术使细胞密度过高,导致营养和代谢产物的传质效果较差,影响细胞整体活性,进而影响代谢产物的生物合成。最后,载体固定化细胞的大规模制备过程复杂,容易引起杂菌污染。而且固定化载体材料的使用和不断消耗也带来了附加成本,使其在酒精行业的推广受到一定限制。在酒精行业,新型、低成本、无毒害或低毒害载体与固定化试剂的筛选与研究将是今后研究的方向之一。同时,大规模固定化细胞制备过程及固定化细胞连续酒精发酵过程中的染菌控制也值得重视。
5.2环保与制氢行业
废水、废气中的成分都比较复杂,单一的菌株无法完全降解,因此研究人员需进一步筛选高效率的、通用的菌种,使一种微生物能够降解多种污染物或者是几种微生物能够联合降解不同的污染物;另外,研究人员需开发出适应于工业化复杂体系的具有高强度、高传质性能、低成本特点的载体、适应于工业化的高效固定化反应器。
5.3生物柴油领域