基于工程教育認證標準的“物理性污染控制”課程教學改革探索

雙陳冬 周 慶

(南京大學環境學院，南京 210023)

工程教育認證是經教育部批準、由中國工程教育專業認證協會針對高等教育工程類專業開展的一種合格評價。開展工程教育認證的目的是構建中國工程教育的質量監控體系，推進中國工程教育改革，進一步提高工程教育質量，同時建立與工程師制度相銜接的工程教育認證體系，促進工程教育與企業界的聯系，增強工程教育人才培養對產業發展的適應性，進一步促進中國工程教育的國際互認，提升國際競爭力。因此，開展工程教育認證，對學生專業綜合能力的培養、教學質量的提高和工程教育方向的把握具有重要意義[1]。目前各高校積極開展相關專業的工程教育認證，同時圍繞工程教育認證標準和要求布署人才培養的相關工作，已成為本科教育工作的重要環節。截至2019年底，全國共有241所普通高等學校1 353個專業通過了工程教育認證。筆者以“物理性污染控制”課程為例，圍繞工程教育認證標準，對課程教學進行了改革，以期進一步提升課程教學質量。

一、“物理性污染控制”課程教學特點

物理性污染作為一類環境污染，嚴重影響了生態環境和人類健康。《中華人民共和國國家環境保護標準》(HJ496-2009)將環境工程技術分為5大類，即水污染控制、大氣污染控制、固體廢物污染控制、物理污染控制和生物修復[2]。“物理性污染控制”課程已成為高等院校環境工程專業的核心課程之一。其課程教學主要闡述了有關噪聲、振動、電磁輻射、放射性、熱和光6類物理性污染的基礎知識、污染特征、污染危害、污染評價方法及標準、污染治理措施和方案[3]。課程性質為必修或限選課程，其課程知識也是注冊環境工程師、環境影響評價師資質考試以及專業研究生入學考試的必修內容。

由于“物理性污染控制”課程教學內容涉及到的物理性污染種類較多，因此要求學生必須具備一定的數學和物理知識。同時由于課程教學內容針對的具體應用場景較多，不同場景所采用的評價方法、標準規范、治理方式及治理目標具有顯著差異，因此課程教學內容缺少一定的系統性和邏輯性，不利于學生對知識的記憶和運用。

二、“物理性污染控制”課程教學存在的問題

(一)課程教學目標與工程教育認證要求缺乏有效銜接

工程教育認證的“畢業要求”主要是針對學生專業能力內容的描述，包括“工程知識、問題分析、設計/開發及解決方案、科學研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理、終生學習”12個方面。但是目前很多高校“物理性污染控制”課程教學目標主要體現在學生對具體知識點的掌握和運用上，對“畢業要求”中學生能力的培養沒有具體的體現。

(二)課程教學涉及相關學科知識較多導致教學內容系統性較弱

“物理性污染控制”課程教學內容包含了噪聲、振動、電磁輻射、放射性、熱、光6類物理性污染，涉及了包含聲學、電磁學、輻射防護及環境保護、城市規劃與設計在內的多學科方向，導致課程知識的系統性較弱，加之課時較少，僅有32學時，使各部分教學程度深淺不一。例如，在各類教材中，噪聲所占比例在50%以上，其內容包括了聲學基礎、噪聲評價與標準、噪聲污染控制3個版塊，可以說是知識全面且具有一定的理論深度，對于不同場景或功能區域的噪聲，其采用的標準、要求及評價方法都有詳細區分，而對于電磁輻射和放射性污染方面則涉及較少。又如在對噪聲污染進行評價時，涉及到的物理參數與評價量繁多復雜，一些評價量如斯蒂文斯強度、噪聲評價數、噪聲污染值、計權等效連續感覺噪聲級等都是對噪聲的綜合性評價，且各具特點，但如何在實際的噪聲評價體系中使用或區分這些評價量，在各類教材都沒有涉及，教師在課程教學中也無法詳細說明每個評價量在技術發展和應用場景中的具體來源和作用。教學程度深淺不一給相關知識的學習和運用帶來不便，也影響了學生對這些知識的學習和運用。

(三)課程考核結果不能及時反饋，影響了課程教學的改進

“持續改進”是工程教育認證的一個核心理念。課程的“持續改進”需要按照“畢業要求”指標點對課程教學進行有針對性的評估。這就要求課程考核應按照“畢業要求”指標點進行，并得出相應的評估結果。值得注意的是，“畢業要求”指標點受“畢業要求”內涵解讀程度以及實際教學內容的影響，可以有不同的描述。例如單長青[4]提出了4個具有不同描述內容的“物理性污染控制”課程教學目標：“能夠運用數學和物理知識表達物理性污染問題，能夠選取正確模型并進行相關計算；能夠針對物理性污染選取正確的評價量，并進行布點、監測和評價，提出初步解決方案；能夠分析物理性污染產生的機理及影響因素，選用正確的防治技術，獲得有效結論；能夠針對物理性污染工程問題，進行相關設計計算”。基于這4個課程教學目標可以看出，傳統的“平時成績+期末考試”考核方式已不適應于工程認證標準的“畢業要求”，也難以支撐工程認證標準的課程的持續改進。同時，在課程教學中，傳統的課程考核結果的反饋時間多以“周”為單位。課程考核結果不能及時反饋，影響了課程教學的實時調整與改進。

(四)任課教師的專業背景與課程知識不匹配

“物理性污染控制”任課教師的專業背景多為環境工程、化學、生物學等，與“水污染控制工程”“大氣污染控制工程”“固體廢物處理與處置”等課程任課教師相比，缺少物理學及其相關專業背景。而物理性污染種類龐雜，特點各異，只有環境工程、化學、生物學專業背景的任課教師很難對噪聲、振動、電磁、放射性、光污染、熱污染等相關原理、案例、監測、法律法規、管理、治理有深入的認識。任課教師的專業背景與課程知識的不匹配，在一定程度上影響了課程教學的效果。

三、基于工程教育認證標準的“物理性污染控制”課程教學改革的措施

(一)圍繞工程教育認證標準完善教學內容

首先，圍繞工程教育認證“畢業要求”指標點，重新設置了課程教學目標，并據此完善了課程教學內容體系。課程教學目標與“畢業要求”指標點之間具有明確的對應關系，體現了工程教育認證“面向產出”的基本理念，有利于工程教育認證中針對“畢業要求”指標點達成度的評價。“物理性污染控制”課程教學目標與“畢業要求”指標點見表1。

表1 “物理性污染控制”課程教學目標與“畢業要求”指標點的對應關系

如表1所示，課程教學目標1對應的教學內容主要為6類物理性污染的基本原理、描述參數、評價指標、監測方法、污染危害；課程目標2對應的教學內容為物理性污染控制的基本知識、原理、模型；課程目標3對應的教學內容主要為噪聲污染評價報告的編寫和噪聲治理方案設計。與常規教學內容相比，該教學內容按照“畢業要求”指標點進行了不同層次的梳理，進一步明晰了教學內容—課程目標—“畢業要求”指標點之間的對應關系，不僅為課程質量的量化評價奠定了基礎，還可以針對具體“畢業要求”指標點的要求改進教學質量。

(二)采取線上和線下相結合的“模塊化”教學方式

邱斌[5]等人發現“案例式”教學可以激發學生的學習興趣、提高學生自主學習能力，在培養學生解決復雜環境問題能力上具有成效。劉莉莉[6]等人通過開展“開放式”研討教學，有效激發了學生的團隊合作精神。顧瑩瑩[7]等人采用“課前-課中-課后”混合學習和“翻轉課堂”教學模式，可以較好地培養學生分析問題和解決問題的能力。

在參考了相關研究的基礎上，筆者在2020年課程教學中，探討了線上、線下相結合的“模塊化”教學方式。首先，圍繞環境工程專業知識“源于實踐、用于實踐”的特征，把課程中源于應用知識點的產生和發展背景做了簡要分析，制作成微課視頻，以知識溯源的方式彌補其邏輯性不足的缺陷，形成以獨立知識點為核心的微課模塊，如計權網絡、室內噪聲、交通道路噪聲、吸聲原理等。在這些模塊中，對一些較為抽象、不易理解的概念，筆者采用動畫演示的方式再現這些概念產生的過程，如采用虛擬仿真、聲波音頻與動畫結合等方式模擬等響曲線繪制的實驗過程，對不同特性噪聲的計權結果進行對比。這些微課模塊通過在線工具“教學立方”提前在線上教學平臺發布，供學生在線學習。教師可即時查看學生的觀看率以及學生的觀看進度。教師根據學生線上學習的情況，對線下教學和課堂測驗進行相應調整，逐漸形成了線上“模塊化”、線下教學以及“線下高頻在線考核”的教學方式，既可以增加學生對課程知識的直觀體驗，還可以加深對理論知識的深入理解，支撐了學生實踐能力的培養。

(三)將覆蓋課程知識的課堂測驗納入考核體系

傳統的“平時成績+期末考試”的考核方式難以對課程教學目標達成度進行科學全面的評價。平時成績主要是對學生的出勤、課堂表現以及作業完成情況進行考核而得出的，期末考核成績是學生期末試卷的成績，這種考核方式存在著較大的弊端。學生只要按時上課，完成作業，考前突擊復習就可以得到較好的成績。但是在通過課程考核后學生很快就會將課程知識遺忘。因此，單長青[4]等人從多元化角度，將課程作業、課程設計和工程實踐融入考核內容，促進了教學質量的提升。華盛頓大學的羅迪格教授[8]曾將學生分為兩組，對其中一組學生采取“課堂測驗”的考核方式，而對另一組學生則采取期末考核的方式，結果顯示，兩個對照組對課程內容的掌握程度分別為68%和54%。而另一項類似的研究表明，學習后立即進行測驗和不進行測驗的兩個對照組在一周后對知識的掌握程度分別為90%和48%[9]。華盛頓大學安德魯[10]在教學中采用了9次小測驗替代原有的期中、期末兩次考試，盡管兩種方式的測試內容類似，但多次小測驗的方式使學生學習的主動性有了顯著提高，對知識的掌握程度有了極大改善。

在2020年新冠肺炎疫情期間，筆者采用了線上教學的方式，為了克服在線教學交流不暢的弊端，筆者在每次課程結束前通過在線教學工具“教學立方”設置了課程重要知識點的測試，一般為10～20個判斷題/選擇題，限時15分鐘內完成。課堂測試一共進行了12次，其平均成績占最終考核成績的30%。測試由“教學立方”立即給出結果，并形成包括正確率人員分布和題目分布的報告，教師根據報告的結果可對教學進行不斷改進。

(四)加強任課教師對相關學科和行業背景知識的學習和了解

為了彌補任課教師專業背景與課程知識不匹配的短板，學院鼓勵教師加強對相關學科知識及行業背景知識的學習和了解，補足6大類物理性污染控制方面的基礎知識，同時建議教師長期關注發達國家在相關領域的技術研發以及管理等方面的工作進展。此外，學院還鼓勵任課教師積極參加相關的學術交流活動、行業會議以及管理部門組織的研討會，為“物理性污染控制”課程教學進行知識儲備。

四、基于工程教育認證標準的“物理性污染控制”課程教學改革的成效

課程教學質量評價是工程教育認證工作的一項重要內容，通常使用課程教學目標達成度這一量化指標進行評價。該評價具體細化到每一位學生在每一項課程目標上的考核得分情況。例如，針對課程目標1，納入最終考核體系的所有的考核內容的分值為132分，某學生得分為120分，則其課程目標1的達成度為120/132，即0.91。筆者對2014—2017級“物理性污染控制”課程教學目標達成度進行了調查，調查結果見表2。

表2 2014～2017級本科生“物理性污染控制”課程教學目標的達成度

由表2可以看出，2014、2015、2016級3個年級在課程教學目標2的平均達成度分別為0.86、0.86和0.88，數值較為穩定。通過對這3個年級相關考核內容的核實，發現考核內容在數學知識運用能力上體現較少，難度偏低，對課程教學目標2的支撐較弱。因此，筆者在2017級教學和考核中加大了對數學應用能力的內容，如在考核中加入了消聲器選擇和設計等。通過改進，在考核難度顯著增大的情況下，2017級達課程目標2的達成度為0.94，有效支撐了學生運用數學知識解決復雜環境問題的能力。

2015級和2016級的課程教學目標1和課程教學目標3的達成度顯著低于2014級。通過分析，發現2015、2016級上課人數較多，上課簽到出勤等整體表現低于2014級。該結果也表明，人數較多班級在教學中應當加強簽到等教學互動環節，加強對學生學習過程的考核。因此在2017級，也就是2020年的課程教學中，筆者建立了與課程進度相匹配的線上課堂測驗，在每次課程結束后立即進行。雖然測試的正確率(平均82%)比傳統線下作業正確率(96%)低，但在期末考試中，涉及這些知識點的測試題目的正確率接近100%，2017級課程教學目標達成度明顯提高，分別為0.88、0.94和0.93。