趙志偉 李莉 向平 古勵 蔣琰 曹知平 曾潔 蔣紹階

摘要：新工科建設(shè)對專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了全新的挑戰(zhàn)。水質(zhì)工程學(xué)作為給排水科學(xué)與工程專業(yè)的傳統(tǒng)核心主干課程，理論性和實踐性并重，涉及的專業(yè)知識廣泛、綜合性強等特點，需要聚焦新工科內(nèi)涵和國家重大需求改革創(chuàng)新課程。針對傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，本著以學(xué)生為中心，圍繞“知識探索、能力建設(shè)、價值引領(lǐng)”設(shè)計的多層次教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)行業(yè)最新發(fā)展更新教學(xué)內(nèi)容，多維教學(xué)目標(biāo)設(shè)計教學(xué)活動，推行教師引導(dǎo)和陪伴式的自主學(xué)習(xí)模式。通過教學(xué)環(huán)節(jié)順序的調(diào)整與教學(xué)組織的融合創(chuàng)新，運用興趣實驗導(dǎo)入、案例解析、課堂辯論、翻轉(zhuǎn)課堂等多種課堂形式，輔助新型信息技術(shù)，強化課程思政實現(xiàn)價值引領(lǐng)，構(gòu)建全周期系統(tǒng)性評價體系，在教學(xué)實踐中取得較好的效果。

關(guān)鍵詞：新工科;教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計;教學(xué)改革;課堂教學(xué);水質(zhì)工程學(xué)

中圖分類號：G6420 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號：10052909（2021）05010007

為適應(yīng)新一輪產(chǎn)業(yè)變革與科技革命的迅猛發(fā)展，2017年起教育部提出重大教育改革行動[1-2]，積極推進(jìn)新工科建設(shè)，拓展工程教育改革新思路和新路徑，助力高等教育的創(chuàng)新發(fā)展[3-4]，奏響了新工科人才培養(yǎng)的主旋律，標(biāo)志著我國工程教育翻開了新工科建設(shè)的新篇章[5]。2018年《關(guān)于狠抓新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神落實的通知》明確要求嚴(yán)格本科教育教學(xué)過程管理，同時要求各高校全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容。新工科的課堂變革和教學(xué)創(chuàng)新，需讓課程具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性，培養(yǎng)素質(zhì)全面并具有創(chuàng)新精神和實踐能力的復(fù)合型人才[6]。

水質(zhì)工程學(xué)包括給水處理和污水處理兩大部分，是給排水科學(xué)與工程專業(yè)核心主干課程。水質(zhì)工程學(xué)課程內(nèi)容較多，概念抽象，對學(xué)生在化學(xué)、流體力學(xué)、微生物學(xué)以及數(shù)學(xué)等方面的基礎(chǔ)要求較高。該課程具有知識系統(tǒng)較為緊密、理論性和實踐性并重、涉及的學(xué)科基礎(chǔ)知識較多、學(xué)科交叉廣泛、工程技術(shù)手段更新快等教學(xué)困難和特點。教學(xué)要面臨引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)復(fù)雜工程系統(tǒng)的原理和應(yīng)用理論知識點解決問題能力等挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)教學(xué)模式依托于課本知識，以書本知識邏輯為中心[7]。新工科背景下應(yīng)以學(xué)生為中心，課程創(chuàng)新改革需符合“兩性一度”的要求，注重教學(xué)知識—能力—素質(zhì)的有機融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和創(chuàng)新思維;課程內(nèi)容則要反映前沿性和時代性，教學(xué)形式呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動性，課程難度對老師備課和學(xué)生課下提出了較高要求[8]。

聚焦新工科內(nèi)涵、國家重大需求和國際學(xué)術(shù)前沿，如何解決傳統(tǒng)教學(xué)中的學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、自主思考和動手創(chuàng)新能力差、解決復(fù)雜工程技術(shù)問題的能力不足及質(zhì)量評價體系單一等問題，通過水質(zhì)工程學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程與方法的創(chuàng)新改革，對培養(yǎng)具有適應(yīng)“新工科”教育背景的專業(yè)復(fù)合型人才具有重要的價值和意義。

一、課程的定位與內(nèi)容

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，是社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要支撐因素，是綜合國力的重要組成部分[9]。市政與環(huán)境類專業(yè)對緩解水危機和建設(shè)生態(tài)文明負(fù)有重要歷史責(zé)任，而水質(zhì)工程學(xué)所傳授的知識主要解決水社會循環(huán)中的水質(zhì)問題，是重要的專業(yè)課和必修課[10]。

該課程主要包括給水處理和排水處理兩部分，共112學(xué)時，實驗部分20學(xué)時。課程的主要任務(wù)是使學(xué)生全面系統(tǒng)地了解水的性質(zhì)、水質(zhì)特征與水質(zhì)指標(biāo)等基本概念與理論、較扎實地掌握給水、污水處理技術(shù)的基本概念、基本理論、基本計算方法及其應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r;基本掌握各種給水、污水處理地工程技術(shù)與方法、應(yīng)用條件以及新工藝與新技術(shù)，為將來從事水工業(yè)和水環(huán)境相關(guān)的工程設(shè)計、科研、規(guī)劃及運行管理等工作奠定理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生具有設(shè)計、計算水質(zhì)工程中的各種構(gòu)筑物、工藝系統(tǒng)的初步能力。

二、課程教學(xué)目前存在的問題

傳統(tǒng)水質(zhì)工程學(xué)課程教學(xué)以“教”為組織中心，教學(xué)方法以線下課堂授課為主，難以滿足“新工科”背景下社會、行業(yè)和時代的發(fā)展需求。

教學(xué)過程中存在以下痛點問題：一是傳統(tǒng)理論以“教”為主，學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣不高。教師“滿堂灌”、學(xué)生“滿堂聽”的傳統(tǒng)教學(xué)方式下，學(xué)習(xí)為知識學(xué)習(xí)而疏遠(yuǎn)探索研究，加上缺乏學(xué)習(xí)目標(biāo)和興趣，學(xué)生往往被動接受知識，缺乏獨立自學(xué)能力。二是信息化手段缺乏，知識探索難度大。該課程講授的是水中物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化、生物化學(xué)的過程，涉及水下的管路系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施，在現(xiàn)有實習(xí)模式下，學(xué)生難以觀察各構(gòu)筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無法理解和掌握單元系統(tǒng)的邏輯關(guān)聯(lián)性，無法了解構(gòu)造原理與理論知識點，更無法利用理論知識解決實際問題。三是教學(xué)單元割裂，學(xué)生理論結(jié)合實際能力不足。現(xiàn)有的教學(xué)方式按照理論—實驗—設(shè)計的先后時間與教師分工進(jìn)行分割，學(xué)生在學(xué)習(xí)理論時難以理解應(yīng)用方向，在解決實際問題時又難以找到理論結(jié)合點，在面對復(fù)雜工程技術(shù)問題時顯得能力不足。四是課程考核單一，對綜合能力培養(yǎng)有待加強。傳統(tǒng)的“一卷定成績”的考評方式，難以滿足新工科要求下對學(xué)生的能力培養(yǎng)要求和考核評價，針對當(dāng)前單一的、片面的、靜態(tài)的評價方式，學(xué)生的對策就是“死記硬背”，而學(xué)生的綜合能力沒有得到有效鍛煉，不利于學(xué)生素質(zhì)能力的全面培養(yǎng)。

三、課程教學(xué)改革與創(chuàng)新

水質(zhì)工程學(xué)作為給排水科學(xué)與工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，對其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織和教學(xué)方法的持續(xù)改革，是專業(yè)學(xué)科建設(shè)的重要內(nèi)容。教學(xué)團隊設(shè)計多層次教學(xué)目標(biāo)、豐富教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)過程與教學(xué)方法、改革教學(xué)評價體系，充分貫徹新工科“兩性一度”的新要求。

（一）設(shè)計多層次教學(xué)目標(biāo)

在充分調(diào)研和認(rèn)識當(dāng)前課程建設(shè)和教學(xué)中存在不足的基礎(chǔ)上，通過課程思政挖掘融合、課程知識體系重構(gòu)、教學(xué)組織和教學(xué)評價多樣化改革，探索符合新工科內(nèi)涵和外延的水質(zhì)工程學(xué)教學(xué)體系，為培養(yǎng)新時代卓越人才提供支撐。本課程教學(xué)以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)未來的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才為導(dǎo)向，對標(biāo)工程教育認(rèn)證，在教學(xué)中圍繞“知識探索、能力建設(shè)、價值引領(lǐng)”進(jìn)行了一系列創(chuàng)新改革。

1.圍繞“知識探索”

以水處理單元技術(shù)為主線，突出工藝?yán)碚?，聚焦工藝設(shè)計原理和優(yōu)選，兼顧核心參數(shù)的設(shè)計和計算，掌握水處理技術(shù)的基本原理、設(shè)計方法、城鎮(zhèn)水廠運行維護管理等理論知識;探索污染物在工藝單元中的遷移規(guī)律、去除機制及效能;探究新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新案例。

2. 圍繞“能力建設(shè)”

通過虛擬仿真、實驗實踐、課程設(shè)計、現(xiàn)場實習(xí)等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和工程素養(yǎng)，以及從事水工業(yè)及水環(huán)境相關(guān)的工程設(shè)計、科研、規(guī)劃及運行管理能力，能應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)手段解決復(fù)雜工程技術(shù)問題，和良好的溝通交流、團隊合作和終身學(xué)習(xí)能力等。

3. 圍繞“價值引領(lǐng)”

在課程各個環(huán)節(jié)中，明確專業(yè)知識傳播與核心價值引領(lǐng)并重的育人職責(zé)，明確水處理行業(yè)的重要性和歷史使命，強調(diào)應(yīng)有的職業(yè)道德和社會責(zé)任及綠色發(fā)展理念，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任和歷史使命感。

（二）更新教學(xué)內(nèi)容

1. 結(jié)合行業(yè)最新發(fā)展，更新教學(xué)內(nèi)容

社會經(jīng)濟和科技發(fā)展不斷催生新的需求，帶來新的需求導(dǎo)向，水質(zhì)工程學(xué)教學(xué)內(nèi)容也需根據(jù)國家建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略做出調(diào)整。近年來，國家大力開展海綿城市、智慧城市、黑臭水體治理、微污染水處理、污泥處理、飲用水安全保障等社會持續(xù)性發(fā)展方面的建設(shè)，新的科研成果、工程技術(shù)、信息技術(shù)不斷涌現(xiàn)與應(yīng)用，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范快速更新修訂，對傳統(tǒng)給排水工程系統(tǒng)設(shè)計研究方法提出了新需求、新挑戰(zhàn)。適時引入最新國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范、“四新”技術(shù)，以及低影響開發(fā)（海綿城市建設(shè)）、飲用水安全保障等國家和社會熱點需求技術(shù)，將教師承擔(dān)的國家科研項目的成果轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，在教學(xué)中注意把這些內(nèi)容融入其中，反映行業(yè)技術(shù)發(fā)展的最新成果，優(yōu)化現(xiàn)有知識板塊，注意相關(guān)內(nèi)容的整合、知識點之間的銜接。

2. 以學(xué)生為中心，有機結(jié)合仿真—實驗—理論—設(shè)計內(nèi)容

為克服以往傳統(tǒng)專業(yè)課學(xué)生興趣不高、處理構(gòu)筑物不能具象、學(xué)生難以理解等問題，根據(jù)不同教學(xué)板塊特征，在專業(yè)知識教學(xué)上集虛擬仿真—實驗操作—理論學(xué)習(xí)—設(shè)計應(yīng)用于一線;在能力培養(yǎng)上把相關(guān)課程內(nèi)容及實踐模式結(jié)合起來，注重實驗課程教學(xué)設(shè)計能力培養(yǎng)設(shè)置，實施全程實踐化;在工程素養(yǎng)中融工程技術(shù)、技術(shù)法規(guī)、工程經(jīng)濟等于一體，把安全、環(huán)境、規(guī)劃、管理、創(chuàng)新意識培養(yǎng)貫穿于整個教學(xué)過程中，使課堂講授、信息平臺、實驗實踐、工程設(shè)計相銜接，構(gòu)成新的課程教學(xué)內(nèi)容。通過調(diào)整教學(xué)順序提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和團隊合作能力，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中真正動起來，完成從知識學(xué)習(xí)到能力生成的轉(zhuǎn)化。

3. 課程思政化，強化價值引領(lǐng)內(nèi)容

新工科建設(shè)對課程思政提出了新要求，在水質(zhì)工程學(xué)課程教學(xué)過程中充分挖掘和融合思政元素，將政治教育融入育人全過程，分層次、講方法、求實效的開展課程思政。在教學(xué)過程中通過理清水處理技術(shù)的社會作用、講夠其發(fā)展成就、講明我國的水情特征和講透與先進(jìn)水平的差距等，把家國情懷有機融入課程教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)的責(zé)任感、國家的認(rèn)同感、時代的使命感，使學(xué)生把愛國情、強國志、報國行自覺融入在堅持和發(fā)展中國特色社會主義事業(yè)、建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強國、實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的奮斗之中[11]。

（三）創(chuàng)新教學(xué)過程與教學(xué)方法

通過合理運用多種教學(xué)方法，創(chuàng)新教學(xué)過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。

1. 設(shè)計多維教學(xué)活動

針對知識探索、能力建設(shè)和價值引領(lǐng)的教學(xué)目標(biāo)（圖1），初階重在喚醒興趣與知識體系構(gòu)建，學(xué)生課前預(yù)習(xí)雨課堂中發(fā)布的講義和難點，線下課堂以興趣實驗導(dǎo)入，引發(fā)學(xué)生探究式學(xué)習(xí)。結(jié)合理論知識剖析試驗現(xiàn)象，進(jìn)行知識講解，強化知識點記憶。中階強調(diào)自主學(xué)習(xí)與同伴學(xué)習(xí)，學(xué)生進(jìn)行案例背景分析、沉浸體驗虛擬仿真項目、分組討論辯論工程/科研方案等完成深度學(xué)習(xí)。高階目標(biāo)在于實現(xiàn)人格養(yǎng)成與價值引領(lǐng)。教師發(fā)布學(xué)術(shù)熱點、前沿、爭議問題和工程設(shè)計、科學(xué)研究任務(wù)，學(xué)生團隊合作完成工程設(shè)計圖紙和科研問題研究報告，翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行作品展示，學(xué)生互評、教師點評，最后討論反思持續(xù)改進(jìn)計劃。

2. 改變教學(xué)模式

倡導(dǎo)在教師引導(dǎo)下以學(xué)生為中心的教學(xué)模式。教師的主要作用：激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生學(xué)業(yè)需求轉(zhuǎn)化成學(xué)習(xí)動機;組織協(xié)作學(xué)習(xí)，開展討論與交流，并對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行引導(dǎo);啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)規(guī)律，主動去糾正片面或錯誤的認(rèn)識?；诖?，水質(zhì)工程學(xué)課程設(shè)計的全周期教學(xué)活動以“學(xué)生為中心”，形成教師引導(dǎo)和陪伴式自主學(xué)習(xí)模式。課前預(yù)習(xí)重在提出問題，教師陪伴與引導(dǎo)自主學(xué)習(xí)與辯證思考;課堂教學(xué)強調(diào)參與互動，興趣實驗特色案例喚醒興趣，構(gòu)建知識體系，科研問題與工程設(shè)計任務(wù)引導(dǎo)深度學(xué)習(xí)激發(fā)創(chuàng)新能力;課后作業(yè)結(jié)合實際問題注重能力拓展，教師陪伴討論，以激發(fā)學(xué)生發(fā)散性思維能力。

3. 創(chuàng)新教學(xué)組織

以興趣實驗介入，將虛擬仿真貫穿于理論課堂和設(shè)計教學(xué)中，將工程案例與議題辯論融入全周期教學(xué)環(huán)節(jié)，帶著理論學(xué)習(xí)問題回到實驗室進(jìn)行求證探索，通過教學(xué)活動順序的調(diào)整與融合，引起學(xué)生對問題的探究激情，使其快速進(jìn)入積極的思維狀態(tài)，并展開有效探究活動，從而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。學(xué)生自主設(shè)計工程和實驗研究方案，培養(yǎng)學(xué)生閱讀、歸納文獻(xiàn)、演繹方案、邏輯分析和組織的能力。課后，學(xué)生自主對方案實施計劃與進(jìn)度管理，每周對學(xué)習(xí)和協(xié)作活動進(jìn)行認(rèn)知、監(jiān)控和反思，實現(xiàn)自我覺察、自我批評和自我調(diào)節(jié)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和提高自我挑戰(zhàn)度。教學(xué)環(huán)節(jié)的高度融合使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中真正“動”起來，實現(xiàn)從學(xué)科知識到實踐能力的轉(zhuǎn)化。

4. 運用多種課堂形式

根據(jù)水質(zhì)工程學(xué)工藝?yán)碚撝R探索培養(yǎng)要求，將混凝、沉淀、過濾、吸附、活性污泥鏡檢、充氧曝氣等興趣實驗搬進(jìn)課堂，喚醒學(xué)生以理論知識解析實驗現(xiàn)場的興趣，構(gòu)建學(xué)生豐富的知識體系;根據(jù)學(xué)生創(chuàng)新意識培養(yǎng)、實踐能力和工程素養(yǎng)的能力建設(shè)要求，將虛擬仿真、綜合實驗項目、案例解析以翻轉(zhuǎn)課堂形式進(jìn)行討論，應(yīng)用知識解析問題，實現(xiàn)能力建設(shè)。圍繞社會責(zé)任和歷史使命感的價值引領(lǐng)要求，引入學(xué)派觀點、水污染法治問題辯論等課堂形式，明確水處理行業(yè)的重要性和歷史使命，強化價值引領(lǐng)。

5. 輔助新型信息技術(shù)

在全周期教學(xué)活動中，利用雨課堂等新型的信息技術(shù)手段提升教學(xué)效率，掌握學(xué)生情況。初階課前預(yù)習(xí)時，利用雨課堂發(fā)布講義和難點報告;中階利用雨課堂發(fā)布案例資料和虛擬仿真項目資料;高階時，在雨課堂以及校教務(wù)平臺上發(fā)布工程和科研議題，并在關(guān)鍵點進(jìn)行知識點前測或后測，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度。

團隊在校級平臺建設(shè)了水處理虛擬仿真平臺（包括大型水廠3D實景虛擬現(xiàn)實仿真軟件1套、水質(zhì)分析軟件4套、給排水水處理過程3D仿真操作軟件4套），并利用國家虛擬項目共享平臺的仿真項目（水處理混凝過程虛擬仿真、城市地表水水源水質(zhì)深度凈化工藝）以及軟件開發(fā)公司共享的資源進(jìn)行全景實景實踐，沉浸于“廠長”的角色進(jìn)行日常運行和生產(chǎn)故障的全過程調(diào)控，加強學(xué)生對設(shè)施內(nèi)部構(gòu)造的理解和水處理全局系統(tǒng)性的認(rèn)識，強化學(xué)生的工程意識。

（四）改革教學(xué)評價體系

將教學(xué)目標(biāo)分解到每節(jié)課（圖2），反向設(shè)計教學(xué)活動，根據(jù)初階、中階到高階教學(xué)目標(biāo)設(shè)計考核評價方式，線上課前預(yù)期及前測、興趣實驗、案例分析互動參與、討論辯論與展示、虛擬仿真實驗、科研實驗與工程設(shè)計任務(wù)以及知識點后測與反思等教學(xué)任務(wù)，分別細(xì)化為線下考試（60%）、線上考核（20%）、課堂互動（10%）和團隊協(xié)作（10%）四大板塊，各板塊根據(jù)任務(wù)再細(xì)化占比。為了量化評價高階能力，根據(jù)學(xué)習(xí)態(tài)度、創(chuàng)新能力、技術(shù)水平、實踐能力以及成果質(zhì)量制定的詳細(xì)評價量規(guī)（圖3），依次開展全周期系統(tǒng)性教學(xué)評價。

（五）教學(xué)實踐效果

水質(zhì)工程學(xué)課程教學(xué)創(chuàng)新模式在實踐應(yīng)用中得到了多數(shù)學(xué)生的認(rèn)可，使得傳統(tǒng)課程煥發(fā)新生機，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高漲，成為課堂出勤率最高的課程之一，課程教學(xué)評價排名前列。一方面，在該模式的探索中，學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力明顯提升，在各類實踐能力比賽、科技創(chuàng)新大賽中取得佳績;另一方面，教學(xué)團隊勤耕講壇，通過創(chuàng)新模式的磨練，教學(xué)團隊的教學(xué)能力顯著提升，發(fā)表教改論文、承擔(dān)教改項目、獲教學(xué)成果獎等。

四、結(jié)語

聚焦新工科內(nèi)涵和國家重大需求，水質(zhì)工程學(xué)作為給排水科學(xué)與工程專業(yè)的核心主干課程，需要不斷了解學(xué)情，落實以學(xué)生為中心的理念，進(jìn)行課程創(chuàng)新改革，培養(yǎng)新時代卓越人才。通過分析傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)未來的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才為導(dǎo)向，對標(biāo)工程教育認(rèn)證要求，圍繞“知識探索、能力建設(shè)、價值引領(lǐng)”，構(gòu)建多層次教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)行教學(xué)模式、課堂教學(xué)方法、教學(xué)活動組織、新型信息技術(shù)應(yīng)用、課程思政融入以及教學(xué)評價等方面的創(chuàng)新改革。通過實踐應(yīng)用取得了一定的成效，使水質(zhì)工程學(xué)傳統(tǒng)課程煥發(fā)新生機。

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