以科研促教學 PBL助力課程教學質量提升

趙姍姍 呂慧 孫連鵬 趙晴 李若泓

[摘 要] “水污染控制工程”是環境工程專業的基礎課。隨著復雜環境問題的日益突出，水污染控制新技術和新理論也在快速發展，傳統的基本理論授課方式已經不能滿足學科發展的需求和人才培養的目標。在理論教學過程中，通過引進PBL研究性教學模式，以問題為導向、以項目為依托，使學生積極參與科研項目，以科研實踐促進學生對基礎知識的掌握，并且以最新科研成果對教學內容進行更新、完善，以科研成果提升人才培養質量。通過這一教學改革與實踐，激發了學生的科研興趣，提高了學生的學習能力和實驗實踐能力，培養了學生的創新意識，取得了較好的效果，為理論型、科研型、實踐型并重的復合型人才培養提供了依據。

[關鍵詞] PBL;教學改革;水污染控制工程;科研能力;實踐能力

[基金項目] 2020年度教育部第二批新工科研究與實踐項目“智能時代環境工程‘新工科智慧教學’的創新與實踐”（E-HJFZQG20202426）;2020年度廣東省教育廳本科高校在線開放課程建設項目“水污染控制工程”（粵教高函〔2020〕19號）;2020年度廣東省教育廳線下一流本科課程立項項目“水污染控制工程”（粵教高函〔2020〕16號）

[作者簡介] 趙姍姍（1983—），女，河北唐山人，博士，中山大學環境科學與工程學院副教授，博士生導師，主要從事水污染控制技術研究;呂 慧（1982—），男，黑龍江七臺河人，博士，中山大學環境科學與工程學院教授，博士生導師，院長助理（通信作者），主要從事水污染控制技術研究;孫連鵬（1973—），男，遼寧丹東人，博士，中山大學環境科學與工程學院院長，教授，博士生導師，主要從事水污染控制技術研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）24-0144-04 [收稿日期] 2021-06-29

“水污染控制工程”是環境工程、給排水、市政工程等專業本科生的專業基礎課程，內容包括污水防治的各種技術和理論，涉及物理、化學、生物學及系統工程學等多學科的原理和方法。隨著復雜環境問題的日益突出，各個交叉學科技術的迅猛發展，水污染控制技術也在不斷更新，新的技術和理論層出不窮，知識點越來越多，課程也越來越呈現出學科交叉融合的特色，具有很強的理論性、科學性、應用性、時代性和綜合性[1]。因此，課堂上僅講授水污染控制技術的基本原理，已經不能滿足學科發展的需求和人才培養的目標。此外，根據學校“德才兼備、領袖氣質、家國情懷”的人才培養目標，以及“雙一流”建設目標，中山大學擬實現80%以上本科生升學率[2]。因此，在講授專業基礎理論的同時，如何提高學生的自主學習能力、實踐能力，培養學生的創新思維，提高學生的科學素養是專業課、主干課授課中需要關注的議題。圍繞這一議題，基于“水污染控制工程”這一主干課程，進行了探索和嘗試。在課程教學的過程中，基于PBL（Project-based Learning）研究性教學模式，對基礎課程的內容不斷更新完善;鼓勵學生課外積極參與學院各個課題組的科研活動，以科研實踐促進對基礎知識的掌握與升華;在講授基礎理論的同時，加入最新的科研成果，以科研成果推進本科的教學效果，進而實現人才培養目標：學習能力提升，能夠掌握最新水污染控制技術原理及工藝;實踐能力提升，具有從事水污染控制工程設計和運行管理的實踐能力，具有解決實際工程問題的能力;創新能力提升，能夠開展創新性科學研究活動，激發創新意識，提升科學素養。

一、PBL研究性教學模式概述

（一）PBL研究性教學模式的內涵

PBL，專題式學習，又稱研究性學習，是近年來興起的以項目為基礎、以學生為主體的學習模式。PBL研究性教學法強調學生要把知識和技術的學習設置于復雜的、有意義的問題和項目研究情境中[3]。通過讓學習者以團隊合作的方式解決實際的科學技術問題，并且主動學習實際問題背后的知識，從而培養學生自主學習的能力，提高其解決問題和創新的能力。在PBL研究性教學模式下，學生需要針對具體的研究項目，整合不同學科的知識，與團隊成員進行配合以解決各種問題。在學習與實踐的過程中，學生所激發的熱情、創造力、行動力及進行的探索、創新和協作，是傳統教學模式難以企及的。建構主義學習理論認為學習的過程是一個意義建構的過程，學生通過主動學習，來形成和豐富自己認知結構的過程，才是最為有效的學習過程[4，5]。通過PBL研究性教學模式，可以有效提高學生自我學習和認知能力，提升解決問題的能力，從而全面提升學生的綜合素養。

（二）PBL研究性教學模式的特點

區別于傳統的教學模式，PBL研究性教學模式以科學問題為導向、以科研項目為實施基礎，培養學生發現問題和解決問題的能力，學生在完成項目、解決問題的過程中強化對基礎知識的掌握與靈活運用[6]。PBL研究性教學模式具有如下特點：（1）理論與實踐相結合：PBL研究性教學通過理論知識結合實際科研項目，在項目實施的過程中建立起知識體系，引導學生通過協作來解決問題，對于學生實踐能力的培養和理論知識的掌握大有裨益;（2）綜合性學習能力培養：科研實踐項目開展過程中，會涉及多學科知識。學生為了解決實際問題，往往需要跨學科的基礎理論和綜合應用，有利于培養學生的綜合能力，以及跨學科、跨領域完成復雜工程問題的能力;（3）自主學習與合作學習相結合：在PBL教學過程中，學生在教師的指導下提出問題，獨立收集資料、整理與研究，最后在團隊中進行討論和總結，并匯報與分享成果。這些過程將充分調動學生學習的積極性，他們在解決問題的過程中，通過主動學習獲取知識，并將知識進行運用。同時，在教學與學習過程中進行團隊協作，有利于學生形成創新、合作的價值觀;（4）多元化培養模式：通過設計一系列課題，將大量的知識融入具體的項目中，提供多元化的教學資源，優化“教”與“學”過程[7，8]。PBL研究性教學不僅關注教學大綱下基礎知識的學習，同時也注重學生批判性思維能力、解決問題能力、團隊協作的能力和自我管理能力的培養。

二、PBL研究性教學模塊的設計與應用

（一）教學設計

本門課程理論課54學時，安排在大二第一學期，授課時間為1～19周。教學內容主要包括：水體的污染和自凈，污水的物理處理、化學處理及物理化學處理技術，污水的好氧和厭氧生物處理技術，污水的生物脫氮除磷技術，污水的土地處理技術，污水處理前沿技術及原理，污水的深度處理與回用，污泥的處理與處置技術，以及污水處理廠的設計等。PBL研究性教學模塊主要包括兩個階段：第一階段，在理論課授課的學期，鼓勵學生參與學院各課題組的科研項目研究，邊學習理論知識邊進行科研實踐。學生根據學習意愿和興趣，成立研究性學習小組，每組3～5人，加入學院各導師現有科研項目，并由課題組1～2名研究生對研究性學習小組進行指導。本科生從參加實驗室的安全培訓開始，學習如何查閱文獻、各種儀器的基本操作，熟悉并掌握各種水質指標的測試原理及測試方法等。學生在參與科研項目過程中遇到的各種問題，除了自己查閱文獻、與研究生討論外，還可積極與指導教師進行討論，或者與課程授課教師進行探討，以科研促進教學。第二階段（大二第二學期和大三第一學期），依托學院研究性學習項目和“大學生創新創業訓練計劃項目”，進一步培養本科生獨立思考、探究科學問題的能力。中山大學環境學院的永鑾學社每年都設置研究性學習項目，至今已舉辦15年，各年級學生自由組隊，在導師指導下開展科研項目。同時，中山大學每年都有“大學生創新創業訓練計劃”，項目分為國家級、省級和校級，學校會對項目給予一定科研支持[2]。通過鼓勵學生申請和參與這些科研項目，激發學生的科研興趣、提升學生的科學素養，并使學生在完成科研項目過程中，對所學的基礎理論加深理解，并且可以靈活運用。此外，學院還有其他實驗實踐活動，例如“實驗技能大賽”和“虛擬仿真大賽”等各類水污染控制工程專業知識和技能比賽，通過指導學生參加專業競賽，也有效推動了PBL教學模式的實踐。

（二）以科研成果促進教學內容更新

隨著環境問題的日益復雜，各個交叉學科技術的迅速發展，“水污染控制工程”的教學內容也與時俱進，不斷更新。在PBL研究性教學模式驅動下，課程教學融入學科前沿，以科研成果作為案例分析，使學生更加形象地學習和掌握基本理論知識。在案例的選取上，優先選擇本科生參與的科研項目及本科生參與發表的文章。例如，在講授高級氧化技術時，以學院某課題組發表在Environmental Science & Technology Letters上的封面文章為例，講解羥基自由基在微污染物降解過程中的作用。以本科生參與的項目為案例，更易激發他們的學習動力和興趣。例如，講授到光催化技術時，請參與項目的本科生介紹光催化原理，一方面學生通過科研實踐，預先學習了光催化的相關知識;另一方面，學生通過課堂分享，獲得了成就感，鞏固了所學的基礎知識。

三、PBL研究性教學模式的效果

在PBL研究性教學模式下，學生表現出了較高的學習熱情，積極參與科研訓練。學生主動查閱文獻、收集資料、設計并開展項目研究，從知識的被動接受者轉變為自主學習者、合作者和研究者，并且主動參與課堂討論，大幅提高了課堂教學的活躍度。同時，學生對PBL模式促進實踐能力提升上有較高的認可度。通過對學生的隨機采訪，學生表示：“通過科研訓練，了解了科研的過程，學會了查找文獻、寫項目申請書、科研畫圖，這些都是課本上學不到的，同時感覺自己還有好多內容需要學習，要加倍努力！”“自己對脫氮技術很感興趣，參與到老師的項目中，了解了厭氧氨氧化的最新研究進展，希望自己也能在脫氮技術方面有所貢獻”。以研究項目為主體的學習方式，激發了學生的學習興趣，培養了學生自主學習的能力，顯著提升了學生的實踐能力，訓練了學生的科學和邏輯思維，增強了學生的團隊意識、溝通表達能力和合作的精神。

以2018級環境工程專業為例（共46人），在大二第一學期，學生進實驗室率在90%以上。第二學期，學生積極申請學院的研習項目及學校的“大學生創新創業訓練計劃”，獲批研習項目9項，大創項目7項。有一名學生從大一開始便參與了厭氧氨氧化項目的研究，對多個反應器進行了近兩年的研究工作，成功申請到了廣東省攀登計劃研究項目，研究成果受到了導師的好評。有兩名學生參與到膜耦合工藝用于高鹽有機廢水零排放與資源回收項目，開展了為期一年的研究工作，獲得了“大學生創新創業訓練計劃”國家級項目的資助，并撰寫英文論文1篇。

結語

基于PBL教學法，開展以學生為主體的新型研究性教學模式，密切結合水污染控制行業理論與技術發展前沿，促進專業知識學習與科研實踐鍛煉的結合。在教學內容上，以最新科研成果為案例切入點，極大地豐富了教學內容。在教學實踐上，依托學院優秀的教學科研團隊及科研平臺，以科研項目和科學問題為驅動，激發了學生的學習興趣，使學生進行獨立思考，提升了他們分析問題、解決問題的能力及實驗實踐能力，提高了學生的科學素養和邏輯表達能力，培養了團隊協作精神。同時，以科研促教學，真正做到科教相長，科教融合，全面提升了人才培養質量。此外，PBL教學模式在應用過程中，仍存在部分需要解決的問題與不足。例如，科研項目周期比較長、如何建立有效的追蹤和評價體系尚需要系統思考。

參考文獻

[1]陳雪松，郝飛麟，毛玉琴，等.基于建構主義的“水污染控制工程”課程線上線下混合教學模式的探索[J].教育教學論壇，2020（53）：249-251.

[2]孟凡剛，黃越，趙姍姍.基于科研能力綜合提升的《環境工程微生物學及實驗》教學改革[J].微生物學雜志，2020，40（1）：125-128.

[3]俞金香.QQ網絡平臺上基于PBL的法科大學生研究性學習實踐研究：以《經濟法》教學個案為例[J].中國教育信息化，2013（22）：45-49.

[4]馮騫，林濤，陶輝.“互聯網+”背景下基于微信公眾平臺的翻轉課堂建設與實踐：以“水處理工程（Ⅰ）”課程為例[J].工業和信息化教育，2020（1）：60-63.

[5]湯東，尹必峰，雎志軒.基于雨課堂與支架式教學模式耦合的雙語課程設計與實踐[J].高等工程教育研究，2019（S1）：174-175+186.

[6]劉迎文，雷祥舒.高等工程熱力學課程的混合式教學探索和實踐[J].高等工程教育研究，2019（S1）：142-144.

[7]李迎新，侍禹廷.大學英語PBL模式教學對培養本科生批判性思維能力的有效性實驗研究[J].高教探索，2020（7）：73-79.

[8]朱葉秋.“翻轉課堂”中批判性思維培養的PBL模式構建[J].高教探索，2016（1）：89-94.

Teaching Promotion Based on Scientific Research and Teaching Quality Improvement by Project-based Learning： Taking the Course of Waste Pollution Control Engineering as an Example

ZHAO Shan-shan1， LYU Hui1， SUN Lian-peng1， ZHAO Qing2， LI Ruo-hong1

（1. School of Environmental Science and Engineering， Sun Yat-sen University， Guangzhou， Guangdong 510006， China; 2. School of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou，

Guangdong 510006， China）

Abstract： Waste Pollution Control Engineering is the basic courses of environment engineering major. With the increasingly prominent complex environmental problems， the new technologies and theories of water pollution control are also developing rapidly. Thus， the traditional theory teaching methods cannot no longer meet the needs of discipline development and the targets of student training. Introducing the project-based learning（PBL） teaching mode into theory teaching is a promising choice for improving the training quality. In the PBL training process， students can participate in the research projects and master the basic knowledge through scientific research practice. Meanwhile， the research achievements can replenish the teaching contents. Through PBL， students’ research interest has been stimulated， their self-learning ability and experiment practical ability have been improved， and their innovation consciousness has been cultivated. Thus， the teaching quality has been improved. Our teaching reform provides a basis for the cultivation of interdisciplinary talents with equal emphasis on theory， research and practice.

Key words： PBL; teaching reform; Waste Pollution Control Engineering; scientific research ability; practical ability