污染环境生物修复课程“工程环形”教学模式探索

赵建伟，蔡建波，万小琼，胡金龙 

（华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉，430070）

[摘  要] 针对学生在污染环境生物修复课程学习过程中表现出的工程感性认知不足、学习难度大、实际应用能力欠缺等状况，反思传统教学过程中教学与实际工程脱节、重知识传递轻工程应用等难点问题。从学生需求和社会需要出发，课程创建了“工程环形”教学模式。这一教学模式在课堂教学前实施专业实习，使学生对修复工程有直观认识，再在课堂中学习修复理论、修复技术和工程案例，随后设定污染场景进行修复设计，最后在工程现场就设计进行对比检验，从而完成环形教学过程。“工程环形”教学模式解决了教学中的难点问题，并显著提高了学生的积极性和教学效果。

[关键词] 污染环境生物修复；教学模式；课程改革；教学探索

[基金项目] 2020年湖北省教育厅高等学校省级教学研究项目“乡村振兴战略下新工科+新农科交叉融合的环境工程类一流人才培养的探索与实践”（2020253）；2021年华中农业大学第三批专创融合示范课程“环境生态工程”（ZC202101）。

[作者简介] 赵建伟（1976-），男，四川成都人，博士，华中农业大学资源与环境学院副教授，主要从事水体修复研究;万小琼（1975-），女，湖北松滋人，博士，华中农业大学资源与环境学院副教授（通讯作者），主要从事环境生物学和生物技术研究。

[中图分类号]  G642.0    [文献标识码] A      

一、课程背景

近年来，随着我国经济快速发展，污染环境的修复问题日益突出，急需培养优秀的环境修复人才从事生态文明建设^[1]。污染环境生物修复，这门课程就是面向环境科学、环境工程和生态学等专业高年级本科生开设的专业课，专门培养学生运用生物修复技术解决受损环境问题，是应用性很强的工科课程^[2]。本课程承接微生物学、环境监测、环境化学、工程制图等课程，在这些课程内容的基础上，通过系统地学习生物修复理论和修复技术，提升生物修复的设计技能，培养解决实际工程问题的专业能力^[3]。

二、教学难点

（一）实际工程难结合

传统工程学科教学多以传授理论知识为主，不利于学生工程认知的建构和工程思维的培养^[4，5]。缺乏工程感性认知，则容易导致学生死记硬背，考完即忘。课堂教学中，教师通常也以讲解知识为主，而易忽视学科前沿发展、社会工程需求、环境热点事件等学生应当关注的实际问题，难以培养实际的工程技能。因此，如何结合课程内容，紧密联系工程实际，帮助学生解决“怎样用”这一难题是解决问题的关键所在。

（二）学生学习难自主

学生对“课堂学、被动学”的传统教学模式较为习惯，尤其面对纷繁复杂的实际环境污染问题和工程解决方法，常常感到茫然不知所措，容易产生畏难情绪。因此，如何运用有效教学方法和技巧激发学生自主学习意识，结合环境污染问题主动思索实际解决办法，是教师面临的重要挑战。

（三）实践训练难实施

污染环境生物修复课程需应用到较多的基础知识，通常只能安排在大三甚至大四学年。该学习阶段的同学面临着考研、找工作等压力，时间比较紧张，难以实施系统性的工程实习和实践，导致学生对生物修复工程的现场认知更为缺乏。因此，如何利用课前专业实习使学生接触实际工程，形成工程感性印象，是实践训练的重点所在。

三、课程教学新目标设定

基于社会和企业调研，根据企事业对环境修复人才的要求，我们将课程教学目标分为理论、技术和应用，三个新的层次，各层次逐级递进，使学生能够在掌握理论知识的前提下，形成一定的工程应用能力。

理论目标中，主要通过课堂教学，使学生能够理解污染物在环境中降解过程及其影响因素，以及生物修复过程基础理论，为深入了解和掌握具体修复技术提供理论支撑。技术目标方面，要求学生掌握地下水、地表水、土壤、大气等受损环境中主要的典型生物修复技术，以及根据污染场地特征和修复技术特点，筛选出适合的修复技术。应用目标提出更高要求，需要学生通过案例分析和现场观摩，能够将生物修复技术进行灵活应用，并具备初步修复工艺设计能力，培养学生创造性思维能力。

四、“工程环形”教学模式及举措

（一）“工程环形”教学模式

针对教学过程中学生对工程感性认知不足的缺陷，我们创建了“工程环形”教学模式（图1）。该模式设计的教学流程为：在课堂教学前即带领学生对修复现场进行观摩，使学生对修复工程有直观印象，然后在课堂教学中学习具体的修复理论、技术和案例，并针对模拟污染场景进行修复设计，最后到工程现场将实际工程与修复设计进行自我对比，从而建立起“工程环形”教学模式。

图1 “工程环形”教学模式

借助这一模式，在教学前就能让学生接触到实际工程，观测到污染物逐步消失过程，激发同学好奇心和学习兴趣，教学中再对工程技术逐层铺垫，层层递进，使学生循序渐进的掌握修复工程知识，并能将修复技术和工程设计进行结合，就身边环境问题自主进行修复设计与思考。

（二）教学举措

 让学生能够接触到真实的修复工程，这是“工程环形”教学模式实施的一个重要条件。在教学中需充分利用现有各类实习实践基地，以及与企事业单位的科研合作，筛选出适合的实习工程，使学生能到最新的工程现场学习。另外，教师的工程素养也是该教学模式实施的另外一个重要条件。为更好的指导学生专业实习，教师需参加较多的专业学术会议、教师培训，以充分了解修复技术前沿发展动向，引领学生的工程实习。在具备以上两个基础条件后，我们采用了以下具体教学举措来实现工程环形教学过程：

1、工程递进学习

以工程教育为主线，结合核心知识网络，重组知识体系，有机融入工程现场知识，塑造工程递进学习内容体系，形成现场认知-理论知识-工程技术-修复设计-现场对比的螺旋式学习，解决课程难度大、学时有限、理论性强、应用不足的问题。在课堂教学前带领学生现场参观环境修复工程，使学生对修复场地、修复材料和修复效果等产生感性认识，也使学生对环境修复有基本了解，降低后续理论知识和工程技术学习的难度。待工程技术部分学习后，再根据已建工程设定设计场景，让学生进行修复设计，并以工艺图或效果图的形式加以展示。设计完成后，带领学生到已建工程现场学习，引导同学将自己的设计与实际工程进行对比，从对比中发现自我设计的优缺点，从而提升设计技能和信心。通过工程递进学习方式，使学生能够由浅入深逐渐接触工程知识，克服了同学畏难情绪，体会到了工程学习的探索性乐趣。工程递进学习方式也直接体现了“工程环形”教学模式的优势。

2、案例递进学习

在学生找工作面试时，许多环保公司会优先录用有工程经验的毕业生，但工程经验的获得对于常年在校学习的学生而言又是非常困难的。因而，鉴于学生工程经验缺乏的现状，在教学中采用了工程案例逐步递进式学习，使学生能够较为快速的掌握一些工程经验。案例教学时，课程采用计算案例-实际案例-科研案例的教学程序，循序渐进的逐渐深入讲解，使学生能够掌握整体的工程实施流程。计算案例中，主要讲解工程量的计算依据和推导过程，并以实际工程案例为范例，讲解如何将计算所得的各种工程材料运用到设计过程中。科研案例主要讲解新技术发明或新工程理论在科研课题中的应用状况，引导学生了解修复技术的发展趋势和热点问题。在案例讲解完成后，教师提供工程素材，让学生进行案例讲解和对比，进一步了解已建工程的特点，并启发学生进行改进，激发学生的工程创造性。采用案例递进学习，提升了“工程环形”教学模式的教学效果。

3、教学内容模块化

将主要教学内容设计为理论模块、技术模块、案例模块和前沿模块，以理论模块和技术模块为主要内容。理论模块主要讲述修复理论，技术模块则讲述具体修复技术，案例模块侧重工程案例，而前沿模块主要介绍未来科技动态。每个模块既相互独立，其间的知识内容又相互关联，内容结构形成前后相连的环形，便于学生学习，也便于学生进行知识应用。

课程安排上，首先进行理论模块学习，主要内容为修复主体、修复环境、修复过程的讲解。尤其应充分了解学生已学知识情况，针对性的补充地表水、地下水、土壤等环境的讲解。然后在修复理论基础上，进一步设置技术模块的学习，掌握各个典型修复技术的发展过程、特点和应用。案例模块和前沿模块则穿插在理论模块和技术模块学习过程中，对一些重点内容进行补充和强化。

4、教学形式多样化

污染环境生物修复是一门综合性很强的课程，需要灵活运用到较多的基础知识，而学生往往会欠缺部分知识，这就需要利用多种教学形式开展自主学习。我们精心设计各种教学活动，以课堂为核心，将雨课堂、翻转课堂、虚拟仿真等多种教学形式进行有机结合，让学生能与学习内容产生互动，增强自主学习能力。如土壤修复是这门课程的重点内容之一，土壤修复技术讲解前，必须掌握土壤学的基础理论。但通常只有部分同学选修了土壤学，另外一些同学未曾学习该课程。课程学习中，教师会提前了解学生对土壤学的学习情况，再根据不同学生的掌握程度，分类推荐线上资源进行自主学习并提出学习要求，然后在课堂上进行检查并适当补充相关内容，使同学们都能够在土壤修复技术学习前掌握土壤学的基本知识。

同时，开展探索式学习，课前学生根据教师提供的失败与成功案例进行独立学习，再与小组成员进行探讨分析，分工合作完成小组学习任务，再进行小组汇报展示，各小组间相互提问答疑，促使每位同学能够深入参与，充分体现了学生自主学习角色，解决了自我学习动力不足的问题，提高了学生学习积极性。

5、考核方式多元化

采用“工程环形”教学模式，增加了教学内容，也丰富了教学形式，使过程考核更为重要。课程在传统考核方式基础上，对过程考核方式也相应进行了改进。除“书面评价”外，还加入“语言评价”，引导学生能够主动对工程设计和案例采用工程专业术语进行阐述。同时，基于小组探索式分工学习，在“教师评价”形式基础上，增加“学生互评”评价形式。学生互评中，包括了组内互评和小组互评，通过这两种互评方式对小组学习方式进行全面综合考评。组内互评主要是小组内的成员相互进行评分，使每位成员都承担相应任务并保持较高学习积极性。小组互评则采用各个小组间相互评分，使每个小组能够相互竞争且相互借鉴。另外，课程发起问卷调查和课堂测验，加强过程考核，促进学生能够自行检查学习进度，教师则能快速发现教学过程中的问题，及时调整教学方法。

采用全面系统的评价体系，使学习效果能够及时反馈，也让学生、教师得以同步成长，更使环形教学过程的每个环节都能够得到快速反馈。

五、结语

随着我国环境保护工作的力度增强，生物修复研究日新月异，新的修复技术不断涌现^[6，7]。“工程环形”教学模式能使学生密切追踪到这些新的发展趋势，提高同学对新技术、新工程的了解，并增强工程认识和工艺设计能力。经过教学创新后，学生对教学内容配置、教师教学能力、敬业程度满意度都较高。学生认为新的教学模式能够塑造和激发专业创新意识，工程设计水平明显上升，提高了学习效果。学生对专业认可度达也得到提升，从事本专业意愿增强。

“工程环形”教学模式与传统的教学模式相比，最大的区别就是以现场工程为核心开展教学。这一教学模式对学校和教师都提出了较高要求，需要学校层面建设或联系具有较高学习价值的修复工程，也需要教师能够具备丰富的工程经验，能够在工程现场对学生进行讲解、引导、启发。它可在一定程度上改善高校传统工科教学方法中理论多、实践少的缺陷，显著提升学生工程实际应用能力和水平，培养出能解决实际问题的高素质、创新型人才。

[参考文献]

[1]张红振，董璟琦，司绍诚，吴舜泽.中国环境修复产业发展现状与预测分析[J].环境保护，2016，44(17)：50-53

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[3]刘伟，黄蕾，杜伟伟.《环境修复原理与技术》课程教学改革探索[J].产业与科技论坛，2021，20(21)：147-148

[4]丁飞己.工科本科生问题解决能力及其影响因素研究[J].中国高教研究，2020，(05)：17-23.

[5]周静，刘全菊，张青.新工科背景下实践教学模式的改革与构建[J].实验技术与管理，2018，35(03)：165-168+176

[6]王喆，蔡敬怡，侯士田，朱晓华，袁欣，赵奕然，刘久臣，李航，孙倩，张隆隆，谭科艳.地球化学工程技术修复农田土壤重金属污染研究进展[J].土壤，2020，52(03)：445-450.

[7]孙乾照，林海英，张美琦，焦乐，张玥，杨薇，孙涛.滨海盐沼湿地生态修复研究进展[J].北京师范大学学报(自然科学版)，2021，57(01)：151-158.

Exploration of "Engineering Ring" Teaching Mode of Polluted Environment Bioremediation Course

Zhao Jianwei, Cai Jianbo, Wan Xiaoqiong, Hu Jinlong

(School of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan, Hubei, 430070)

Abstract: In view of the students' lack of engineering perceptual cognition, difficulty in learning, and lack of practical application ability in the process of learning the course of bioremediation of polluted environment, we reflected on the disconnection between teaching and practical engineering, as well as problems of attaching importance to knowledge transfer but neglecting engineering application in the traditional teaching process. Starting from the needs of students and society, we created an "engineering ring" teaching model. Professional practice is arranged before classroom teaching in the model, so that students have an intuitive understanding of restoration engineering. Then students learn restoration theory, restoration technology and engineering cases in the classroom. Thereafter restoration design is carried out according to the simulated pollution scenarios. Students finally conduct a comparative test on the design at the engineering site, thus completing the circular teaching process. This teaching mode can solve difficult problems in teaching, and significantly improve students' enthusiasm and teaching effect.

Key words: bioremediation of polluted environment; teaching mode; curriculum reform; teaching exploration