新工科背景下給水排水管道系統課程的教學改革與實踐

鄧仁健 周賽軍 任伯幟 王 麗 侯保林 胡曉蓮

（湖南科技大學土木工程學院 湖南·湘潭 411201）

0 引言

對提高城市居民生活質量、改善人居環境和城市生態文明建設負有歷史責任的給排水科學與工程專業，已開始圍繞國家重大需求和國民經濟發展，從水的城市社會循環角度觀察和研究問題。2017年，教育部發布的《關于開展新工科研究與實踐的通知》對新工科建設的內涵、外延和人才培養提出了新的要求和規定。《給水排水管道系統》作為給排水科學與工程專業的主干課程，對其教學改革和實踐是給排水科學與工程專業也是滿足新工科要求的重要實現途徑。傳統《給水排水管道系統》的理論知識體系（給水管網和排水管道）、教學組織和教學方法等，與新工科建設、社會、行業和時代發展存在明顯的差距。因此，基于新工科的要求，從課程思政、教學方法、教學資源和教學效果評價等方面探討了該課程建設新途徑，旨在為當前地方高校給排水科學與工程專業高素質應用型人才的培養提供參考。

1 課程改革原則

1.1 系統性

以水輸送和收集方法為主線，突出管網的水力計算和優化設計理論。聚焦給水、排水管網計算原理和設計技術，兼顧核心參數的設計和計算；根據給水管網和排水管網的統一性和差異性，闡述其特別要求和計算方法，從而培養學生的思辨能力，使學生建立城市給水排水管網的系統性和整體性的觀點。

1.2 創新性

為了滿足經濟社會需求，所有的理論、方法和技術都需要不斷的更新；《給水排水管道系統》現有的理論知識、管網模型、計算方法和關鍵參數等還存在諸多不足，還需不斷完善和創新。課堂上，如果只講授通用成熟的理論，而不闡述其發展過程和內在要求，難免與規范、手冊過度重疊，難以滿足創新的要求。

1.3 工程性

為了拓展更新和完善課程的知識體系和提升學生的理論分析水平，課堂教學過程中引入一些新方法、新理論、新技術、新材料和新設備等新知識；并應用這些新知識重構給水排水管道或管網的復雜工程問題，提升學生的工程規劃設計能力和工程素養。

2 課程改革內容

2.1 課程思政多維化

分層次、講方法、求實效的將課程思政與和學科思政教育融入人才培養過程中是新工科必然要求。因此，在《給水排水管道系統》課程教學過程中充分挖掘和融合思政元素，也是該課程建設的主要內容之一。

2.1.1 強化課程思政教學觀念

探索《給水排水管道系統》課程專業教育屬性與新工科專業人才培養屬性的契合點，落實課程思政在本課程建設中的引領效果和踐行方式，這就要求在教學過程中堅持正確的政治導向，堅持德育和智育相統一，堅持關注國家/地方發展需求和學術研究相統一。從而實現由“智育”向“德育—智育”協同并重課堂教學觀念的轉變，也是實現專業知識傳承與核心價值引領并重的育人機制。

2.1.2 挖掘課程思政元素

考慮新工科建設要求和依托《給水排水管道系統》知識體系，在課堂教學過程中充分挖掘并融入課程思政元素。例如，通過講授城市黑臭水體危害和供水水質存在風險等，明確具有城市“血管功能”的給水排水管網的重要性和歷史使命，進而培養學生的社會責任感和使命感；在給排水管道管材選擇教育學生以質量為重，強調工程師應有的職業道德。挖掘并融入課程思政元素還可以與技術、新方法、新設備和超級工程相結合，通過頂管施工方法、水泵等新方法和新設備的采用，提升學生的民族自豪感，堅信在發展和創新中國產設備能夠實現世界領先。

2.1.3 案例牽引課程教學

典型工程案例教學方法不僅可以提高專業教學效果，還可以融入課程思政內。通過南水北調、東深供水工程等超級工程來彰顯我國制度的優越性；利用城市給排水工程系統規劃案例來培養學生在工程實踐中要勇于承擔對工程建設、自然環境以及社會的責任。解讀海綿城市建設、城市綜合管廊建設、城市黑臭水體治理實施等工程案例所產生的經濟、社會和環境效益，從而讓學生深刻明白我國為什么要走綠色可持續發展道路，進而突出城市生態文明建設的重要性和必要性。

2.1.4 構建課程知識體系

在教學過程中介紹輸配水行業的新規范、新理論、新技術、新設備和新材料等最新科研成果及發展動態，構建完整的課程體系，使教學和科研相互促進。將大型給水管網模擬及優化調度的理論、給水管網水質控制方法、SWMM模型應用、排水管網功能診斷、海綿城市建設理論等來補充和更新本課程知識單元，提高《給水排水管道系統》教學內容的理論性、系統性和實踐性，構建“知識—能力—工程應用”立體化課程體系，為培養學生解決復雜工程問題的能力奠定基礎。

2.2 教學方法多樣化

新工科建設以學生為中心就是要實現被動“教”到主動“學”的教學模式轉變，同時也對教學方法進行改革。結合《給水排水管道系統》教學內容的特點，可以利用信息化教學手段、仿真模擬軟件等開展不間斷的線上教學。

2.2.1 教學理念改變

利用問題式教學、研討式交流教學、工程案例解讀等方法，將傳播專業知識和培養學生能力相結合；將理論授課與課程設計有機的結合，以課程設計的工程案例為切入點，將給水排水管網的規劃布置、給水管網模型構建、給水管網工程設計、污水管網設計與計算、雨水管網設計與計算等理論知識、布置原則和參數取值等進行解讀和工程應用，構建理論知識—關鍵參數—工程實踐應用多維度教學理念，提高學生的專業知識和工程素養。

2.2.2 課堂上合理使用多媒體

與傳統的板書教學方法相比，信息化多媒體教學方法具有信息量大、圖文并茂、課堂效率高等優點，因此目前大多數教師使用多媒體上課。但多媒體教學也存在一些問題，如上課節奏過快、信息量太大、重點不明確、學生思維易脫節等。由于《給水排水管道系統》教學內容含有大量的規范和推導計算過程。因此教師應該根據教學內容靈活調整教學方式，合理使用多媒體。對于以文字為主的專業名詞、條文規范、設計標準、布置原則等內容應以多媒體教學為主；對于理論推導計算教學內容建議以板書為主，如管道的水力等效簡化、環狀管網恒定流方程組求解、給水管網分區設計、雨水/污水管網管段設計計算等重要知識點的講解，教師宜采用板書教學，邊寫邊問，一步一步引導學生理解和掌握。其余部分可以采用多媒體教學，以提高教學效率。

2.2.3 課堂“教、學、做”

針對管網環方程組水力分析與計算等重點和難點內容，利用已有專業模擬軟件，在課堂上現場模擬仿真給水管網管道中的流量、流速、水頭損失等變化情況及結果，如在給水管網消防校核時，可以模擬不同火災發生位置對管網各節點水壓、管道流量等影響，從而在教學過程中將理論知識、仿真模擬和課程設計實踐等有機的結合起來，有利于提高學生的學習興趣和主動性，同時培養學生分析問題、發現問題和講解問題的能力，在課堂上實現以“學生為中心”的教學模式。

2.2.4 多維立體化教學模式構建

傳統教學觀念認為課堂教學知識傳播的主要場所，跟不上信息化教學時代的要求。將線上/線下教學理論、實驗、專家講座、課程設計和創新實驗等教學科研環節有機結合起來，構建多維立體化教學模式，強調給排水科學與工程專業教學的工程性和創新性為兩大導向原則。多維立體化教學模式應該注重教師線上教學能力提升，將因學時限制而未講解的《給水排水管道系統》教學內容（如給水管網水質管理、改進哈代克羅斯算法、排洪設計、給水排水管網優化設計、給水管網水力與水質分析軟件應用等）通過課程網站、微課、講座、學習小組討論等方式進行講解，實現多位立體化教學，實現以學生為中心教學，培養學生學習的主動性和積極性。

2.2.5 復雜工程問題課堂重建

利用專業模擬軟件對實際復雜工程問題進行重建，如供水管網工況（最高日最高時、消防時、最大轉輸時和事故時）水力分析，通過專業軟件模擬分析管段流量、流失、水頭損失和節點流量及水壓等參數的狀態變化，分析水流在清水池、水泵、管道及用戶輸配水過程中的水壓變化規律。基于《給水排水管道系統》知識原理和工程應用特點，從理論知識、專業技能、工程實踐和綜合能力四個維度提升學生的工程素養。

2.3 教學資源多元化

由于《給水排水管道系統》是一門工程應用很強的專業課，在傳統教學過程中，教師主要是利課堂和課程設計等進行教學組織和實施，教學資源利用效率較低。新工科背景下，將理論教學、專業模擬軟件、工程案例、設計院工程師講座等多方資源整合于《給水排水管道系統》教學中，推動理論知識—工程實踐“雙軌”發展，為培養高素質應用型人才創造良好的條件。

2.3.1 資源整合

利用教育部高等學校給排水科學與工程專業教學指導分委員會組建的《給水排水管道系統》課程QQ交流群，針對各高校在“教—學”過程中存在的普遍問題和解決措施開展研討，實現資源的校級整合；并利用學習通等教學平臺，將《給水排水管道系統》課程相關的教案、課件、視頻錄像、專業模擬軟件、試題庫資源、工程案例圖紙、優秀師資和專業網站等資源進行全方位整合，形成優質的《給水排水管道系統》教學資源庫。

2.3.2 教學資源共享

迅猛發展的供水排水行業的新理論、新技術、新方法和新設備給傳統的《給水排水管道系統》課堂教學模式和教學資源帶來了巨大沖擊。在新工科背景和要求下，借助信息化教學平臺將各高校、設計研究院和水務公司中與《給水排水管道系統》課程相關零散、碎片化的教學資源，如不同高校的先進授課經驗和學習方法、新標準、新規范、專業模擬軟件、管網規劃設計工程案例圖紙、管網運行和維護經驗、管網防漏撿漏技術等，進行系統的資源整合，構建多維度全方位的《給水排水管道系統》教學云庫，形成“理論知識—設計計算方法—工程應用”知識體系。

2.4 教學效果評價多元化

對《給水排水管道系統》教學評價體系進行改革，強調教師評議和學生評價為核心，有利于達到新工科對復合型人才培養的要求。

2.4.1 教師評議

教師應該用多環節累加式考核評價方法，使考試評判標準不局限于教材理論知識的掌握程度，更注重能力的考察。通過課堂提問、作業習題、給水排水管網工程案例大作業等環節，全過程評價與培養學生在《給水排水管道系統》中的思辨能力、邏輯分析等綜合能力；設置課程設計答辯環節，評議學生對《給水排水管道系統》工程問題的認知深度、邏輯思維能力和表達能力，推動實現《給水排水管道系統》復合應用型人才的培養目標。

2.4.2 學生評價

在教學評價過程中，借助信息化教學平臺的優勢，在學習通等平臺發布知識問卷、課程作業、QQ群聊答疑、教學視頻觀看情況等線上線下全過程獲取學生的學情動態和需求，實時研判教學效果與新工科培養目標的差距，有目的性補齊學生的各項素養不足。

2.4.3 督導與社會反饋

教學效果評價需要教師與學校、社會評價聯動實施，因此加強學校與用人單位的交流評價是非常不要的。在新工程背景下，調查近五年畢業學生的現實表現和用人單位的人才需求，制定合理的課程評價目標，從而構建社會督導和反饋的課程評價機制。同時利用大數據優勢，提高數據的準確性并縮短評價周期，保證反饋意見及時應用到《給水排水管道系統》課程教學改革中。

3 小結

新工科背景下，將課程思政和學科思政融入到《給水排水管道系統》教學改革過程中，并依托信息化教學平臺對《給水排水管道系統》的教學資源進行整合，重新構建了《給水排水管道系統》知識體系、教學組織方法和評價體系，為培養高素質應用型人才奠定了堅實基礎。