水污染控制工程虛實(shí)融合教學(xué)模式探索與實(shí)踐*

仉春華，孫紅杰，陳兆波，張萬筠

(大連民族大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧 大連 116600)

“新工科” 概念是在復(fù)旦大學(xué)2017年舉行的綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會上提出的，即：以新理念、新模式培養(yǎng)具有可持續(xù)競爭力的新型工程人才[1]。工程教育是我國高等教育的重要組成部分，工程實(shí)踐能力是工程教育的核心所在，也是工程教育成果的重要體現(xiàn)。工程實(shí)踐能力即把數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理應(yīng)用于實(shí)際工程，并能運(yùn)用現(xiàn)代工具解決復(fù)雜工程問題的能力[2]。但是目前工科畢業(yè)生工程實(shí)踐能力普遍薄弱是我國工程教育的共性問題，如何采取有效措施培養(yǎng)和提高我國工科人才的工程實(shí)踐能力，已成為當(dāng)前我國工程教育改革和“新工科” 建設(shè)面臨的重點(diǎn)問題。因此高校要不斷深化教育教學(xué)改革，將人才培養(yǎng)模式從學(xué)習(xí)結(jié)果(考試成績)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰︷B(yǎng)成和提高，培養(yǎng)卓越的工程技術(shù)人才，使我國成為工程教育強(qiáng)國。

水污染控制工程是環(huán)境工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，主要闡述水污染控制工程的基本原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和素養(yǎng)以及分析問題和解決問題的工程實(shí)踐能力[3]。虛擬仿真是“智能+教育”的模擬技術(shù)[4]，能使抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容具體、生動形象，是一種新的教學(xué)模式。文章以大連民族大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)的水污染控制工程課程為例，針對目前水污染控制工程課程教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的主要問題，探索將課堂教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)有效融合，構(gòu)建“以學(xué)生為中心、以工程實(shí)踐能力為引導(dǎo)、虛實(shí)融合”的教學(xué)模式，培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。滿足“新工科”背景下工程教育的需要。

1 課程教學(xué)改革背景

水污染控制工程涉及數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理、生物、工程等多個學(xué)科的交叉與融合，是一門綜合性與應(yīng)用型都非常強(qiáng)的課程[5]，在學(xué)生工程實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)培養(yǎng)中占有重要地位。該課程系統(tǒng)介紹了污水處理工藝的基本原理和方法，主要構(gòu)筑物及其設(shè)計(jì)計(jì)算以及我國污水排放標(biāo)準(zhǔn)等；要求學(xué)生能熟練掌握城市污水二級處理的工藝流程、工藝計(jì)算，初步了解污水處理廠的運(yùn)行和管理，為日后從事水污染控制工程的設(shè)計(jì)以及水環(huán)境保護(hù)方面的工作奠定基礎(chǔ)。我校水污染控制課程包括理論課、課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)課三部分。理論課在三年級下班學(xué)期開課。課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)課是理論課教學(xué)的延伸，要求學(xué)生能運(yùn)用理論知識，開展工程分析，解決特定的水污染問題，旨在全面提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。水污染控制工程理論課內(nèi)容多且比較抽象，傳統(tǒng)的PPT教學(xué)模式很難使學(xué)生對所學(xué)知識透徹理解和掌握，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)效果不佳。這也體現(xiàn)在學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力差，課程設(shè)計(jì)質(zhì)量不理想上。此外課程考核方式為期末考試成績80%、作業(yè)15%、考勤5%。由于期末考試成績占比較大，導(dǎo)致學(xué)生忽視有關(guān)工程應(yīng)用能力的學(xué)習(xí)，只注重期末考試的考點(diǎn)。

2 課程教學(xué)改革目標(biāo)

做好碳達(dá)峰、碳中和工作，是中央經(jīng)濟(jì)工作會議確定的2021年八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一。具有“學(xué)術(shù)素養(yǎng)、工程能力、創(chuàng)新思維”的環(huán)保人才已經(jīng)成為國家、社會和產(chǎn)業(yè)的急需人才。 傳統(tǒng)教學(xué)的邏輯是教師在有限的時間內(nèi)以聽眾易懂的方式，將教學(xué)內(nèi)容講授清楚，進(jìn)而讓學(xué)生學(xué)會知識和技能。這種教學(xué)模式是以教師為中心，注重的是理論知識學(xué)習(xí)，忽視了對實(shí)踐能力的培養(yǎng)。隨著時代的發(fā)展，社會和企業(yè)對工科學(xué)生的需求、學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境和方式等都發(fā)生了明顯的變換，傳統(tǒng)教學(xué)的邏輯已滿足不了時代發(fā)展的需要，特別是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的需要。這就要求必須轉(zhuǎn)變教學(xué)邏輯，以適應(yīng)時代的發(fā)展。新時代的教學(xué)邏輯應(yīng)以學(xué)生為中心，以能力養(yǎng)成為引導(dǎo)，將能力培養(yǎng)融入到知識傳授中，使教師從“單一來源”的“優(yōu)質(zhì)”教學(xué)資源提供者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生“高效高質(zhì)量學(xué)習(xí)”的促進(jìn)者[6]。在此教學(xué)理念下，課程團(tuán)隊(duì)秉承以學(xué)生為中心，強(qiáng)化工程實(shí)踐能力為引導(dǎo)，設(shè)計(jì)了“三位一體”的課程教學(xué)目標(biāo)。“三位”即知識能力、工程實(shí)踐能力及價值塑造，“一體”即學(xué)生工程實(shí)踐能力的養(yǎng)成和提升，使學(xué)生成為合格的工程項(xiàng)目踐行者。

3 課程教學(xué)改革

3.1 整合教學(xué)內(nèi)容

水污染控制工程理論課的教學(xué)內(nèi)容分為物理處理、生物處理、化學(xué)及物理化學(xué)處理和污泥處理處置5個模塊[7]。每個模塊基本按照原理、工序單元、設(shè)計(jì)計(jì)算的順序進(jìn)行授課。這樣的教學(xué)內(nèi)容組織，雖然有利于學(xué)生理解和掌握教學(xué)內(nèi)容和知識點(diǎn)，但是針對具體工程問題時，學(xué)生缺乏從整體上認(rèn)識、分析和解決工程問題的能力。針對這種現(xiàn)狀和問題，我們按照“碎、整、減”的方式，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分解、組織和整合，重新構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容模塊。“碎”，打碎原有的教學(xué)內(nèi)容模塊，重新分解教學(xué)內(nèi)容。“整”，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和課程目標(biāo)，采用案例教學(xué)的模式，以城市污水典型處理工藝為知識主線對課程內(nèi)容進(jìn)行整合，形成新的教學(xué)內(nèi)容模塊(表1)。“減”，根據(jù)課程內(nèi)容的難易，精簡授課內(nèi)容，進(jìn)一步突出重點(diǎn)內(nèi)容。對內(nèi)容簡單、課堂無暇顧及的非重點(diǎn)的教學(xué)內(nèi)容，發(fā)布在智慧教學(xué)工具上，安排學(xué)生在課外學(xué)習(xí)，并通過完成相應(yīng)的練習(xí)題，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。為了及時了解整合后教學(xué)內(nèi)容學(xué)生的接受度，分別在期中和期末組織匿名問卷調(diào)查。問卷包括教學(xué)內(nèi)容模塊設(shè)計(jì)是否適應(yīng)課程的學(xué)習(xí)、優(yōu)點(diǎn)和不足，課外學(xué)習(xí)的方式是否能接受，學(xué)習(xí)內(nèi)容是否能理解和掌握，課外學(xué)習(xí)時間的投入等。此外教師通過智慧教學(xué)工具的反饋，了解每一位同學(xué)的課外學(xué)習(xí)時間投入和成效。根據(jù)問卷調(diào)查及反饋結(jié)果適度調(diào)整課內(nèi)教學(xué)內(nèi)容的安排和組織。

表1 教學(xué)內(nèi)容及授課模式

3.2 改革教學(xué)模式

水污染控制工程課程內(nèi)容涉及物理、化學(xué)、生物、工程等多學(xué)科內(nèi)容，是工程應(yīng)用較強(qiáng)的一門課程。課程內(nèi)容中的工序單元、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)、設(shè)備等，采用單一的課堂教學(xué)模式很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，為多樣化教學(xué)模式的開展提供了有力支持。虛擬仿真教學(xué)軟件．通過文本、圖形、圖像、動畫、聲音、視頻等多媒體信息的組合與優(yōu)化，構(gòu)建逼真的二維(2D)和三維(3D)場景，能將課堂教學(xué)的理論知識通過具體的處理工藝生動形象的呈現(xiàn)出來，例如介紹工序單元的基本原理、構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)等，突破時間和空間的限制。將課堂理論教學(xué)與虛擬仿真教學(xué)有效融合，構(gòu)建虛實(shí)融合的理論課教學(xué)模式，可提高學(xué)生的參與度、學(xué)習(xí)熱情和實(shí)踐能力[8]。

我校擁有水污染控制工程3D虛擬仿真教學(xué)平臺，為虛實(shí)融合教學(xué)模式的實(shí)施提供了支持和保障。其中典型污水處理廠A2/O工藝3D虛擬仿真工藝的工序單元有粗格柵、提升泵房、細(xì)格柵、沉砂池、初沉池、生化反應(yīng)池、二沉池、消毒池、污泥井、污泥濃縮池、離心脫水機(jī)、加藥機(jī)，幾乎囊括了理論課講解的主要工序單元。該虛擬仿真工藝提供了兩個模塊，分別是正常工況、異常工況(出水總氮超標(biāo)、出水總磷超標(biāo)、沉淀池污泥上浮)。每個理論模塊學(xué)習(xí)結(jié)束后，用2～4學(xué)時在虛擬仿真平臺上1人1機(jī)進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作(表1)。實(shí)訓(xùn)前要求學(xué)生自行完成工藝參數(shù)設(shè)置、異常工況的解決方案和措施。實(shí)訓(xùn)時首先要求學(xué)生認(rèn)識處理工藝，通過漫游查看相關(guān)工序單元，了解和掌握主要構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)及主要運(yùn)行參數(shù)。然后在正常工況下輸入自行設(shè)計(jì)的運(yùn)行參數(shù)，通過分析出水水質(zhì)，觀察運(yùn)行參數(shù)的影響。針對異常工況，實(shí)施解決方案和措施，驗(yàn)證解決方案和措施的成效性，再根據(jù)反饋的結(jié)果，進(jìn)行修正和總結(jié)。以脫氮除磷工藝為例，圍繞“氮磷危害-脫氮除磷原理-脫氮除磷工藝”的教學(xué)內(nèi)容，通過課前設(shè)置滇池水體富營養(yǎng)化的問題情境，學(xué)生通過查閱資料，了解原因及危害。教師課堂精講脫氮除磷基本原理，引導(dǎo)學(xué)生提出解決方案，通過虛擬仿真實(shí)訓(xùn)驗(yàn)證方案，找出不足之處。這種虛實(shí)融合的教學(xué)模式，學(xué)生通過實(shí)訓(xùn)操作(虛—虛擬仿真)加深對理論知識(實(shí)—課堂教學(xué))理解；運(yùn)行具體的工藝流程和解決具體的工程問題，通過理論與實(shí)踐的融會貫通，培養(yǎng)、鍛煉和提升了學(xué)生分析問題、解決問題的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

育人是高校教師的重要職責(zé)，課程思政是塑造學(xué)生價值觀、立德樹人的有效手段。教師對待課程的態(tài)度直接影響學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)態(tài)度。教師良好的教風(fēng)、認(rèn)真的教學(xué)態(tài)度和有底線的課堂言論行為，是最直接的課程思政，也是潛移默化的課程思政[6]。因此在實(shí)施虛實(shí)融合的教學(xué)過程中，任課教師始終保持認(rèn)真負(fù)責(zé)的教學(xué)態(tài)度。此外采用混合式教學(xué)開展課上和課后互動式課程思政。課上教師將科研成果融合到教學(xué)內(nèi)容中，使學(xué)生感悟基礎(chǔ)知識對學(xué)術(shù)突破的重要性。課后利用智慧化教學(xué)工具講好中國故事，挖掘與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的當(dāng)代水污染控制技術(shù)成果；“藍(lán)天、碧水、凈土三大保衛(wèi)戰(zhàn)，建設(shè)美麗中國”中，水污染控制工程的重要作用，增加學(xué)生對專業(yè)、課程的認(rèn)同感和興趣。通過潤物無聲的德育教育，塑造學(xué)生的價值觀。

3.3 多元化的考核方式

考核既是檢驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要方式，也是提高學(xué)生學(xué)習(xí)成效的主要抓手。基于能力引導(dǎo)的教學(xué)內(nèi)容的整合以及虛實(shí)融合的教學(xué)模式的實(shí)施，使多樣化的考核方式成為可能。建立了強(qiáng)化過程考核和多元化評價的課程考核方式，見表2。課程目標(biāo)中知識能力考核采用單元測試、課后作業(yè)、線上學(xué)習(xí)以及期末試卷的方式。單元測試考核學(xué)生對所學(xué)單元理論知識的掌握程度。期末考試主要檢驗(yàn)學(xué)生對基本概念、基本原理、基本計(jì)算能力以及工程思維能力。工程實(shí)踐能力考核以虛擬仿真實(shí)訓(xùn)考核和課后大作業(yè)方式為主，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)考核學(xué)生對具體工程問題的分析和解決能力；課后大作業(yè)采用項(xiàng)目教學(xué)的模式，教師給出題目、學(xué)生3～4人一組，自由選題，完成工藝流程設(shè)置、主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)計(jì)算，最后PPT匯報和提交報告。主要考核學(xué)生的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算能力和學(xué)術(shù)表達(dá)能力。價值塑造采取課后討論的考核方式，通過針對具體問題的分析討論，塑造學(xué)生價值觀、職業(yè)觀和工程素養(yǎng)。

表2 多元化考核方式

4 教學(xué)效果

在知識能力和工程實(shí)踐能力并重的課程教學(xué)目標(biāo)下，能力引導(dǎo)虛實(shí)融合的水污染控制課程教學(xué)模式，強(qiáng)化了對學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，提升了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，體現(xiàn)在后續(xù)課程—水污染控制工程課程設(shè)計(jì)學(xué)生提交的設(shè)計(jì)成果上。針對同樣難易程度的設(shè)計(jì)任務(wù)，在相同的課程設(shè)計(jì)時間內(nèi)，教學(xué)模式改革后，提交的設(shè)計(jì)成果中工藝方案呈現(xiàn)多樣化，工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)參數(shù)選擇以及平面布置等更合理，完成質(zhì)量明顯提高。所構(gòu)建的能力引導(dǎo)下虛實(shí)融合的教學(xué)模式，對提高環(huán)境工程工科人才培養(yǎng)質(zhì)量具有積極的意義。