“伦理正思维深认知高能力强”环境类专业新工科人才培养改革与实践

1. 成果内容

为深化高等教育改革、建设工程教育强国，伴随AI等新兴技术的高速发展，2017年，教育部启动新工科建设计划，先后形成 “复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等指导性文件，具有创新精神和创造能力的高素质工程研究型人才已经成为新工科专业的培养目标，“批判性思维”“创造性方法”“数据分析能力”“终身学习能力”已经成为本科毕业生的必备能力。

学院在工程教育认证的基础上，结合7项教育部及北京市教改项目和30多项校级教改项目，持续落实国家新工科建设和工程教育认证的新要求，以国家/北京市级一流专业建设为契机，确立了“优伦理道德、善知识应用、强工程实践、深创新反思、多学科协作、广国际视野”的人才培养目标，提出了“伦理正 思维深 认知高 能力强”环境类专业新工科人才培养理念，打造了“三链导引 四维同频 智慧赋能”的育人体系，形成了“理论-感知-智能-场景交互”教学范式，通过面向新工科产业链设计专业培养目标、结合工程能力链设计专业毕业要求以及契合认知链设计课程教学目标，同频实施课程体系优化、知识分类与认知提阶、感知降维、教育激励等四维措施，有效保障了新工科人才培养目标的达成。

成果解决了以下教学问题：

①在新工科产业链发展需求下，传统工程教育在工程伦理方面的重视不足，部分学生工程伦理意识模糊，偏重“能不能做”的执行力，忽视“可不可做”判断力。

②传统工程教育存在“工科理科化”问题，偏重知识应用和研究能力培养，未充分聚焦工程能力的培养，导致学生工程设计能力不强、工程思维不深、持续发展韧性不足。

③传统课程教学目标偏重知识的“记忆-理解-应用”低阶认知思维技能的培养，“分析-评价-创造”高阶认知思维技能要求不足，“两性一度”课程不多，导致学生创造能力和批判性思维不强。

④传统的课堂偏重理论讲授，具象认知、知识降维和化繁为简策略不足，针对Z世代学生学习特点的教育激励、主动学习路径不畅，不利于学习目标和毕业要求的达成。

    通过改革与实践，荣获1项北京市教育教学成果奖、2个国家一流专业建设点、1个北京市一流专业建设点、4门国家级一流课程、3门北京高校优质本科课程/教案、1个北京高校优秀本科育人团队、1个北京高校教学名师奖、1个宝钢优秀教师奖、1个长江学者奖励计划（青年项目）、1个环境类专业工程教育虚拟教研室成员单位、16个教学实践基地，环境工程专业通过2轮工程教育专业认证。就业率95%以上，20多名学生到国外交流，学生获全国级及省部级竞赛奖励60余项（特等奖、一等奖近20项）。该培养模式被北京交通大学、山西大学、浙江农林大学等10多所高校借鉴，在国内外产生了较好的引领示范作用。

图1 “三链导引 四维同频 智慧赋能”育人体系实施路线

2. 成果主要研究思路和举措

以“伦理正、思维深、认知高、能力强” 理念引领专业建设，打造“三链导引、四维同频、智慧赋能”的环境类专业新工科人才培养体系。

  （1）产业链导引培养目标，促进工程伦理教育进头脑——伦理正

①梳理新工科产业链发展需求，实现工程伦理进培养目标。调研新工科领域的行业文献、会议和20多家头部企业，明确具有综合人文素养和卓越工程能力的现代工程技术人才的内涵，面向国家需求，结合学校特色，将工程科技创新能力、多学科和跨界领导力、全生命周期的系统工程观、面向国际和未来的世界观、工程伦理和道德观纳入培养目标。②对标工程教育认证标准，落实工程伦理进毕业要求和课程教学大纲。结合2轮工程教育认证实践、IEA毕业要求和职业竞争力（GAPC）修订内容以及联合国可持续发展目标（SDGs）要求，落实工程职业道德规范进毕业要求，100%教学大纲纳入工程伦理与社会责任等德育目标。③通过文化浸润和案例熏陶，推动工程伦理进课堂、进头脑。课程门门有思政、讲伦理，设计了40项思政要素的课程思政目标达成评价体系，形成一套包含多门专业课程共72篇典型案例的课程思政案例库，开设工程伦理相关的4门特色课程，开展环境科学与工程“三全育人”团队精神浸润和国内外典型工程伦理案例熏陶，科学评价工程伦理进头脑效果。

 

图2 促进工程伦理教育进头脑路径

（2）工程能力链导引毕业要求，强化工程思维培养进课程——思维深

   ①构建工程能力链分阶达成的毕业要求。以工程教育认证工作为抓手，基于新工科环境类专业人才培养目标，以工程知识-工程设计-工程思维能力链为导引，设计了环境类专业人才的12项毕业要求，规范大学本科教育后工程设计与思维的水平要求，强调复杂工程问题特征（2）-（7）场景下工创造性、批判性和系统性思维。②优化“知识学习理解-迁移应用-固化深化”课程体系设置。支撑12项毕业要求、解决复杂工程问题能力达成，所有专业核心课程各司其职，大纲和内容进一步强化了解决复杂工程问题的工程知识、工程设计、工程思维培养，如《水污染控制工程》的project和课程设计。③搭建落实顶级（capstone）项目要求的毕业实践体系。按照capstone项目训练要求，设计毕业实习、毕业设计内容要求，聘请近50位行业专家和企业导师，结合实际工程案例，推进校企共育。

图3 强化工程思维培养进课程路径

（3）认知链导引教学目标，推动高阶认知训练进课堂——认知高

①梳理专业课程知识4维分类体系。按照布鲁姆教育目标分类学的知识4个维度分类，将专业课程知识点分为事实性知识、概念性知识、程序性知识、元认知知识4个类别，明确各类知识内涵和特征。②建立分类知识的认知链设映射关系，强化高阶认知要求。专业课程建立以记忆-理解-应用低阶认知思维技能为基本、分析-评价-创造高阶认知思维技能为提升的梯级教学目标，形成分类知识-分阶认知的映射图，强调高阶认知目标训练。如《环境化学》课程。③评估教学活动的一致性，保障高阶认知的达成。专业课程按照二维认知理论，进行核心课程内容-教学设计-考核方式的一致性评估，评价各阶认知尤其是高阶认知的达成及短板，开展持续改进。

图4 推动高阶认知训练进课堂路径

（4）具象认知启发“理论-感知-智能-场景交互”教学范式，激励主动学习——能力强

①构建“新兴技术”赋能教育教学新途径。基于专业教学体系的11个关键融入节点，形成了多节点双向联动融入方式和3个关键环节与8个方法路径。60门专业课开展了混合式教学，3门虚拟仿真实习、云实习教学，8门实验课直播演示实验教学。②创建“知识降维具象认知-知识回归理实结合-知识升维融汇贯通”教学法。“两性一度”课程内容模块化、知识类别化、认知阶梯化，适应Z世代大学生的学习时间碎片化的特点，应用具象认知理论，通过现象观察、案例和模型展示强化感性认知，进行知识降维，小步学习成就积累，激励回归知识本体反思提升，主动结合知识图谱和AI智能体，创新交互学习，实现知识升维、学习增值。③创新开展“感知-智能-场景交互”实践教学活动。在实践教学、大创与竞赛活动中，教师主导，学生主体，体验工艺现场真问题和真实场景，交互演练虚拟仿真场景，以实领虚，以虚促实；通过手工、BIM和3D打印搭建典型单元模型、试验现象、作品成果感知以及AI技术和大数据驱动智慧赋能，强化感性认识，衔接理论知识，降低原理、模型与实际工程的陌生感，强化实践创新，培养批判思维。获得国家级和北京市级大创项目180多项、竞赛奖项60多项。

图5 激励主动学习路径

3. 成果创新点

（1）提出“伦理正 思维深 认知高 能力强” 环境类新工科人才培养理念

在新工科建设的背景下，人才要有工程报国、为民造福的意识，具有人文社会科学素养和社会责任感，能够理解和践行工程伦理，在工程实践中遵守工程职业道德、规范和相关法律，履行责任（伦理正）。面对真实的工程问题，具有知识与能力持续固化深化的思路，能够建立实施需求(问题) 分析—设计方案—实施—优化方案—再实施……直到获得理想的工程成果的路径（思维深）。强化分析-评价-创造的高阶认知实现师生教学相长（认知高）。要有扎实的专业知识、熟练的工程应用能力、高水平的工程设计和工程思维能力，在大学中要学会从知识学习理解-迁移创新应用-持续固化深化的转换（能力强）。据此理念实施，可以实现“优伦理道德、善知识应用、强工程实践、深创新反思、多学科协作、广国际视野”的人才培养目标。

 

图6 培养理念创新

（2）构建“三链导引 四维同频 智慧赋能” 环境类新工科人才培养体系

一是建立了三链导引模式。通过产业链导引培养目标、强调工程伦理，工程能力链导引毕业要求和课程建设、强化工程设计和工程思维，认知链导引课程教学目标、内容分类与认知分阶，强化高阶认知。二是构建了课程体系优化、知识分类与认知提阶、感知降维、教育激励四维同频运行模式。基于毕业要求设计课程体系和内容要求，依据二维分类法进行课程知识分类和认知分阶，明确知识模块结构与达成水平，保障教学活动一致性和高阶认知期望；受启于具象认知，打造“理论-感知-智能-场景交互”教学范式，强化感知认识，降低知识维度，以分步学习的小成就激励系统学习的大成就，积跬步以至千里，实现课程学习目标乃至毕业要求的达成。三是落实智慧赋能模式。智慧课程、AI智能体、虚拟仿真、大数据等应用于理论课、实践课教学以及创新竞赛中，赋能人才培养。该体系以“三链”贯穿育人全程，解决了工程伦理、工程设计与工程思维、高阶认知的培养堵点，为新工科人才培养提供创新范式。

图7 培养体系创新

（3）创建“理论-感知-智能-场景交互” 环境类新工科人才教学范式

受启发于具象认知理论。一是强化感知，知识降维。对课程内容进行模块化，知识分类、认知分阶处理后，理论知识采用案例、模型等进行降维处理，实践过程加强现场体验、典型单元手工、BIM搭建和3D打印，强化具象认知效果，发挥学习成就激励作用。二是智能增强，赋能教学。学生在教师或学伴的指导下，利用互联网、AI智能体、虚拟仿真场景交互演练，激发学习兴趣，实现学习效果增值。三是真实场景交互，训练高阶认知。一以贯之真实场景的实践训练，在高阶实习课程、创新创业、专业竞赛中，指导教师和学生聚焦真问题，在实际场景中进行试验、模拟、设计、测试验证，有效提升了学生的高阶认知能力。该教学范式特色在于契合知识先降维-再回归-后升维的螺旋式认知规律，通过感知-交互-智能增强，实现教学增值。

图8 教学范式创新

4．成果的推广应用效果

 

（1）培养目标达成率高

100%学生通过参加老师的科研课题进行创新训练，依托“水体污染源控制技术”北京市重点实验室、“污染水体源控与生态修复”北京市高校工程研究中心、河北省新污染物治理与风险管控重点实验室、生态固碳与负碳研究中心4个研究平台，完成40项创新作品，获“大学生节能减排社会实践与科技竞赛”等全国级及省部级竞赛奖励60余项（特等奖、一等奖近20项）。

学生思想道德和工程伦理素养提升明显，近5年，获“北京高校示范学生基层组织（班级）” 1个、“北京市三好学生”4名、“北京市优秀学生干部” 1名、“北京市优秀毕业生”20名。在毕业设计工作中，所有学生均能以正确的伦理观完成高水平的设计成果。

经过7年的新工科本科人才培养实践和4年的验证，专业毕业生就业率95%以上，达成毕业要求的学生能够成长为“优伦理道德、善知识应用、强工程实践、深创新反思、多学科协作、广国际视野”环境类行业工程技术骨干或管理骨干。

（2）协同育人成效好  

科普活动服务社会：学院组织开展“绿色调研”“生态文明社会实践”等系列活动，连续举办两届环境文化节，面向校内外开展环保科普，累计参与实践人次超千人次。学生积极投身国家重大活动，2019年40余人参与新中国成立70周年庆祝活动，2021年11人服务保障建党百年庆典，2022年17名师生参与北京冬奥会、冬残奥会志愿服务。

“绿手指”环境保护者协会每年举行20多场宣传生态环境保护、节能减排、双碳战略、美丽中国方案的科普活动，多次获评校“十佳社团”，“水足迹”志愿服务项目获第五届中国青年志愿服务项目大赛铜奖；开展的社会服务和社会调研被中央电视台、《中国绿色时报》等媒体专题报道，部分学生进入世界绿色设计组织等国际组织实习交流。

产教融合实现双赢：截止目前，校企联合指导毕业设计300余项，学院教师获教育部产学研合作协同育人项目10余项；师生深入北京、河北、辽宁、贵州、湖南、陕西等10省数十家企业现场解决工程难题。

（3）培养模式示范广

专业建设：建设1个国家级一流专业建设点，1个北京市一流专业建设点，环境工程专业通过专业认证；建设《环境化学》《水质工程学》国家级一流课程，16个实践基地，1个国家级虚拟教研室参与单位，国家级/省部级教研项目10余项，《环境化学》MOOC入选国家高等教育智慧教育平台，教研论文40篇，10项省部级科研奖励。

教师团队：北京市优秀教学团队 1 个，学院享受国务院政府特殊津贴专家1人，Elsevier中国高被引学者和全球前 2%顶尖科学家榜单入选者3人，国家级人才6名（王强，邱斌，曲丹等），省部级人才10余名，北京市教学名师1人，北京市师徳先锋1人。2人荣获校青年教师教学基本功竞赛一等奖、13人获二等奖，获教学创新大赛中二等奖5项。

交流示范：该模式在校内1000余名学生中实践，在校院交流、全国环境类专业工程教育教学改革研讨会、环境类专业学生工程实践能力培养研究虚拟教研室、京津冀新工科环境类教育教学改革与创新研讨会等会议做报告。与美国、英国、加拿大、德国、法国、澳大利亚、日本、韩国等国家的10多所高校开展了合作交流。

推广应用：成果向国内2000余老师推广，在浙江农林大学、北京建筑大学、北京交通大学、山西大学、桂林电子科技大学、河北大学、河北工程大学、黑龙江科技大学、沈阳农业大学、哈尔滨理工大学、桂林理工大学、湘潭大学、北京化工大学等10多所高校应用。