基于OBE的《環境工程原理》教學改革與實踐

劉曉陽，任芝軍

（河北工業大學 能源與環境工程學院，天津 300401）

隨著經濟的快速發展和工業水平的提高，我國所面臨的環境問題日趨嚴重，社會對于環境工程和環保設備工程等相關專業人才的需求也逐年增加，對其專業技能的要求日益提高?！董h境工程原理》課程是環境工程和環保設備工程等專業本科生的重要核心課程和基礎課程，通過對環境污染控制基礎理論和工程原理的介紹，為學生后續水、氣、固廢治理技術的學習提供理論基礎[1]。該課程特點為理論性強、知識點多、內容廣泛，在傳統的教學過程中存在著教學內容重理論、輕實踐，教學過程重教師、輕學生，教學手段單一、互動較少，考核方式多以終結性評價為主、無法全面考查學生的實際能力和綜合素質等問題，難以滿足當前國際工程教育專業認證和新工科人才培養的需求。針對該問題，需要積極推動基于成果導向教育（outcome-based education，OBE）理念的教育模式，建立以學生學習成果為導向的教育體系，豐富拓展教學內容，革新教學設計和教學方法，改革課程評價考核方式，以培養學生的綜合素質和解決工程實際問題的能力，為學生的終身發展打下更堅實的基礎，同時滿足新工科建設對卓越創新人才的需求。

1 《環境工程原理》課程教學現狀和存在問題

前期，教學團隊通過雨課堂調查問卷等形式，對近兩年的環保工程設備專業近110名學生進行了調研，結合調研結果、教學團隊的教學經驗和督導教師的討論交流，總結了《環境工程原理》課程教學存在的主要問題。

1.1 教學內容重理論、輕實踐

該課程主流教材為高等教育出版社出版的《環境工程原理》（第三版），在本專業授課過程中，需要用56學時講授環境工程原理基礎（即動量、熱量和質量傳遞）、分離過程原理（包括沉降、過濾、吸附、吸收、膜分離等）和化學與生物反應工程原理三大部分，學時緊張，內容抽象且理論部分較多，工程知識較少，缺乏科學理論到工程實際的連接，造成學生所學與社會實際需求脫節。因此，需要拓展課程資源，將實際工程案例融入教學過程中，引導學生在“干中學”。

1.2 教學過程重教師、輕學生

由于《環境工程原理》理論性較強且課時緊張，該課程教學過程中，多以“填鴨式”教學為主，學生學習的積極性偏低，這不僅導致學生對于知識的接收、內化能力較差，也嚴重限制了學生自主學習能力以及發現、分析和解決問題能力的提升。因此，需要根據OBE 理念進行課程改革，將教學過程從以“教”為主轉變為以“學”為主，以學生為中心，著重提高學生的學習效果和能力素質。

1.3 教學手段單一、互動較少

該課程主要采用講授法進行授課，輔以黑板板書和PPT，教學手段較為單一，師生互動較少，學生上課積極性不高，致使教學質量難以達到預期效果，人才培養質量和新工科的發展要求有所差距。

1.4 考核方式不全面

該課程的考核評價方式為平時成績（40%）和期末考試（60%）相結合。其中，期末考試包括填空題、論述題和計算題三種類型，論述題多為專業術語解釋和相關原理闡述，整體題目與實際工程差別較大。平時成績則主要考核各章節內容的作業完成情況和上課考勤情況。也就是說，目前的考核方式主要考查學生的記憶能力和理解能力，難以全面評估學生的創新能力和解決實際工程問題的能力。因此，學生容易出現應試心理，往往只注意應對考試而忽略了知識的實際應用，學習效果大打折扣。

2 基于OBE理念的《環境工程原理》課程改革框架

OBE 的基本理念是以學生為中心，以學習成果為導向，進行持續改進。其強調教學過程的目標、結果和效果，注重培養學生的能力和素質[2]。OBE 理念在英美等發達國家的工程教育認證和應用型人才培養過程中至關重要。自2014年來，OBE 理念逐步受到中國學者關注，先后應用于《機械原理》《環境工程微生物學》等諸多課程改革[3-4]。基于OBE 理念，從課程目標與內容、教學手段與方法、課程考核評價等方面對《環境工程原理》課程進行教學改革，能夠提高學生的學習興趣和主動性，增強學生的科學素養和工程意識，從而實現教育目標的有效達成。

2.1 教學內容優化

在教學內容方面，需要刪減與其他課程相關的重復授課內容，強化課程主線和邏輯順序，優化內容編排。引入實用性基礎教學內容和實際工程案例，突出課程內容與應用的聯系，提高學生分析解決復雜工程問題的能力。增加反映學科發展前沿和國內外重大成果的內容，與時俱進，提高課程內容的科學性和高階性。以科研反哺教學，將實踐融入教學。以立德樹人為根本原則，精心設計教學案例，著重介紹我國科學家的突出貢獻，以正確價值觀引導學生，培養學生的科學思維和愛國精神[5]。

2.2 教學方法與手段改革

課堂教學中，改革傳統的灌輸教學模式，結合問題導向式教學、討論式教學、案例式教學、項目驅動式等多種教學方法和長江雨課堂等多種信息化手段，提高學生的積極性。建立“案例引入—情感激發—知識夯實—能力提升—素質培養”的漸進驅動式教學進程，形成高階目標達成機制，提升學生的學習效果。引入理論知識的工程應用案例和科研前沿進展，培養學生的創新精神和工程思維。積極強化沉浸式實踐教學，推動專業教師和企業導師聯合指導實踐教學，多元立體交叉培養學生綜合應用理論知識解決工程問題的能力。

2.3 考核方式改革

以靈活多樣的過程評價（形成性考核）為主，以期末考試為輔，采用章節測驗、課堂問答、課程作業與論文等多樣化的形式，采用雨課堂、河工云課堂等多種信息化手段，對學生的學習成果進行動態評價和及時反饋。以考查學生的能力為主，知識點的掌握為輔，采用項目驅動式、參與式等教學方法進行課程教學，增加發散性思維和實際工程問題題目的考核，突出對學生創新能力、科學和工程素養的考核。根據課程目標指標點細化考試內容，根據考試結果，量化課程目標指標點和課程目標達成度，識別學生學習的薄弱環節，結合督導、同行意見，及時調整教學策略，優化教學內容與方法，提高教學質量，最終形成學習成果評價反饋教學的閉環。

3 基于OBE理念的《環境工程原理》課程改革實踐探索

3.1 教學內容優化

在教學內容方面，通過集中備課、調查問卷等方式，與《流體力學》《水污染控制工程》《大氣污染控制工程》等核心教學團隊和所授課學生對象進行交流，刪減了重復授課內容，同時，調整了部分知識模塊的順序以優化課程邏輯。例如，發現第一部分環境工程原理基礎中動量傳遞模塊與選修課程《流體力學》在伯努利方程、邊界層理論等知識點內容重復，學生對該部分內容有印象，但是經過一個假期的間隔后，印象有限，故上課時對該部分進行了簡單快速的復習；第二部分分離過程原理中吸收模塊與第一部分質量傳遞模塊聯系緊密，故而將其提前，在質量傳遞模塊結束后直接進行吸收模塊的授課，而該部分的沉降模塊與同學期《大氣污染控制技術與設備》課程內容重復，故沉降模塊僅在第二部分授課結束時進行了略講。

在教學過程中引入了一些實際工程案例和學科前沿知識，以提高課程內容的實用性、科學性和高階性。例如，在質量衡算與能量衡算模塊，引入了抗生素類新興污染物在水生態環境中遷移轉化過程，樹立了學生的生態環境觀以及質量衡算的基礎地位；在其他分離過程模塊，重點講解了膜生物反應器、納濾、反滲透等新興膜法水處理技術，并引入了基于納濾技術的張家港第四水廠、基于超濾技術的東營南郊水廠等工程實例，介紹了李圭白院士課題組等在水廠建設過程中科研攻關和成果轉化方面的突出貢獻，以提高學生的工程意識、科學素養和利用專業知識為祖國貢獻力量的使命感[6]。

3.2 教學方法與手段改革

在課堂教學中，教學團隊嘗試了討論式教學、項目驅動式教學等多種教學方法和長江雨課堂等多種信息化手段，極大地提高了學生的積極性。例如，在講述吸附模塊時，課前將教學PPT、實際工業吸附操作視頻和該方向的前沿科研論文提前發送給學生，要求學生按問題清單預習相關知識。授課過程中，從2005年松花江硝基苯水污染事件出發，講述了活性炭吸附在突發性水污染治理中的重要作用，同時引導學生思考實際工程中需要關注的吸附劑的兩個性能：吸附快慢（吸附動力學）和吸附量多少（吸附熱力學）。隨后，將吸附動力學和熱力學相關知識點細化后下達給不同的學生小組，借助課前預習的相關資料，各小組歸納總結，并進行“翻轉課堂”的課程匯報。教師綜合學生觀點，進行糾錯答疑、歸納總結和重難點凝練。在該過程中，學生從“教中學”轉變為“學中教”，極大地提高了學生們的上課參與度和積極性。此外，為了更好地滿足培養目標中提升學生解決復雜工程問題能力的要求，采用了實際實驗錄播或者虛擬仿真實驗，更加生動直接地展現各分離設備和化學、微生物反應器的工作原理和內部工作狀態，以便于學生理解所學知識在實際工程中是如何應用的，這也反過來提高了理論部分的學習效果。

3.3 考核方式改革

改革過程后，過程考核更加豐富多樣，包括了4部分：課堂出勤（10%），體現在課堂隨機點名和雨課堂平臺簽到；課堂表現（40%），體現在課堂教學實踐中學生自主討論和前測、后測中問答情況；專題討論（20%），體現在課后發布的討論題；課后作業（30%），體現在課后習題的計算情況。課堂討論問題和前測、后測題目在課堂上通過雨課堂等手段實時發布，雨課堂直接給出統計結果，以便于對學生的知識掌握情況進行量化評價。隨后，教師結合學生的回答情況進行互動解析，并針對學生學習的薄弱環節及時給予反饋、復習和再講解，提升學生的學習效果。課后，對學生進行問卷調查，不僅請學生自評學習目標的達成度，評價知識、能力、情感目標是否達成，還請學生對本節課的授課情況進行評價并且提出建議。這有助于掌握各學生各階段的學習情況，評估學生的進步程度，以及后續授課的持續改進。

在期末考試中，根據課程目標指標點細化考試內容，根據考試結果，具體量化課程目標指標點和課程目標達成度。為了更好地滿足新工科人才培養的需求，在試卷簡答題和計算題中還設置了一些實際工程中的具體情景，以考查學生解決實際工程問題的能力。例如，在論述題中，提出問題“某發電廠排放的廢氣中含有大量的SO2氣體，目前工廠以水作為吸收劑，采用物理方法吸收尾氣，但是廢氣凈化效果較差，能否給出幾種措施以提高凈化效果？”。綜上，通過過程性考核和期末考試的優化，能夠從學生的基本理論理解和掌握程度、分析解決復雜工程問題的能力、團隊協作的意識、語言表達能力等多個維度進行考查，提升了學習效果。經過歷時一年的教學內容優化、教學方法與手段改革和考核方式改革，該課程學生的學習效果顯著提升（圖1）。相較于2021年未實施時，2022年學生的平均成績從73分提高至86分，中位數從74分提高至87分。

圖1 近兩年學生成績分布

4 結束語

《環境工程原理》課程是環境工程、環保設備工程等專業的重要核心課程和基礎課程，可為學生水、大氣、固廢污染控制技術與設備等課程的學習奠定理論基礎。針對《環境工程原理》課程的教學現狀和存在問題進行了深入剖析，從教學內容、教學方法和手段、課程考核方式等方面提出了基于OBE 理念的教學改革意見，并進行了教學改革的探索與實踐。實踐過程表明，將OBE 理念有機融入這門課程后，學生學習的主動性有了極大提高，同時分析和解決復雜工程問題的能力也有一定提升。