系統性“大工程”實踐教學體系構建探究
——以給排水科學與工程專業為例

尤永軍 李發永 王 閃

在“新工科”背景下，各高校在給排水科學與工程專業的人才培養方案中，經常提到“提升工程能力”“面向復雜工程問題”等內容，致力于培養具備工程實踐能力的畢業生。在給排水專業教學中，解決以“綜合性、多樣性、跨學科交融”為特征的復雜工程問題[1]，必須深刻認識到客觀事物的多方面聯系、發展變化性，運用系統思維，把水資源利用的各個環節連成整體“大工程”。不僅要在理論教學方面增加內容，更要從實踐教學方面，使學生的思維從簡單的工程認知跨越到系統性認知上。

本文從“新工科”人才培養的角度，以培養和提升給排水科學與工程專業學生系統性思維為導向，系統地整合專業課程體系，篩選工程內容，構建“給排水科學與工程實踐教學平臺”。旨在使學生利用所學知識，動手搭建系統性工程模型，參與水資源開放利用建設全過程，具備規劃、設計、施工等環節的實踐能力，培養具有系統性思維的大學生，更好地達成給排水科學與工程專業的工科人才培養目標[2]。

一、給排水科學與工程專業教學現狀

作為工科專業，給排水科學與工程專業的實踐教學致力于營造良好的工程環境，建立合理完善的實踐教育體系，培養出高素養的創新型、應用型高等技術綜合人才[3]。其實踐教學環節，按功能目標要求可分為基本技能訓練、專業技能培養與創新能力培養三個層次[4]。通過集中性實踐教學如課程設計、畢業設計、生產實習等環節，大多數學生可以達到第一、二層次的培養目標，但第三層次的目標需要通過第二課堂、創新創業活動來實現，覆蓋面小。對于工科專業教師而言，如何在有限的集中性實踐教學環節中，培養學生工程思維，鍛煉其工程能力，引導學生創新，是關系到工科專業人才培養和教學質量提升的關鍵內容。以塔里木大學給排水科學與工程專業為例，從目前的給排水教學方式看，建設虛擬仿真實驗室，增加實習基地，已經使實踐教學體系得到了很大改善，但仍然存在三個方面的問題。

（一）學生對專業課程的聯系認知不夠

對于給排水科學與工程專業而言，水資源的利用全過程涉及取水、送水、用水、排水等必要環節，理論知識主要通過泵與泵站、水質工程學、建筑給水排水工程、給排水管網系統、給水排水工程施工、水工藝設備等專業課來獲得，實踐能力通過課程設計、畢業設計環節得到鍛煉。由于專業課分布在不同的學期，學生在以往的學習中往往缺乏系統性思維，不能很好地掌握課程與課程之間的聯系，很難把理論知識與實踐內容對應起來，存在理論知識豐富而實踐能力不足的問題。

（二）課程設計環節教學效果不理想

雖然多數學生可以順利完成課程設計，但在面對畢業設計時，往往存在工程設計銜接不暢、設計片面、綜合性不足的問題[5]。如在設計水廠時，盡管已經做過泵站設計，學生依然不清楚泵站放在什么位置，揚程如何確定，水廠內管道材質、埋深應該如何選擇等。比如在建筑給排水工程時，很多學生只知道管道穿越樓板的走線方向，卻不清楚過墻的處理方式，認為管道可以穿越承重墻、無須考慮穿墻的防水處理等，設計成果問題百出。這些問題在畢業設計環節暴露出來后，需要指導教師進行系統性指導，才能使其認識并理解實踐與理論知識之間的聯系，形成較為完整的設計成果。

（三）學生對給排水工程的組成不明確

給排水科學與工程專業涉及的實踐環節主要包括實驗課程（基礎實驗與專業實驗）、課程設計（水質工程學、建筑給水排水與管網）和實習環節（認識實習、生產實習與畢業實習）三類。在培養過程中工程實踐內容相對獨立且陳舊，導致學生難以發現各實踐環節的內在聯系，缺少整體意識，不能很好地運用整體思維來解決復雜的工程問題，當面對實際給排水工程問題時仍然感到棘手[6]。尤其是在傳統形式的課程設計過程中，要求學生看書籍或電子圖紙認識設備、建（構）筑物，再利用CAD（Computer Aided Drafting）軟件來繪圖，完成水廠總平面圖、高程圖和建（構）筑物圖等的設計。課程設計的要求較低，但很多水廠、泵站等建（構）筑物的樣子在學生腦海中沒有形成概念，導致學生認知嚴重不足，設計出的圖紙達不到初步擴大設計的程度，與實際工程存在很大差距。因此，采用單純的說明書、圖紙作為課程設計的成果，實踐教學效果十分有限，達不到培養或提高學生工程能力、實踐應用能力的目標。

針對以上問題，在“新工科”工程教育大背景下，梳理專業課在系統性工程中所處的位置，篩選重要工程知識信息，突出課程設計內容之間的聯系，改進課程設計實施環節和評價體系，形成“大工程”課程教學群，由單獨的課程設計變為系統性工程設計，以突出整體性、連續性，使專業課教學尤其是實踐教學環節系統性更強[7-8]，對增強學生的設計本領、提升學生的系統性思維至關重要。

二、系統性“大工程” 實踐教學平臺的構建

（一）明確實踐教學體系構建原則

在“新工科”建設背景下，應用型給排水科學與工程專業人才的知識和能力結構要求，應以培養工程應用能力和創新能力為總體目標[9]。實踐教學體系和內容設置，應遵循三個原則[10]。

一是堅持系統性思維，遵循整體優化的原則構建實踐教學體系。根據專業特點，將學生綜合能力培養貫穿人才培養全過程，強化各實踐教學環節之間的內在聯系。應按照學生所處階段和獲得的知識與能力，并根據各環節的作用和內在聯系，由淺入深、從簡單到復雜地實施實踐環節，循序漸進地實現學生綜合能力的提升。

二是堅持能力導向原則，以學生的創新能力、實踐能力、交流能力和探索精神培養為目標。實踐環節不僅是對學生動手能力的培養，強化其實踐技能，更要注重學生創新意識的培養，開發其內在潛能，使其加強合作交流，使知識理論、工程思想與工程實踐得以結合，將學生從單一狹窄的實踐活動引向多學科交叉滲透的綜合工程實踐。

三是加強實踐設計環節的質量管理，堅持評價主體多元化、評價指標合理化、評價方式多樣化的原則，做好持續改進。相比于理論教學，實踐教學的評價指標難以有效量化，需結合實踐環節進行層層分解，制定詳細明確且具體化的評價指標，注重學生知識應用能力、實際問題解決能力和實踐創新能力等方面的考核，對學生綜合能力提升發揮導向作用。教師可以將過程性評價和終結性評價相結合，對實踐教學活動進行全程系統化考核，不斷探索和持續改進評價體系，達到良好的實踐教學效果。

（二）貫通專業理論課程體系

在給排水專業課程設計環節，泵與泵站、水質工程學、建筑給水排水工程、城市管網系統均設有課程設計實踐教學，但由于任課教師不同，每一名學生的不同課程設計之間相互獨立。圍繞“大工程”的設計特點，采用反向設計法，打破原有課程間壁壘，圍繞水基礎、水處理、水輸運和水管理四個主題，重新構建“大工程”核心課程群。利用各門課程理論知識方面的聯系，打通各門課程設計的連接點，利用連接點將不同課程設計串聯起來，形成“系統性大工程”，形成層次分明、聯系緊密而又相對完善的綜合性體系。首先，合理編排課程的開課時間，建議開課先后順序如下：泵與泵站→水質工程學→城市管網系統→建筑給水排水工程→給水排水工程施工（或水工藝設備）→水工藝設備（或給水排水工程施工）。其次，在第一門課程設計發布時，將基本信息如地理位置、城市道路、水體圖紙、人口數據和用水/排水定額等資料一同發給學生，讓學生根據每一門課程設計所需要的原始資料進行設計計算，不可隨意改變原始資料。再次，將上一個課程設計得出的水量、水質等參數作為下一個課程設計的依據，進行相應的內容設計。待每一項設計完成后，單獨評分，并逐步將分項工程的設計成果補充進“系統性大工程”中。最后，將各門課程設計整合成一項工程設計，或在已完成的設計中完善施工、設備等內容，形成“系統性大工程”設計說明書。可將其作為畢業實習的組成部分，指導教師依據說明書的設計準確性、合理性、完整性和創新性等評分點給出評價。

（三）豐富實踐設計成果形式

以往課程設計的成果主要是說明書、設計圖紙，為了彌補課程設計成果實踐性不足的問題，提高學生對泵房、水廠和建（構）筑物的認知，利用課程設計周，要求學生以組為單位，每組成員承擔一方面的任務。利用紙板、PS 塑料板、密度板和膠水等材料，將泵站、水處理建（構）筑物以模型的形式制作出來，模型的形式、大小、結構按統一比例制作，至全部課程學習完，形成一個綜合水廠模型。在布置廠區道路、管道系統時，以側簽的形式展示管道材質、管徑、開挖方式、管道附件、設備型號等信息。教師可考察模型制作的準確度、美觀性、完整性，以此作為學生畢業實習成績評定的依據。

依據上述步驟形成的綜合模型，可將所有的設計成果融合在一起，各單項工程之間的先后順序、銜接關系一目了然，系統性更強。模型的制作既可以鍛煉學生的動手能力、協作能力，增強學生的系統性思維和工程觀念，又可以進一步加深學生對課堂理論知識的理解，使理論與實踐教學效果均得到提高[11]。

（四）開發BIM 技術的構筑物模型

在水處理共存設計中，傳統的設計成果僅能通過二維圖紙展示，不能夠形成直觀的成果。這樣會導致建（構）筑物或平面圖上的有關信息存在建（構）筑物型式不對、布線不合理、結構不明和缺少附件等問題，導致圖紙與實物存在較大偏差。如濾池屬于構造較為復雜的建（構）筑物，使用傳統的二維設計方法，由于其中包含的平面和剖面較繁復，需要處理的問題較多。利用BIM（BuildingInformation Modeling）技術強大的設計、建造和管理功能，對水處理建（構）筑物快速建模甚至是做出動畫效果，將復雜建（構）筑物直觀地展示出來，將有利于提高學生水廠類項目建模效率和整體設計效率。

面對新時期工程問題的復雜性，具備解決復雜工程問題能力的工科人才培養工作越來越受到重視。給排水科學與工程專業學生實踐能力的培養要始終結合工程實際，立足全局，不斷改革實踐教學體系，創新工作方法。通過將系統性較強的專業課程統一起來，打通設計資料和內容，開展建（構）筑物立體模型的制作等環節，提升學生在設計環節的投入度，拓寬學生的思路，引導學生形成系統性思維，以更好地提升學生的創新能力、分析問題和解決問題的能力。