化工实践教育跨学科能力培养的四维协同框架：机制探索与实证验证

《Education for Chemical Engineers》：A four-dimensional synergistic framework for transdisciplinary competency cultivation in chemical engineering practice education: Mechanism exploration and empirical validation

　　

摘要 全球化学工程实践教学教育面临三个相互关联的挑战：理论与实践与行业需求之间长期存在的"知识-应用鸿沟"、与2000年后出生数字原住民建构主义学习偏好的错位，以及可持续发展能力在技术培训中融入不足。本研究以建构主义学习理论和增强型技术学习理论为基础，构建了一个包含价值导向教育、探究驱动研究、人工智能赋能技术支持和以能力为导向设计的四维协同框架（根植于建构主义逻辑）。该框架以岗位能力培养为核心，四个维度构成有机反馈回路，而非孤立模块运行。对两组学生（每组n=90）的定量评估显示显著改善：学生知识体系关联强度（核心概念链接）提高46%，实验操作标准化程度提高56.9%，"生态优先"决策从28%跃升至62%，有效探索性假设增加近3.7倍。本研究通过揭示价值塑造、探究式学习、技术赋能与能力发展之间的协同机制，推进了化学工程教育理论的发展，为缓解全球化学工程实践教学教育面临的挑战提供了可迁移的框架。该可复制的框架为化学、土木及相关工程学科的课程改革提供了可操作的洞见，并为教育者培养兼具技术胜任力、伦理意识和跨学科适应性的专业人才提供了参考。超越工程教育范畴，该研究回应了高等教育实践课程中专业技能与综合素养平衡这一普遍性挑战，契合全球对高质量化学工程教育的需求。

引言 在全球化学工程教育范式转型的背景下——技术变革与全球可持续发展目标的双重驱动下——化学工程实践教学面临三个明确的、相互关联的核心挑战：（1）理论与实践之间的知识应用脱节问题突出；（2）传统以验证为主的实验教学方法与2000年后出生数字原住民本科生的建构主义学习习惯之间存在教学错配；（3）可持续发展与低碳素养未能充分融入常规技术培训。这些挑战在环境工程教育中尤为突出，环境工程作为联合国可持续发展目标（SDGs）第6项目标（清洁水源和卫生设施）和第13项目标（气候行动）的核心应用型学科，其实践受到环境法规和生态义务的约束，需要在技术效率与环境保护之间做出权衡，从而放大了上述三大教育困境。环境工程本质上旨在培养"复合型专业人才"，融合技术熟练度、跨学科问题解决能力和可持续发展意识（Fitzpatrick和Byrne, 2024; Papa等, 2021; Robinson等, 2022）。在全球"双碳"倡议背景下，该学科还要求学生掌握低碳技术素养和绿色发展思维，这与国家战略优先级（Li等, 2023; Zhang等, 2013）和环保产业对跨学科协作的需求相一致（Zhao和Sun, 2025）。

在此背景下，主要经济体将环境工程教育锚定于战略优先级，日益强调技术、伦理与可持续性的融合（Georgescu等, 2025; Makransky和Lilleholt, 2018; Zhao和Sun, 2025）。这一全球共识反映了明确的方向：环境工程教育必须超越碎片化的技术培训，以应对复杂且相互关联的全球挑战（Montoya等, 2021）。近年来，该领域与数字技术的融合加速推进（例如人工智能、虚拟现实（VR））（Hernández-Alpízar等, 2024; Soboleva和Karavaev, 2020; Zhao和Sun, 2025）。实证研究证实，虚拟现实技术能增强学生对复杂过程（如污水处理）的认知（Cairone等, 2024; Gunawardana等, 2025），人工智能工具能提高实验设计和数据分析的效率（Biazar等, 2025; Caccavale等, 2024; Guan和Han, 2025）。

相比之下，国际环境中环境工程实验教育——以《水污染控制工程实验》为典型案例——仍以验证为导向为主，对可持续发展探索与跨学科问题解决的整合十分有限。参数测试与实际实践之间的脱节导致知识获取碎片化：本科生可能掌握理论公式，但很少能整合关键指标来评估污泥膨胀或膜污染等实际风险（Zhang和Zhang, 2024）。在实践评估中，理论与实践的鸿沟进一步凸显：在诊断MBR膜污染等问题时，中国学生在情景测试中花费的时间是国际同行的2至3倍（Xie, 2024）。传统验证性实验侧重于数据记录而非复杂问题求解，忽视了日益被行业所需的数字素养和跨学科技能培养（Xu等, 2025）。基于全球工程教育的广泛国际研究，问题导向学习（PBL）和以能力为导向的学习通过以真实工程问题为核心来弥补这些不足，实证证据证实其在提升系统分析与问题解决能力方面的有效性（Liu等, 2022），凸显了改革的紧迫性。

应对这一挑战还需要使教学逻辑与2000年后出生本科生的独特特征相契合。作为具有建构主义学习偏好的"数字原住民"，他们抵触被动灌输，偏好案例式交互学习，并擅长在线检索和情景驱动学习（Adedoyin和Soykan, 2023）。调查表明，该群体认为"真实项目关联"是实践课程中最重要的一环，其感知价值远超"理论深度"。然而，传统行为主义教学模式侧重理论记忆而非应用，将价值导向教育与专业技能割裂开来，未能与该群体的"学以致用"偏好产生共鸣（Adedoyin和Soykan, 2023; Anderies和Mathias, 2025; Sabri, 2025）。雪上加霜的是，传统课程往往将技术优化与生态可持续性分离，无法满足行业对能够平衡技术效率与环境责任的专业人才的需求。实证研究表明，将技术融入项目式案例教学能增强学生的自主学习（Liu等, 2022），而情景式学习则塑造其环境认知特征和伦理意识，凸显了融合技术、认知与价值维度的改革需求。

选择《水污染控制工程实验》作为实证背景，是因为它在体现化学工程实践教学核心特征方面具有典型性（理论实践整合、跨学科需求以及价值技术协同），使其成为验证所提框架的适宜载体。为应对交织在一起的挑战并填补现有研究空白——即以往研究过度依赖单一维度改革或仅仅叠加多种教学元素而缺乏可操作且经实证验证的协同机制——本研究构建了一个理论根基深厚的四维协同实验教学框架。与将各组成部分视为独立模块的传统多要素模型不同，该框架形成了一个连贯的闭环反馈系统，其中每个维度都增强其他维度。这种协同效应可以通过知识整合、操作能力、专业素养和创新思维的提升来实证测量。在建构主义学习逻辑的指导下，该框架整合了四个相互依存的维度：（1）环境实践以能力为导向设计（与行业对实践能力的需求相契合）（Byrne, 2023; Wang, 2025）；（2）融入环境工程伦理与可持续性的价值导向教育；（3）基于微型探究的探究驱动研究；（4）人工智能赋能的技术工具支持。四个维度作为相互连接的有机整体而非独立模块运行，这使得该框架区别于先前报道的碎片化多维改革方案。与两种主流现有改革模式相比——纯单一维度改革仅限于孤立的技术或教学优化，以及缺乏系统性协同反馈回路的碎片化多维实践（Ricaurte和Viloria, 2020）——它们构成了一个整合的有机反馈回路：环境实践以能力为导向设计通过将实验与岗位能力匹配来锚定"就业就绪"目标；价值导向教育通过行业案例提供伦理和可持续性指导；探究驱动研究通过微型探究深化创新；用户友好的AI工具通过简化数据分析和情景模拟来降低技术门槛（Yu等, 2025）。为保持本文术语的一致性，本文中的"能力"指工程实践中的综合问题解决能力；"专业素养"指生态责任、操作合规和伦理意识；"创新"指提出可检验、可行的探索性假设的能力。在建构主义学习理论和增强型技术学习理论的根基上，该框架建立了明确的理论关联：以能力为导向的设计为情境学习提供真实的工程情境；探究驱动研究支持学生主动建构知识；价值导向教育引导有意义的价值内化；人工智能工具降低技术门槛以促进反思性实践。该可复制的框架直接针对环境工程教育中长期存在的知识应用鸿沟，为化学、土木及相关工程学科的课程改革提供了可推广的洞见。超越环境工程边界，它呈现了一份可迁移的蓝图，用于培养兼具技术专长、伦理判断力和跨学科适应性的专业人才——该蓝图可适应土木、化学及其他工程学科。此外，它还对高等教育具有更广泛的启示，通过回应实践技能训练与综合素养发展之间普遍存在的鸿沟，使其对全球环境教育和工程教育者具有高度相关性。

研究片段 研究对象与分组 采用准实验设计来验证四维协同框架，参与者为选修《水污染控制工程实验》课程的环境工程三年级本科生。选择该课程是因为其典型性，它涵盖了主流污水处理技术，并体现了化学工程实践教育的核心属性（理论实践整合、跨学科需求以及价值技术协同）。

结果与讨论 为科学评估基于理论根基框架的课程改革实践效果，我们对以下四个维度进行了定量分析：知识体系建设、实验操作能力、专业素养培养和创新思维激发，结果如下：

结论 本研究开发并验证了一个理论根基深厚的四维协同框架，用于化学工程实践教学中的跨学科能力培养，以《水污染控制工程实验》为实证载体来验证其可推广性。该框架的核心协同机制可迁移至多种化学工程学科和教育情境，提供了一种超越特定领域或情境的理论视角。

CRediT作者贡献声明 陈世良：概念化、形式分析、监督、论文审阅与编辑。谢文杰：形式分析、调查研究。黄家持：数据整理、形式分析、软件。

伦理声明 本项研究不涉及需要特殊伦理审查的人类受试者、动物实验或敏感数据。根据相关指南，无需伦理批准。

利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

陈世良 | 谢文杰 | 黄家持 杭州师范大学下沙校区工程学院，中国浙江杭州，310012