面向环境工程实际的创新人才培养探讨

作者:未知

  摘 要:环境学科自从成立开始就在强调实践教学,传统做法是实验和实习相结合,再加上做一些应用型的课题。本文就南方科技大学面对新的形势和挑战,重新认识实践问题,并通过实例来探讨创新人才的培养,以及在环境学科当中的具体应用。
  关键词:环境学科;创新人才;实践教学;交叉研究
  一、世界的变化,未来的发展
  什么是世界環保的未来?回答这一问题,需要我们认真研究未来到底做什么?怎么做?麦肯锡2013年发布了一个研究报告,罗列了有望改变生活、商业和全球经济的12大新兴颠覆技术,包括:移动互联网、人工智能、物联网、云计算、机器人、次世代基因组技术、自动化交通、能源存储技术、3D打印、次世代材料技术、非常规油气勘采、资源再利用。从中可以看到,全球正在迎来一个以创新为驱动的大规模交叉合作,以社会标准驱动改善生态环境问题的时代已经来临,数据、机器、平台相互联合成为趋势,这是我们未来必须面对的挑战。
  科技的进步正在不断催生创新环保。随着环保理念的改变、生物技术的进步、物联网技术的普及、分享经济的出现以及人工智能的发展,环保也在不断创新发展。目前我们所做的更多的是末端处理,对象是其他生产行业产生的多余物质,主要包括排入环境中所产生的废水、废气、废渣。随着新技术的不断涌现,我们需要思考是不是可以从前端及循环经济的角度来处理很多问题。认真思考这个问题会认识到,如果我们面临的实际上是各行各业排出来的多余的东西,是其他行业造成的,那么我们帮助这些行业清理这些东西,我们环保人到底怎么做?我们是不是要回到每一个行业当中?我们需要深入思考,包括一些技术之间怎么交叉,大数据怎么应用,人工智能如何发展,等等。
  什么是中国环保的未来?习近平总书记已经给我们定了未来,包括六大原则、两个目标,指明了新时代推进生态文明建设方向,提出通过加快构建生态文明体系建成美丽中国。通过开展绿色低碳的生活方式,建立完善一系列绿色相关的政策及管理制度,促进绿色发展。国务院也陆续出台了一系列政策与措施,提出要坚决打赢蓝天保卫战,深入实施“水十条”“土十条”,等等。尤其是2019收官之年的经济工作会议列入打好三大攻坚战中将确保实现污染防治攻坚战阶段性目标。可以说我国已经建立了绿色发展的理念,从源头上防治环境污染。为什么提这个,大家可以看到,前几年北京的污染特别严重,水污染、固废污染、土壤污染等已经到了我们没有办法单纯依靠末端处理来解决的时候,所以我们要在源头上解决;如果继续污染,我们就真解决不了。
  同时,要运用互联网、大数据、人工智能等新技术,促进传统产业智能化、清洁化改造。这一趋势也是我国政府高度重视的。如何应对科技发展对生态环境保护带来的挑战,紧跟新技术浪潮,这需要我们深入思考。未来一定是“交叉(interdisciplinary)、联合(association)、创新(innovation)”三者共同缔造的。比如,一开始阿里就是一个淘宝,专门买卖东西的;现在,阿里已经发展为金融公司;未来可以是科技创新公司乃至环保公司,很多领域阿里都有所涉及。这就是因为平台建设,平台的作用很大。腾讯、百度,也都在做同样的事情。
  当今社会在快速变化,到哪里寻找符合时代要求的创新人才?华为的任正非先生曾说过他要的人才必须要“皮实”,就是要有“抗击打能力”“抗挫折能力”,经得起折腾,不但能经得起棒杀,还能经得起捧杀。创新开创了新的时代,当前国家积极鼓励创新,创新从体制到社会都被真正接受了,科技的飞速发展加速了创新,物联网、大数据等技术的变革式发展为各行业带来了创新。创新可以从源头解决环保问题,可以让我们突破原有的技术,以新技术避免污染。我们赶上了最好的时代,要干的事情很多,人才需要更多。
  二、创新平台布局
  南方科技大学一开始的定位就是“创新”。南科大在北京成立了工程技术创新中心,希望在环保领域开一个头,依托交叉性的创新平台,结合交叉性的创新科技手段,以“易用、经济、接地气”为目标,研发具有高附加值与综合应用前景的技术、产品及方案,实现科研成果在工程实践上有效应用与转化,磨平科研成果和产业转化之间的鸿沟。南科大希望通过与环保发展未来紧密结合,与最新技术手段紧密结合,与国家、行业及社会需求紧密结合,与社会、经济及公众诉求紧密结合,创造出应用型环保交叉科技及产品。大学很多研究的东西转化到真正的应用其实是有距离的,不是说我们在实验室做得很成功的东西就可以被社会用起来,如果好的东西但是不实用,不能够很简单地让人用,甚至人们可能还不愿意用,这样的创新就失去了意义。所以创新必须做到“实用、易用、愿用”,真正能把科研转化成实践,真正达到“物美价廉”的才是真正走向实践的创新。同时,创新一定要给社会带来效益,并且还能够给科研人员创造未来的机会,为学生带来就业,为企业带来利润,这样才有意义。
  发展交叉学科及应用,是推动创新发展的重要途径。以芝加哥大学为例,他们很久之前就颇有远见地创立了一系列促进学科交叉的政策,对美国高等教育界产生了深远影响,该理念也作为指导性思想之一贯穿该校发展史,至今仍是如此。比如面对城市化的进程加快所带来的新的城市问题,芝加哥大学设立了“城市实验室”,旗下5个实验室融合教育、环境、医学等不同学科,与社会各界携手改善现代城市问题。新的城市实验室不仅成为城市相关学科新的发展机遇,也证明学科交叉的发展能切实地从应用领域推动人类生活质量的提高,实现大学服务社会的基本功能。所以在这个学校你会发现所有人都是从多种角度来看问题的,然后他们工作几年以后又将这一做法与思想带到其他地方,对推动创新起到了非常积极的作用。学科交叉是当今世界学术主流发展方向之一,它是科学前沿的生长点,也是新发现的高产地,能促成多学科协同攻克复杂的综合性问题,满足国家和社会发展的现实需求。目前,我国已经意识到学科交叉的重要性,诸多高校将其列为教学改革的重点项目。
  创新体系的建设可以采用集团式的发展布局。首先是知识的创新,依赖于交叉学科、特色学科以及国家重大科研项目;其次是需求的创新,要紧跟社会需求变化和前沿技术,密切关注公众热点;再次是应用技术的创新,依托应用示范基地、工作站和示范工程,创造关键技术、创新产品以及产业链系统解决方案;最后是平台的创新,通过搭建一个平台,聚人才、聚需求、聚技术、聚合作、聚跨界产品。从而逐渐形成“综合+精准”的科技集成应用创新体系。   因此,我们需要深入思考未来技术对环保的挑战是什么?随着其他领域的改变,“AI环保”将会被引发。人工智能将会在环保领域催生新的思维方式,让智能接管相关事务,比如借助物联网智能分享来减少温室气体排放。人工智能还将创新环保模式,利用最先进机器学习系统,能够极大提高工作效率,可以很轻易地将任何行业的公司利润提高3~5倍。人工智能与生物技术还将颠覆环保技术,借助合成生物学、自动化技术与机器学习等手段来更准确地研发新型微生物的方法,將会在化工、农业及电子科技等各个领域产生颠覆性的影响。
  创新是未来人才必不可少的基本素养,开设相关课程对学生具有重要现实意义。但是,目前国内高校对于创新课程的研究不少,但系统性开设此课程的比例仍然较低,还只是小规模试点或实验,受众学生范围较小。特别是系统性教授创新工程类课程尚不多见,主要还是以单一的实验项目和创新活动为主。所以我们一定要做交叉、要联合,与企业人才共享,联合共赢,从而真正培养学生创新能力。2017年我第一次在大学里开设了一门创新课程作为实践课,真正到实践当中去学习,让学生走出课堂,走入各行创业,让实践学习成为主流。我找了很多的单位,有国企、公益企业、民营企业,还有事业单位,学生在企业里发现问题,然后用各种创新手段解决问题。学生解决问题不仅仅依靠所学的环境知识,还要靠很多其他知识。学生们特别有收获,而且他们第一次说他们知道自己真正要干什么,真正明白了什么叫终身学习、自我学习。在企业发现的问题并不是书本上的知识能解决的,也不是老师告诉的,要学会自己寻找解决方法。这是我做的一门真正的创新课程,作为老师需要站在知识的前沿,引导学生如何学习,如何创新,如何学习团队合作,如何解决真实的问题。这门课程非常受欢迎,今后还将继续扩大。
  同时为了加大交叉学习、加强交叉研究,我们成立了环丁联盟。联动社会、科研、产业及金融四方力量,融合创新环保理念与技术,打造环保领域的交叉创新平台。环丁联盟的发起人及参与者有着共同的理想、信念与担当,秉持功不在我的理念,为子孙后代留下碧水青山与蓝天。环丁联盟拥有四个平台,即交叉前沿技术聚合创新平台、环保大数据综合服务平台、环保顶级智库及培训平台、创新孵育平台(环丁青少年奖),通过共同开展技术研发形成以交叉创新为基础、立足城市生态环境综合发展顶层设计的“环丁标准”社团标准体系。
  三、生态环境保护的创新发展
  物联网、人工智能等新兴技术将会是未来的重要方向,未来很多行业将发生质的变化。在教育行业,现在很多企业已经开始投资AI教育,未来的教育可能很多是“一对一”式的,真正用人工智能来做教育,更能针对每个人的特点,观测每个人需要的知识点,所以教育上已经出现了AI教育;还有金融行业,现在基本上出门不需要携带现金了,用手机支付已经没问题;交通行业现在也引入了人工智能,初步的无人驾驶已然实现,再结合大数据分析还能解决我们出行规划的问题。环保行业现在也在慢慢发生变化:各行各业的变化会导致技术的升级,资源的进一步利用,也进一步实现了排污减少,很多以前低技术及污染行业的消失可能会带来污染源头的消失,各种新技术与环保的交叉合作也会带来新的环保创新应用,大数据的积累,机器学习的不断深入将使AI的应用成为现实,等等。随之而来的是环保行业将会彻底改变。像污水处理、污泥处理处置、焚烧处理垃圾、工业废弃物,很多地方根本没有办法建厂,不是由于土地的原因,而是邻避效应,因此社会问题的共同面对、共同管理将成为常态,从源头进行分类再利用,进行减量也将成为必然。积极使用物联网及大数据,可以使管理越来越精细,也越来越完整,循环利用的可能性大大增加。
  另外,前一段时间我一直在思考,就是关于分享经济对环保模式的影响。现在共享单车出现了,解决了“最后一公里”问题,还有共享汽车、共享住宅,等等。分享经济导致社会资源再分配,社会管理也要再分配,大家的社会行为可能也有一个再铸造过程。分享经济给了我们一些启示,未来的社会可能不像我们现在,随着5G发展,它会一直变化。具体到环保上,绿色社会的需求将改变,人们的生活走向绿色低碳,也会促进环保标准的不断提高以及监管水平的提高,社会参与行为的改变会要求更方便的管理,因此物联网将会推动环保行业的不断发展。
  随着机器学习的不断发展,图形识别已经达到了几乎百分之百的识别率,这是很有意义的。从整个发展历程来看,工业化之前,大自然通过环环相扣的食物链等实现自身循环,只要在容量之内,上亿年的东西没有不消化掉的,因此对地球而言,没有环保问题;随着工业化发展,越来越多的废物排向环境,人类为了自己的生存开始了对污染物的处理,并由此产生了环保专业;随着经济的发展,污染物种类越来越多,污染越来越严重,污染物(气、水、固)的末端处理面临严峻形势,监管及惩罚难度加大。因此,减少污染物,积极倡导3R(Reduce,Reuse,Recycle),变废为宝,成为环保的最终目标。未来,随着人工智能、大数据及生物技术的发展,环保可以利用这些工具,以最有效的方式、最生态的方法进行3R+管理+生物处理。
  再来看大数据,从人类直立行走开始到2003年,在大约四百万年间,人类创造了5艾字节的信息,这个存储量相当于50亿部1G电影,到了2010年人类每两天创造5艾字节,到了2013年每10分钟创造5艾字节。人类历史上创造了这么多的数据(价值),如何找出规律、如何有效利用深度挖掘来指导我们的未来发展,是摆在我们面前的最大难题。这个数据的利用可能是我们现在的一个新的发展方向,需要我们利用最新技术深度挖掘数据,利用大数据告诉我们的实际关系来阐明问题,利用这些数据来指导未来。到底怎么利用这些数据,我想举一个土壤污染防治案例,因为土壤跟水、气是完全不一样的,土壤污染防治面临污染面积判断难、监测检测技术弱、防治资金投入超大的困境,我们做的时候想借助移动互联网、物联网等技术,拓宽数据获取渠道,实现多维数据动态广泛更新,发挥土壤环境大数据在土壤污染防治中的作用。从一开始我们就与搞IT技术的单位全面合作,我们与IBM成立了一个联合实验室,扩展全面合作,将最新的前沿技术引入并应用于环保领域。大数据关键在于多种数据的挖掘,要从不同领域的数据共同精准识别一个东西,这个数据不是来源于单一数据,要包括至少十几个方向的行业的累计数据,通过认知科学及机器学习找出关联关系进行分析,等等。所以我们当时做土壤污染分析的时候,实验室首先实现了土壤环境大数据的集成,用了各种各样的数据(卫星遥感数据、污染源统计数据、环评数据、地理信息数据、社交数据、工商数据等),最后我们得到了一系列非常精确的数据关联关系,从而推导出潜在的污染场地。
  另外,我们从新技术的角度来看,材料技术、基因技术的突破,对环境治理同样有着巨大的贡献。比如,镉的污染对大米是一个大问题,袁隆平先生曾说,可以把亲本中的含镉或者吸镉的基因‘敲掉’,这个稻子不再吸收镉了,我们环保人也就不再需要想尽办法把镉一点点弄出来,等于是另辟蹊径来解决环保问题。所以环保的问题不仅仅是站在环保的角度,还要从其他行业的技术发展来看怎么解决这个环保问题。还有利用纳米材料石墨烯等对污水进行处理,可明显改善水质,帮助污水变清。新材料由三维石墨烯管和黑色二氧化钛混合而成,其原理是“物理吸附+光化学催化降解”。他们从另外一个角度解决了环保的问题,相关成果获“国家自然科学奖”二等奖,现已在上海、安徽、江苏等地成功示范。
  所以,保护生态环境不单是环保行业的事情,各行各业共同参与才有绿水青山蓝天。环保行业颠覆技术需要来自创新思维,这也关系到人才的问题,需要更多的能够跳出原有的思维模式,终身保持学习的创新人才。
  [责任编辑:余大品]
  胡 清,南方科技大学工程技术创新中心主任,教授。
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