“水污染控制工程”課程建設(shè)與教學改革探索

水是生命的源泉，工業(yè)的血脈，城市的命脈。隨著我國生態(tài)文明建設(shè)、美麗中國建設(shè)等重大戰(zhàn)略的全面推進，對水環(huán)境質(zhì)量提升，特別是水污染防治提出了新的要求?！吨腥A人民共和國水污染防治法》的頒布與修訂，強化了水污染控制領(lǐng)域相關(guān)人才知識能力培養(yǎng)的重要性與緊迫性，應將水污染控制相關(guān)課程納入高等教育、職業(yè)教育和技術(shù)培訓。“水污染控制工程”是一門采用科學和工程技術(shù)的方法，解決與污水處理及回用相關(guān)的問題，并最終以與環(huán)境、生態(tài)、社會和經(jīng)濟相適應的方式保護水環(huán)境、水資源和公共健康，維持社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的學科?！八廴究刂乒こ獭笔黔h(huán)境工程專業(yè)的必修核心專業(yè)課程，緊扣國家生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)境保護需求，具有理論與工程實踐并重特性，堅持立德樹人，遵循以學生發(fā)展為中心的教育理念［1-2］。因此，如何提高“水污染控制工程”教學的育人質(zhì)量，是適應新時代高等教育立德樹人新要求的重要課題［3］。一、“水污染控制工程”課程教學面臨的主要問題在生態(tài)文明建設(shè)需求與新工科建設(shè)背景下，水污染控制工程面臨著新挑戰(zhàn)，水環(huán)境問題呈現(xiàn)系統(tǒng)性、復雜性，綜合治理難度遠超以往，再加上課程的實踐性、綜合性與學科交叉特性，沿用傳統(tǒng)教學模式，學生難以掌握水污染控制的系統(tǒng)性知識，制訂處理工藝方案和系統(tǒng)解決方案的能力較弱。在課程教學中亟待解決的重點問題有以下幾方面。（一）課程教學目標不完整水污染控制工程包含控制理論與控制工程兩部分，在教學中應做到理論與工程實踐并重，讓學生能夠運用其理論和方法解決環(huán)境領(lǐng)域面臨的復雜工程問題。然而，目前本課程教學目標存在兩極分化的現(xiàn)象，理科類院校重理論輕實踐［4］，工科類院校重實踐輕理論，均不利于新工科建設(shè)背景下復合型工程科學人才的培養(yǎng)。（二）課堂內(nèi)容滯后于科技發(fā)展現(xiàn)代科技發(fā)展迅速，水污染控制新原理、新技術(shù)層出不窮，規(guī)范標準更新速度快。然而，目前使用教材內(nèi)容普遍滯后，與國家重大需求、世界科技前沿存在代差，理論與實踐脫節(jié)；課堂理論學時普遍壓縮減少，知識碎片化現(xiàn)象日趨嚴重［5］。（三）實踐教學系統(tǒng)難以激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能課程設(shè)計和實驗教學是“水污染控制工程”課程教學的重要環(huán)節(jié)，但學生對實際工藝理解不深，難以將設(shè)計理念與工藝運行有效結(jié)合；實驗教學體系在規(guī)范操作層面成效顯著，但缺乏綜合訓練和創(chuàng)新訓練，難以激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。二、課程教學改革思路（一）明確適應工程教育專業(yè)認證的教學目標工程教育是我國高等教育的重要組成部分，工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是培養(yǎng)與社會相適應人才的基本路徑［6］?！八廴究刂乒こ獭闭n程作為環(huán)境科學與工程專業(yè)本科教學的專業(yè)主干課程和必修課程，培養(yǎng)學生作為水處理工程師的專業(yè)素養(yǎng)，掌握水污染控制領(lǐng)域的基本理論、專門知識和基本技能，熟悉并能正確運用水處理工程設(shè)計的相關(guān)標準、規(guī)范與手冊，具備水處理工藝設(shè)計計算與圖紙繪制的能力，為學生能夠順利完成畢業(yè)實習、畢業(yè)設(shè)計，并開展污水處理相關(guān)的科學研究奠定堅實的基礎(chǔ)。（二）完善并更新課程內(nèi)容根據(jù)學科最新發(fā)展趨勢和專業(yè)人才培養(yǎng)目標，定期修訂教學大綱和考試大綱，更新知識體系，確保課堂教學內(nèi)容的先進性和前沿性［1，7］；注重經(jīng)典與現(xiàn)代銜接，結(jié)合國家重大工程，通過案例研討，將最新科研成果及前沿科學問題融入教學，開闊學生學科視野，激發(fā)學生的求知欲望和探索精神；結(jié)合國內(nèi)外專業(yè)教材、專著及國內(nèi)外最新研究成果，增加污水處理碳中和與能源回收等內(nèi)容，提高課程的高階性和挑戰(zhàn)度；有機融合課程思政內(nèi)容，促進學生價值塑造的同頻共振，提高學生的學習獲得感和素養(yǎng)能力，形成“知水、樂水、愛水”的“水污染控制工程”課程的核心價值觀。（三）構(gòu)建現(xiàn)代化信息技術(shù)教學系統(tǒng)構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（AR）和App（雨課堂、藍墨云、問卷星、AdobeConnect）等現(xiàn)代化信息技術(shù)教學系統(tǒng)，通過學院國家實驗教學示范中心虛擬仿真實驗室讓學生對污水處理流程及各工藝設(shè)備構(gòu)造進行情境體驗型學習。利用現(xiàn)代化信息技術(shù)實現(xiàn)云班課、翻轉(zhuǎn)課堂、移動教學及智能設(shè)備教學等，讓學生形成帶著問題進課堂的思維模式和行為習慣。針對課程重點和難點，充分利用教學互動過程中生成的數(shù)據(jù)信息進行智能化系統(tǒng)分析、聯(lián)動分析和對比分析，驅(qū)動智慧教學不斷優(yōu)化與完善，讓課程教育完成從“經(jīng)驗互動”到“數(shù)據(jù)互動”。三、課程教學改革探索（一）完善課程教學目標在國家深化教育改革的背景下，教育模式由工程技術(shù)型逐漸向工程科學型轉(zhuǎn)變，科學與工程并重，培養(yǎng)能夠融合科學發(fā)現(xiàn)與工程技術(shù)的工程科學人才是本課程的人才培養(yǎng)目標。本課程在傳統(tǒng)上是培養(yǎng)學生作為水處理工程師所需的專業(yè)素養(yǎng)為目標。隨著社會對科學能力與創(chuàng)新人才的需求，工程教育將科學研究能力與素養(yǎng)也納入了專業(yè)認證的畢業(yè)要求當中，以期通過課程的開設(shè)為污水處理領(lǐng)域相關(guān)的學術(shù)研究奠定基礎(chǔ)。因此，通過本課程的學習，應使學生具備以下能力：（1）通過對水污染控制專業(yè)技術(shù)方法與工程知識的學習，掌握水污染控制工程的典型技術(shù)原理，認識水污染防治工程問題的復雜性，通過水污染控制系統(tǒng)方案比選與工藝設(shè)計，能夠?qū)⒗碚撝R用于水污染治理領(lǐng)域復雜工程問題的新技術(shù)開發(fā)和工程設(shè)計；（2）在水污染控制領(lǐng)域，夯實學生應用數(shù)學、自然科學和環(huán)境工程的理論基礎(chǔ)的能力，結(jié)合課堂實驗，發(fā)現(xiàn)、識別、描述、判斷并定性定量分析典型水處理領(lǐng)域的關(guān)鍵性問題，理解實驗研究在水污染控制過程中的意義和作用，并具有水處理技術(shù)方法的科學實驗設(shè)計與研究能力；（3）了解社會需求、國家政策和法規(guī)，熟悉水污染控制相關(guān)標準及規(guī)范手冊，能根據(jù)復雜的水污染控制工程問題的目標，提出有針對性的設(shè)計/開發(fā)方案，尤其是新型城鎮(zhèn)化過程中的水污染控制復雜問題中的系統(tǒng)、單元或工藝流程設(shè)計方案；（4）結(jié)合相關(guān)工程背景知識，優(yōu)化水污染控制方案與工藝設(shè)計，降低或避免水污染控制工程設(shè)計、建設(shè)與運行管理過程對社會、健康、安全、法律以及文化的影響［8］。（二）優(yōu)化課程教學知識結(jié)構(gòu)與內(nèi)容針對環(huán)境專業(yè)的學生，開展學習特征的調(diào)研工作，通過多方位的結(jié)果分析，全面了解學生的公共基礎(chǔ)和專業(yè)基礎(chǔ)知識儲備以及學習需求；深入分析政府部門、行政單位、事業(yè)單位、設(shè)計院、企業(yè)及科研院所需要的人才在本課程的知識內(nèi)容、工程技術(shù)能力及綜合素質(zhì)方面的具體需求；梳理并分析本課程的知識點與環(huán)境科學與工程學科下其他公共基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程知識點的互補性與教學進度的銜接，確定本課程的知識結(jié)構(gòu)需求及統(tǒng)籌布局。從以下三方面系統(tǒng)分析其知識點互補性及交叉關(guān)聯(lián)性，優(yōu)化并重構(gòu)符合本專業(yè)課程特點的“水污染控制工程”教學內(nèi)容體系：（1）現(xiàn)有課程教材《水污染控制工程》、《排水工程（下）》（第五版）等教材的具體知識點；（2）公共基礎(chǔ)課程“高等數(shù)學”“大學化學”等各課程中的基礎(chǔ)理論知識點；（3）環(huán)境學科下“畫法幾何”“工程制圖與計算機繪圖”“流體力學”“物理化學”“環(huán)境監(jiān)測”“環(huán)境工程微生物學”“環(huán)境工程原理”“排水管網(wǎng)與泵站”“工程力學”“工程地質(zhì)與水文地質(zhì)”“環(huán)境水化學”等專業(yè)基礎(chǔ)課程中支撐的本課程基礎(chǔ)知識點。針對環(huán)境專業(yè)的學科特色、課程特點、就業(yè)需求與專業(yè)人才培養(yǎng)目標，系統(tǒng)分析前序各課程知識點在本課程理論與實踐教學內(nèi)容的銜接與交叉情況，合理安排課程知識框架設(shè)計方法，按照水污染控制工程“理論—方法—技術(shù)”為遞進邏輯主線，以“緒論、反應器理論、均化、固液分離、化學混凝、吸附、活性污泥法、生物膜法、污水生物除磷脫氮與再生水回用、污泥處理與處置”為主要課程教學內(nèi)容，補充污水處理碳中和與能源回收等國家重大需求與國際學術(shù)前沿相關(guān)內(nèi)容，對教學大綱中的知識框架進行優(yōu)化，并完善其框架下的教學要求與知識點，修訂教學大綱。（三）創(chuàng)新教學組織實施“水污染控制工程”理論教學按照2學時課堂教學節(jié)奏進行課程內(nèi)容設(shè)計，以污水處理理論與工程技術(shù)的基本原理為起點，按照典型水污染、水質(zhì)指標、水污染控制的物化和生化原理、技術(shù)措施和設(shè)計計算為主線，引導學生對課程內(nèi)容進行學習和研討，重點指導學生制定工藝方案，幫助學生掌握水污染綜合分析和全流程質(zhì)量控制。通過問題導向式教學和研究型學習，讓學生成為主動學習者，提高學生教學參與度；通過理論與實踐教學有機融合，培養(yǎng)學生分析復雜環(huán)境問題的能力與實踐創(chuàng)新的能力；結(jié)合相關(guān)的工程案例，做到追根溯源，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題的能力，激發(fā)學生的學習興趣；分析突發(fā)水環(huán)境污染，培養(yǎng)學生的環(huán)保情懷和奉獻精神；定期邀請行業(yè)專家進課堂，培養(yǎng)學生的工程師職業(yè)素養(yǎng)。在課堂外，利用網(wǎng)絡平臺以多種貼近學生的方式進行學習資源的推送和課外指導，將課程內(nèi)容延伸到課外，激發(fā)學生的探索欲望和創(chuàng)新精神；通過需求導向開設(shè)專題講座，引入水處理前沿技術(shù)。（四）打造“智慧+專業(yè)課”新模式針對教學中學生對污水處理工藝及構(gòu)筑物難以建立“立體化”系統(tǒng)思維，造成對實際構(gòu)筑物與工藝理解不深的問題，可通過開發(fā)虛擬仿真軟件系統(tǒng)平臺，進行線上教學。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)水質(zhì)分析軟件、大型分析儀器、典型污水處理廠、單體構(gòu)筑物及泵3D素材等“可視化”教學，同時利用工程設(shè)備展示相結(jié)合開展“體驗式”教學，讓學生“身臨其境”。針對專業(yè)教學模式存在的“一對多”，上課教學節(jié)奏主要通過教師經(jīng)驗判斷的問題，通過使用現(xiàn)代化信息技術(shù)教學系統(tǒng)（雨課堂、藍墨云、問卷星、AdobeConnect）等，可線上支持課堂隨測，時刻關(guān)注學生的學習進度，實現(xiàn)多人高效互動、答疑彈幕及大數(shù)據(jù)分析等，助理教學過程從“經(jīng)驗互動”到“數(shù)據(jù)互動”，實現(xiàn)對傳統(tǒng)課程教學環(huán)境的智慧賦能。（五）建立綜合考核評價體系傳統(tǒng)教學考核僅注重結(jié)果管理，導致學生也普遍只注重理論知識的掌握，靠考前臨時復習應對考試，往往考試結(jié)束后對所學知識迅速遺忘。課程應理論與實踐并重，采用“過程性評價”考核方式，注重學習效果和實踐能力的綜合測評。理論課程成績由作業(yè)與課堂研討（30%～40%）、理論考試（60%～70%）組成，課程設(shè)計與專業(yè)實驗成績采用等級制單獨計算。通過作業(yè)和課堂研討，考查學生識別、描述、分析及表達環(huán)境問題的能力；通過理論考試，測評學生在專業(yè)知識應用及分析解決復雜水環(huán)境問題的能力；通過課程實驗、課程設(shè)計與實習，衡量學生整合反思和團隊協(xié)作溝通交流的能力。通過考核方式的改革與優(yōu)化，建立反饋學習效果的全生命周期評估體系，加強了對學生綜合能力的系統(tǒng)化考核，提升學生對所學知識的全面掌握和深度理解。結(jié)語在國家全面推進生態(tài)文明建設(shè)、美麗中國建設(shè)等戰(zhàn)略部署下，水污染防治