新工科背景下基于創新能力培養的課程改革探索
——以“水質工程學”為例

秦 雯，宋 陽，李紹秀，杜 星，蔣樹賢

（廣東工業大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006）

肩負著緩解水危機和建設生態文明的歷史責任的給排水科學與工程專業，緊密圍繞國家重大需求和國民經濟發展，致力于改善水的社會循環。“水質工程學”作為給排水科學與工程專業的核心課程，是新工科背景下給排水人才培養的主戰場，因此“水質工程學”的課程教學改革對給排水科學與工程專業建設至關重要。

一、新工科背景下“水質工程學”教學面臨的挑戰

2017年，教育部發布了《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》。新工科建設是以新技術、新產業、新業態和新模式為特征，加快培養新興領域的工程科技人才，改造升級傳統工科專業，主動布局未來戰略必爭領域的人才培養，實現從學科導向轉向產業需求導向、從專業分割轉向跨界交叉融合、從適應服務轉向支撐引領，這對給排水科學與工程專業人才培養模式和專業課程建設提出了全新的挑戰。

聚焦新工科內涵、國家重大需求和國際學術前沿，當前廣東工業大學土木與交通工程學院給排水科學與工程專業于2020年通過住建部高等學校給排水科學與工程專業評估（認證），現正執行的培養方案的目標為：“本專業培養德、智、體、美、勞全面發展，具有高度社會責任感，良好的工程職業道德，善于溝通與合作，具有解決給排水工程復雜問題的能力，主動服務廣東經濟發展，適應給排水行業發展需求的高素質創新性應用型人才。畢業生能夠從事給排水科學與工程的規劃、設計、施工、管理、咨詢等方面的工作，具有初步的研究和開發能力，在給排水工程設計領域有明顯的競爭優勢”。此培養目標體現了當前我校對給排水科學與工程專業畢業生在創新能力方面的重視。“水質工程學”作為給排水科學與工程專業的核心課程，是新時代給排水人才培養的主戰場，但目前“水質工程學”課程在知識體系、創新思維和工程思維等方面仍存在一些不足，主要體現在三個方面：（1）本專業現行“水質工程學”的理論知識體系結構較簡單，如給水、排水、工業水處理是獨立的部分，難以鍛煉和提升學生解決給排水工程復雜問題的能力。（2）本專業現行的“水質工程學”的教學組織（以“先學后教”為主）和教學方法（以基礎知識傳授為主），缺少對相關知識點的前沿及新技術應用實例的介紹，無法培養學生的創新思維，難以滿足新工科建設、社會、行業和時代的需求。（3）本專業現行“水質工程學”的實驗和實踐環節偏重于基礎知識點，缺少與實際工程問題的結合，使得學生的思維認知與行業所需的工程思維存在較大差距。

以上幾點導致2018屆、2019屆畢業生及用人單位在對我校給排水科學與工程專業畢業生的評價中，出現了設計、開發解決問題的能力和研究能力較弱的現象，部分畢業生的能力水平與我國給排水行業主戰場精英人才的能力水平差距較大。因此，為了我校畢業生盡快適應新時代新工科建設大環境，同時增加本專業在工程專業認證國際大背景下的實力儲備，在“水質工程學”教學過程中充分挖掘和融入創新能力培養，對“水質工程學”課程的建設原則、知識體系、教學組織方法和評價體系等進行改革，是培養具有新時代特色、滿足國家重大戰略和社會行業需求的復合型卓越給排水人才的必經之路。

二、“水質工程學”應用創新能力培養的教學設計及實施方法

針對以上問題，本研究期望在新工科建設背景下，將“水質工程學”專業課作為本專業理論基礎與創新能力并重的課程，改變一成不變的課堂教學模式，以提升學生的創新能力和解決給排水復雜工程問題為目的，增加前沿或新技術及應用實例課程的內容，讓學生參與相關的前沿或新技術的拓展項目，并且有延續性地讓畢業生在進行畢業設計時增加“預處理”或“深度處理”的專題設計，以提高解決復雜工程問題的能力，實現從“灌輸理論”向“交互啟發”轉變，從“知識堆砌”向“能力塑造”轉變。

（一）“1 個知識點+1 個前沿/新技術”授課模式

在“水質工程學1”“水質工程學2”和“水質工程學3”的授課過程中，教師采用“1個知識點+1個前沿/新技術”的模式，并且結合翻轉課堂的教學設計（課前學生自主預習—課堂知識內化—課后知識點鞏固），分別研究制定水質與水質標準、混合和絮凝、沉淀、過濾、消毒、氧化還原、膜過濾、其他預處理與深度處理、污水的物理處理、活性污泥法、生物膜法、厭氧生物處理、污水深度處理、污泥處理、處置與應用、氣浮、吸附、離子交換、膜分離技術等19個方面的理論課程方案。

以“活性污泥法”中“生物脫氮”的知識點為例，教師在課前圍繞基礎知識點設計并布置預習思考題：（1）城鎮污水生物脫氮過程的基本步驟；（2）描述生物脫氮中3類關鍵微生物的生化反應特征。學生在課前通過學習指定教材和參考書，獨立完成課前思考題。課中，教師首先通過“脫氮目的—傳統生物脫氮原理—3類關鍵微生物生化反應特征—生物脫氮反應器設計及優缺點”的思路進行講解，著重幫助學生建立對基本原理知識（生物脫氮過程中3類關鍵微生物生化反應特征）與工程實踐（生物脫氮工藝的環境條件要求和主要影響因素）之間的關聯性的理解，完成“1個知識點”的學習；其次引出“1個前沿/新技術”，介紹國際研究前沿的“新型脫氮技術原理”——短程亞硝化脫氮（SHARON工藝）和厭氧氨氧化脫氮（ANAMMOX工藝），并通過氨氮轉化機理的對比，強化學生對傳統和新型脫氮技術的理解；最后對學習的基礎知識點和前沿知識點通過主題研討的形式讓學生展開討論，通過討論考查學生對基礎知識點的掌握程度，引導學生對新技術進行進一步的思考，拓展創新思維。課后，教師要求學生完成課后思考作業：（1）傳統生物脫氮原理的思維導圖；（2）結合課前預習與課堂講解，分析“脫氮3類關鍵微生物的生化反應特征”與“生物脫氮除磷工藝的環境條件要求和主要影響因素”之間的關聯性；（3）以一種新型脫氮技術為例，對比其與傳統生物脫氮技術的優缺點。通過上述課前、課中和課后的具體教學設計，完成“1個知識點+1個前沿/新技術”的授課，通過此模式可以在不斷鞏固基礎知識點的同時，拓展學生對相關知識點的延伸與創新研發思路。

（二）前沿知識拓展環節

“水質工程學”課程結束后，邀請國內外知名的水處理方向的高校專家、設計或水務行業專家進行科技創新講座，開闊學生的視野，關注科技前沿，明確就業或升學目標。目前，針對“水質工程學”課程，本專業分別邀請了住建部給排水科學與工程專業評估委員會、教育部高等學校給排水科學與工程專業教學指導委員會，以及中國城鎮供水排水協會青年工作者委員會的專家，組織了題為“飲用水安全保障的問題與挑戰”“好氧顆粒污泥及其強化技術研究”及“紫外技術在水處理中的發展現狀與展望”的專家面對面系列講座，從專業發展趨勢、專業技術前沿，以及水處理行業就業面臨的挑戰等方面為學生和教師帶來了新的視野。

（三）實踐能力提升環節

以提升學生設計/開發解決問題的能力和研究能力為導向，充分利用本專業科研/教學復合型師資的優勢條件，并使其轉化為我校學生的升學和求職競爭力。在“水質工程學”課程結束后，本專業利用課程設計“創新能力拓展項目”作為實踐環節，組織了本專業科研/教學復合型師資對給排水科學與工程專業的學生開展“水質工程學”相關的前沿/新技術的拓展項目進行指導，選題包括“生物質炭（biochar）在水處理中應用”“碳材料陰極改性電芬頓去除水中有機污染物研究進展”“低溫低濁水的處理難度及其強化處理方法”“異養硝化菌去除氨氮原理及應用”“水中藥物及個人護理品（PPCPs）的危害及其控制技術”“典型含氮消毒副產物N-二甲基亞硝胺（NDMA）的前驅物種類、生成原理及控制方法”等專業研究熱點的文獻綜述撰寫，也包括“預處理對膜污染的控制作用研究”“超聲波輔助過硫酸鹽處理抗生素廢水的研究”“城鎮污水廠尾水回用水質凈化工藝研究”“仿生光催化劑材料特征與應用”及“高壓膜濾試驗裝置調試及運行”等實驗研究的選題。以控制新型消毒副產物NDMA在消毒過程中生成為例，該消毒副產物還未列入我國生活飲用水衛生標準，但該副產物已經在歐美等國家及地區被列為重點控制對象，并且設置了嚴格的濃度限值（10ng/L），足以說明該新型消毒副產物的危害性。

近年來，我國上海、深圳兩座城市陸續給出了給水廠出水中NDMA的濃度限值（100ng/L），該限值參考了世界健康組織（WHO）所給出的建議值，此限值高于歐美國家及地區的限制。未來5～10年內，我國生活飲用水衛生標準中可能也會加入NDMA的濃度限值。通過教師的講解，讓學生對于此前沿內容有初步認識并產生濃厚的學習興趣，然后在授課過程中布置兩篇國際頂級期刊的經典文獻讓學生學習并引導學生自行查閱文獻，掌握NDMA前驅物種類。在文獻學習的過程中，可讓學生分組討論，以小組形式學習文獻內容。同時，基于NDMA生成原理進行組內探討，找到控制消毒過程中NDMA生成的方法。以小組形式做總結報告并在課堂匯報，能夠提升學生對前沿知識的學習能力。通過文獻調研和科學前沿探究，使學生在實踐中鍛煉科學研究的技能，進而提升自身的創新能力。此外，組織有意愿的畢業生在畢業設計時增設“預處理”或“深度處理”專題設計，以提高解決復雜工程問題的能力。

三、效果分析

為了提升我校給排水科學與工程專業在工程專業認證國際大背景下的實力儲備，改變以往“水質工程學”教學過程存在的不足，本課程教學團隊充分挖掘和融入創新能力培養，對“水質工程學”課程的知識體系和教學組織方法上，探索了以創新能力培養為導向的改進。

通過創新能力培養模式的改變，結合翻轉課堂，建立了“1個知識點+1個前沿/新技術”的“水質工程學”授課模式，并且結合“水質工程學”的基礎知識點增加了“前沿知識拓展環節”和“實踐能力提升環節”，激發了學生的學習興趣，并且在不斷鞏固基礎知識點的同時，拓展了學生對于相關知識點的延伸與創新研發思路。經過兩屆學生的教學實踐，表明該改進措施的效果顯著，主要表現為：（1）知識體系的優化改變了學生孤立看問題的短板，大大提升了學生解決給排水工程復雜問題的能力；（2）更加注重基礎理論知識與工程實踐的結合，激發了學生獨立思考問題的能力，課程設計和畢業設計中工藝的選型更加多樣化；（3）前沿知識和實踐能力多環節的強化，開發了學生的科學研究能力、語言表達能力和創新思維，有效促進了具有新時代特色、滿足國家重大戰略和社會行業需求的復合型卓越給排水人才培養。

結語

在新工科背景下，本課程教學團隊基于創新能力的提升對“水質工程學”課程進行了改革，建立了“1個知識點+1個前沿/新技術”的授課模式，并結合課程基礎知識點增加了前沿知識拓展環節和實踐能力提升環節，形成適合于我校給排水科學與工程專業水處理方向專業技術人才的多環節培養模式。項目實施方案科學合理，實施后有效提升了學生設計、開發、解決問題的能力和研究能力，并使其轉化為我校學生的升學和求職競爭力。基于創新能力培養的“水質工程學”課程的教學模式，符合新時代給排水專業復合型人才的培養需求。