基于培養解決“復雜工程問題”能力的《環境工程原理》教學改革*

張 麗，張 艷，黃碧捷

(江漢大學環境與健康學院，湖北 武漢 430056)

按照2017年11月修訂的中國工程教育認證通用標準[1]，“專業必須有明確、公開、可衡量的畢業要求， 畢業要求應能支撐培養目標的達成”，“課程設置能支持畢業要求的達成”。華東理工大學教授、教育部教育中心高級培訓師樂清華教授指出畢業要求是專業認證5大內容體系的重要關節點，向上支撐專業的培養目標，向下引導課程體系、課程教學和考核評價的制定。通讀通用標準中12條畢業要求，不難發現其中有8個都直接提到了解決“復雜工程問題”(分別是第1、2、3、4、5、6、7、10條)，可以說解決“復雜工程問題”的能力是畢業要求的核心內容。

環境工程原理是環境工程專業9大核心課之一，是一門超越污染介質的界限，從理論上系統、深入地闡述環境凈化與污染控制基礎理論及其工程原理的專業基礎課程[2]，為后續水、氣、固的治理凈化技術的學習提供理論基礎。然而，《環境工程原理》課程內容抽象、概念眾多、公式繁雜、原理偏難，多數同學對本課程的學習興趣不大，接受程度不高。同時，由于課時有限，采用傳統的教學方式很難達到理想的效果，更談不上達到培養解決”復雜工程問題“能力的課程目標。

本文從分析“復雜工程問題“的內涵入手，討論如何設置課程目標、優化課程內容、整合課程資源、更新教學手段和豐富考核形式，以期為專業論證背景下的環境工程原理課程教學改革提供參考。

1 “復雜工程問題”的內涵

解決“復雜工程問題”是“華盛頓協議”的實質核心，這一核心使得工程教育本科專業認證不同于遵循“悉尼協議”和“都柏林協議”的其他類型工程教育認證[3]。《華盛頓協議》和我國《工程教育認證標準》對“復雜工程問題”都有著明確的界定。不難看出我國的專業認證對“復雜工程問題”的界定基本參照了《華盛頓協議》中關于“復雜工程問題”的界定[4]。首先，“復雜工程問題”①必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決，同時具備下述特征②～⑦的部分或全部： ②涉及多方面的技術、工程和其它因素，并可能相互有一定沖突；③需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現出創造性；④不是僅靠常用方法就可以完全解決的；⑤問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業工程實踐的標準和規范中；⑥問題相關各方利益不完全一致；⑦具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題[1]。由此可見，復雜的工程問題不單單從技術層面考量，還需要超越技術層面和單一學科知識領域平衡可能與技術目標沖突的標準、利益等制約因素，不能用“復雜技術問題”代替“復雜工程問題”[5]。

2 與“復雜工程問題”相關的畢業要求

我國《工程教育認證標準》中明確說明畢業要求是對學生畢業時應該掌握的知識和能力的具體描述，包括學生通過本專業學習所掌握的知識、技能和素養。在具體的12條要求中，有8條直接出現了“復雜工程問題”的文字表述。楊毅剛等[5]將這8條分為三個層次：其中1、6、7、10是知識、素質層，是解決“復雜工程問題”的前提；2、4、5是分析、研究“復雜工程問題”的方法，屬于方法論層面；而第3條是解決“復雜工程問題”的方法論和能力核心。參考林健[4]的分類方式，還可以將1、2、3、4、5歸為專業能力要求；6、7歸為綜合素質要求；而第10條則是社會能力要求。無論何種分法都可以看出，畢業生畢業時應該具備解決“復雜工程問題”的知識、能力和素質。

3 《環境工程原理》課程目標

綜合7月19日～20日在鄭州召開的“全國高等學校‘環境工程原理’課程教學與資源建設”研討會上交流的學校情況，有些學校采取知識、能力和素質三個層次分解了《環境工程原理》具體承擔的畢業要求，包括知識貢獻、能力貢獻和素質貢獻，即第1、2、4、10條涉及的內容，而有的學校則主要聚焦在第2條和第4條涉及的內容。概況而言，第2條問題分析(能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論)和第4條研究(能夠基于科學原理并采用科學方法對復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據、并通過信息綜合得到合理有效的結論)是該課程目標主要支持的畢業要求。對上述兩條畢業要求進行分解，可以得到對相應畢業要求的強支撐或中等支撐的支持指標，再根據各校具體的培養目標，可進行相應擴展。

4 《環境工程原理》課程內容及資源

目前《環境工程原理》課程的主流教材是由胡洪營、張旭、黃霞、王偉和席勁瑛合編的，高等教育出版社出版的《環境工程原理》(第三版)。授課教師普遍反應該門課程內容抽象、理論公式繁多、學生工程知識儲備不足，而學時又有限，是同學們一致認為的“最難的一門專業課”。要破解這一難題，首要任務就是按照畢業要求分解指標整合課程內容。

北京航空航天大學的李曉敏老師提出以知識主線貫穿教學內容，建立不同內容間有機聯系的觀點。根據筆者多年授課經驗總結，該門課的主線是污染物的高效、快速的去除，需要從技術和裝置兩個方面來實現去除目標。從技術層面上最主要的是分離技術和轉化技術，分離技術包括沉降、過濾、吸收、吸附及離子交換、萃取和膜分離過程，轉化技術包括化學反應和生物轉化技術。對技術的講解又包括原理講授、“量”和“速率”計算以及反應器設計等。不同技術原理及反應器設計又均包含“衡算”的思想，而衡算的對象是各種“量”以及由此得到的各種“速率”。根據主線思想，各個學校可以根據具體學時分配情況、先修后續課程安排和學生實際情況，來進行內容和學時的安排。

筆者所在的學校是一所地方性應用型高校，學生基礎和學習能力相對較弱。目前專業培養方案中，《環境工程原理》課程包括54個的理論學時和16個的實驗學時。根據筆者所在專業的課程安排和學生實際情況，筆者對《環境工程原理》課程的畢業要求和教學內容進行了整合。具體見表1所示。

5 《環境工程原理》課程教學形式和手段

筆者在之前的教學中嘗試采用啟發提問、專題討論、學生授課和案例教學等教學形式[6]，極大地促進了學生的學習熱情和興趣。然而，這些形式和手段還是無法完全滿足培養解決“復雜工程問題”能力的要求的需要。而且對于涉及到多種因素影響的“復雜工程問題”，學生很難在課堂上幾個學時的時間內分析清楚各種影響因素。

《環境工程原理》很多內容借鑒于化工原理，所以對于一些重難點章節，可以要求學生提前在網上學習相關化工原理的優秀在線課程資源，幫助學生更好理解相關概念和過程。

去實際工廠參觀實習也是一個很好的方式，然而有限的學時，不能完全自控的教學內容和缺乏實操環節決定了參觀實習在教學過程中無法實行或取得理想的成效。而實驗環節由于條件的限制，多以驗證性實驗為主，對于學生綜合能力的培養有限。虛擬仿真實驗突破了實驗操作的時空限制，能夠更加生動直觀地展現設備在不同工作狀態下內部發生的反應或工藝中各部分具體所起到的作用，便于學生理解整個工藝過程。因此，可以逐步引入虛擬仿真實驗，將實驗教學引入到理論教學，提高理論課教學效果。

6 《環境工程原理》課程考核

課程考核是檢驗課程效果的一個重要環節，課程考核的形式設計也必須以課程目標為指導。閉卷考試整體來說還是相對客觀真實檢驗學生知識掌握情況的一種形式，但是題型的選取上要能更好地與解決“復雜工程問題”能力相關，名詞解釋、填空等題型占比不宜過大，可適當在簡答題中設置情景，模擬工程中的情況考察學生判斷、分析關鍵因素，提出解決方案的能力。當然，單一憑閉卷考試考核學生成績和能力是不全面也不科學的，過程性考核包括課堂的專題討論、課后的作業、期中的考核都是很好的補充形式，也能及時了解學生的掌握情況，避免學生堆積問題過多無法應對期末考試。虛擬仿真實驗是發展趨勢，要逐步引入仿真實驗，合理設置考核項目和比例，充分解決智能化考試、考核的問題。

表1 《環境工程原理》課程內容安排Table 1 Organization of the contents of Environmental Engineering Principles

7 結 語

分析了“復雜工程問題”的內涵，圍繞培養學生解決“復雜工程問題”能力的核心要求，結合筆者學校的具體情況討論課程目標設置、課程內容整合優化、更新教學手段、豐富考核形式，提高《環境工程原理課程》教學質量和效果，滿足環境工程專業人才的需求。