“固體廢物處置與資源化”課程實踐教學的思考

摘

要：“固體廢物處置與資源化”是環(huán)境工程本科專業(yè)的主干課程之一，課堂教學與實踐教學的協(xié)調(diào)發(fā)展顯得尤為重要。作者結(jié)合東北師范大學環(huán)境學院《固體廢物處置與資源化》課程實踐教學的思考與做法，提出“333”，即三個層級、三個方面、三種能力的創(chuàng)新培養(yǎng)模式，在知識寬度與廣度上做文章，通過虛實結(jié)合的實踐教學方式，認識和理解國家對固廢處置與資源化的法律要求和處理處置技術的迭代發(fā)展歷程，強化國家精神和大環(huán)境意識，以點（課）帶面（領域）形成輻射作用，促進環(huán)境工程本科專業(yè)可持續(xù)發(fā)展。關鍵詞：環(huán)境工程；“固體廢物處置與資源化”課程；實踐教學；虛擬仿真一、引言固體廢棄物處置與資源化是環(huán)境工程專業(yè)教學指導委員會規(guī)定的學科主干課程和必修課程。而環(huán)境工程核心主干課程是按環(huán)境介質(zhì)（要素）的處理與處置分別設定的，與其他課程實踐環(huán)節(jié)相比，固體廢棄物處置與資源化實踐教學在單一或綜合項目上有其自身獨特要求。作者結(jié)合東北師范大學環(huán)境學院“固體廢物處置與資源化”課程實踐教學的思考與做法，總結(jié)歸納實踐教學改革取得的成效。二、固體廢物處置與資源化實踐教學問題我國在上世紀八十年代中期開始，國內(nèi)相關高校陸續(xù)開辦了環(huán)境工程本科專業(yè)，畢業(yè)生滿足了工業(yè)化初期“三廢”治理工作人才的需求。盡管與其他工業(yè)化國家經(jīng)濟發(fā)展路徑不同，但也經(jīng)歷了“先污染、后治理，邊污染邊治理”的老路。環(huán)境工程專業(yè)作為新興工科專業(yè)，其學科基礎是化學和生物學[1]。一直以來環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)還是傳統(tǒng)意義上“水氣固噪”來劃分課程體系，在環(huán)境工程專業(yè)發(fā)展的黃金時期，此種辦學模式對于專業(yè)人才培養(yǎng)發(fā)揮了重要作用；然而伴隨著環(huán)境保護理念的深入以及產(chǎn)業(yè)升級，目前本科階段學習到的知識已經(jīng)明顯落后于社會需求，只剩下學習能力與求真務實精神。在教學實踐中，作者也發(fā)現(xiàn)環(huán)境工程專業(yè)統(tǒng)編教材許多二十年未曾大規(guī)模修訂過，仍是最初建設出版的模樣，許多作者已經(jīng)離開教學一線，受版權和著作權的限制，很難與時俱進，創(chuàng)新發(fā)展?？紤]到專業(yè)評估和工程教育認證的嚴格要求，各辦學單位可調(diào)整的空間有限。另外，細分專業(yè)的出現(xiàn)，如大氣科學、資源回收與利用，也在一定程度上影響到環(huán)境工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標的錨定[2]。作為“水氣固噪”體系中的重要一環(huán)，“固體廢物處置與資源化”課程同樣面臨發(fā)展的瓶頸，表現(xiàn)在實踐教學學時不充足，實驗項目老套，驗證性題目多，綜合設計題目少，整改資金需求比較多。與系統(tǒng)學習資源回收與利用的新工科專業(yè)相比，如何在有限的教學時數(shù)內(nèi)，優(yōu)化師范類高校環(huán)境工程專業(yè)“固體廢物處置與資源化”課堂與實踐教學內(nèi)容，增強工科學生適應社會需求以及對知識寬度與廣度熟悉的能力，探索師范院校環(huán)境工程本科生系列課程改革，“點”（課程）“面”（專業(yè)課程群）協(xié)調(diào)聯(lián)動，全面提升學生出口（培養(yǎng)）質(zhì)量，是師范類環(huán)境工程專業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。三、固體廢物處置與資源化實踐課程的改革舉措（一）明確課程課堂教學內(nèi)容與實踐環(huán)節(jié)有效銜接與傳統(tǒng)認知相一致，固體廢物指的是失去使用價值的一類物質(zhì)，比如人們熟悉的生活垃圾、醫(yī)療垃圾等，如何處置或資源利用成為課程的核心教學內(nèi)容。固體廢物流動性差，過去關注水環(huán)境污染，固體廢物潛在的環(huán)境風險重視程度不足。污染現(xiàn)象體現(xiàn)在水質(zhì)上，其根源確在岸上的固體廢棄物，為了更好保護好生態(tài)環(huán)境，應格外重視固體廢物處置與資源化技術的學習與推廣[3]。固體廢物課程內(nèi)容處置與資源化技術涉及到化學化工、生物、能源工程、機電控制等多個學科，這就涉及如何利用有限的教學時數(shù)和基礎條件實現(xiàn)對學生固體廢物知識學習的寬度與廣度要求，而不是一味強調(diào)深度要求。環(huán)境工程專業(yè)學生應聚焦在工程應用價值上，不要過度關注相關設備的設計制造，而是重視過程的本質(zhì)要求：即應用場景的差異化。實踐教學是對課堂教學內(nèi)容的形象認知，銜接的關鍵要義整合教育教學內(nèi)容。圖1給出的東北師范大學“固體廢物處置與資源化”課堂教學與實踐教學相關教學思維導圖。基于圖1思維導圖設計，東北師范大學該課程教學路徑以及對應知識點的內(nèi)涵聯(lián)系梳理清晰，而知識點的理解與消化的最佳途徑就是參加實踐。因為環(huán)境工程專業(yè)是一個理論與實踐密切結(jié)合的交叉專業(yè)，固體廢物課程內(nèi)容更是涉及法律法規(guī)、固體理論、化學化工、生物、能源、機電甚至人工智能。（二）加強課程課堂教學內(nèi)容與實踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)模式創(chuàng)新傳統(tǒng)的固體廢物實踐教學內(nèi)容安排分組大輪換驗證性實驗為主過渡到綜合性實踐，但對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新管理能力幫助不大。東北師范大學環(huán)境工程專業(yè)“固體廢物處置與資源化”實踐教學采用“333”即三個層級、三個方面、三種能力的創(chuàng)新培養(yǎng)模式。三個層級包括充分的社會調(diào)研（社區(qū)垃圾分類）、詳實的實驗（腐蝕性、危廢識別判定）、客觀的工程設計（收集與轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、填埋場）；三個方面包括共性技術（化學與生物學）理論驗證、綜合性應用（機電）實踐以及需要高投入、實驗場地約束實踐項目（焚燒）的虛擬仿真；三個能力包括融入社會的能力、發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題的能力以及解決復雜問題的工程能力。為了做好服務實踐教學內(nèi)容，實現(xiàn)“333”即三個層級、三個方面、三種能力的創(chuàng)新培養(yǎng)模式。對需要了解性知識點可以通過走出校門走進社會，經(jīng)歷“看、問、思、答”全流程深度參與，帶著問題學習，體驗解決問題的快樂；對需要熟悉性知識點可以通過驗證性題目（基礎和共性技術）來加深理解；對需要掌握性知識點必須通過設計性綜合題目（一般結(jié)合學院科研方向）提升學生創(chuàng)新能力；所有實踐活動的任課教師只提供原則建議，學生從準備大綱入手，提出解決問題的思路，經(jīng)過方案論證，再經(jīng)過實踐體會形成報告，指導教師點評后，修改完善并提交最終成果。教學實踐表明，在強調(diào)“以學生為中心的OBE”模式同時，傳統(tǒng)體制下培養(yǎng)出來的青年教師只是傳承了書本知識，工程實踐能力普遍偏弱，有些固體廢物迭代新技術沒有工程基礎，授課過程中很難引發(fā)學生共鳴而達到課程思政的效果。實際上自黨的“十八大”以來，我國在固體廢物處置與資源化領域取得了舉世矚目的成績，充分體現(xiàn)了舉國體制的政治優(yōu)勢。而位于吉林長春的東北師范大學，長春及吉林省的工程實踐的案例，完全可以覆蓋課程對知識點廣度與寬度的教學要求，彰顯做好固體廢物處理與資源化利用國家意志與國家精神。（三）整合課程實踐環(huán)節(jié)校內(nèi)外教學資源目前我國環(huán)境問題的解決方案是達成多介質(zhì)多目標協(xié)同治理管控，而固體廢棄物的處置與資源化問題則可以完美利用這一解決方案，但也正是問題的復雜性與專業(yè)性，一直以來困擾課程實踐教學的發(fā)展。伴隨城市垃圾分類工作的深入展開，讓學生走出校門走進社區(qū)，自主設計垃圾分類知識的調(diào)研大綱或問卷，通過數(shù)據(jù)分析后得出結(jié)論并給出解決問題的途徑，論證可行性，進而評估所在城市垃圾分類實施的效果，經(jīng)過實踐總結(jié)明顯感覺到學生學會如何與專業(yè)知識結(jié)合開展深度調(diào)研，并且成就感滿滿。對“固體廢物處置與資源化”實踐環(huán)節(jié)中的共性技術，比如浸出物的物理化學指標pH、腐蝕性分析等考慮與環(huán)境監(jiān)測教學內(nèi)容的有效銜接，即驗證前面課程所學到的實驗技術，又結(jié)合固廢特性，通過開展實驗室模擬降水或改變環(huán)境介質(zhì)條件，探索一定質(zhì)量固體廢物可能產(chǎn)生的環(huán)境危害，使我們的驗證性實踐項目具有科學研究價值，進而提升驗證性實踐環(huán)節(jié)的綜合能力。根據(jù)學院實驗室條件，在共性技術驗證性實踐的基礎上，又開設了2個綜合型實踐環(huán)節(jié)包括化學調(diào)理劑強化污泥脫水性能和秸稈/污泥制備生物炭及其污染物去除效能（按科學研究項目提出具體要求，分成學習實踐小組，制定研究階段目標，匯報討論研究計劃，各實踐小組圍繞主題做好銜接，通過分組實驗最終形成上述綜合項目的研究報告），這些綜合型實踐活動設計不僅夯實了固體廢物處理與資源化的課程技能，而且實現(xiàn)了與環(huán)境工程專業(yè)其它專業(yè)能力的融會貫通。上述兩個綜合型實踐項目的內(nèi)容選擇是基于學院組織大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)優(yōu)秀項目實踐中發(fā)掘凝練出來的，實踐表明：設立與學科優(yōu)勢發(fā)展方向的綜合實驗環(huán)節(jié)，對于增強東師環(huán)境工程專業(yè)學生知識的廣度與寬度是十分必要的。針對固體廢物處置與資源化實踐環(huán)節(jié)如焚燒與生物發(fā)酵需要嚴格的實驗場地和實驗小型化困難的實際問題，可以通過AR、VR技術來實現(xiàn)。根據(jù)教育部【2017】4號文精神，共享的虛擬仿真教學資源的建設已取得一定成果[4]。表1給出的是ilab-X.com中固體廢物處置與資源化虛擬仿真教學資[4]。通過對網(wǎng)上這些虛擬仿真教學資源的梳理，可以明顯感知創(chuàng)作者的初心與使命，在運用現(xiàn)代創(chuàng)新技術的同時，又融入創(chuàng)作者對固體廢物處置與資源化思考，使這些網(wǎng)上資源既有課程實踐教學知識需求，又滿足青年學生對課程內(nèi)外認知的好奇心和求知欲。受學時等因素的影響，平臺共享的仿真項目并未納入各高校實踐教學體系，優(yōu)秀的虛擬實驗建設項目未被充分利用，實踐表明線上資源可以解決固體廢物實踐課程難以小型化，需要較大實驗空間或裝置，必須做好學生的安全教育，必須提供相當?shù)燃壍陌踩胧瑹o疑給培養(yǎng)單位帶來巨大的經(jīng)濟負擔。將國內(nèi)最優(yōu)秀的教學資源引入課堂，通過利用共享的虛擬仿真實驗教學項目實現(xiàn)成本可控的全面實踐能力的培養(yǎng)和教學，解決了環(huán)境學院固體廢物實踐教學建設經(jīng)費不足難題。學生通過自主預習、集中討論、分組進行虛擬仿真實驗的操作，獲得操作過程和實驗記錄，然后依托線下教學的實驗報告形式進行了分析和總結(jié)[5-6]，順利達成了實踐環(huán)節(jié)教學的培養(yǎng)目標。通過學生訪談、實驗報告評閱等方式均得到了積極的反饋，教學效果良好，甚至有學生把固體廢物處置與資源化利用作為自己未來就業(yè)方向選項之一。四、結(jié)束語以東北師范大學環(huán)境學院固體廢物現(xiàn)有實踐課資源結(jié)合可共享的省部級以上虛擬仿真實驗教學項目資源，搭建了虛實結(jié)合的固廢處理與資源化實踐課程教學體系，形成了以“學生為中心”、“OBE”兩翼驅(qū)動的“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下的資