智慧水務背景下給排水科學與工程專業實踐教學改革探索

許鐵夫，陳悅佳，劉金鎖

（黑龍江大學，黑龍江 哈爾濱 150080）

一、引言

近年來，隨著數字信息技術與傳統工科行業的結合，許多傳統工科行業正在向智慧化行業轉型，促進了傳統行業的快速發展[1]。水務行業也出現了重大變革，如北控水務集團搭建了BECloud 智慧云平臺、深圳環境水務集團構建智慧水務系統實現了水務數字化轉型等[2]。智慧水務的出現，為傳統水務行業帶來新的市場格局[3]。2012年以來，國家對智慧水務建設提出了一系列政策支持，尤其是2015年“水十條”的提出，為水務行業發展指明了方向，同時，也對人才培養提出了新的要求[4-5]。

據相關部門統計，智慧水務市場規模從2014年的65.6 億元增至2021年的140 億元，研究發現，給排水專業每年向市場輸送1.1 萬名左右的專業人才[6]。相關研究表明，過去15年從事以設計、施工、水務運營為代表的傳統行業工作的給排水專業畢業生人數占實際就業人數的85%以上[7]，但傳統行業人才市場已經呈現飽和狀態，很難為行業帶來新的就業增量。智慧水務市場規模的擴大創造了大量就業崗位，但是，由于人才培養的脫節，大部分畢業生并不具備相關能力。傳統給排水專業人才培養體系缺少數字信息技術培養，很多新型的信息化技術難以進行快速整合[8]。相關研究認為，完全顛覆以前的培養體系是不科學的，同時，考慮到信息技術本身對實踐能力的要求，給排水專業應重視學生實踐能力的培養，以實踐教學作為突破口培養學生的信息化能力，使其滿足智慧水務市場需求[9-10]。

二、實踐教學體系構建

（一）基于智慧水務模塊的實踐教學環節設置

現階段，給排水專業實踐教學主要培養學生的實驗能力及設計能力，缺少信息化能力的系統培養[12]。為滿足智慧水務人才需求，需要在現有實踐教學環節中增加智慧化教學環節，因此，教師對原有實踐教學環節進行了必要的創新和完善（圖1）。

圖1 智慧水務模塊實踐教學環節

事實上，智慧水務對人才的需求主要集中在數字化技術、仿真模擬技術及專業軟件應用等方面。Python、R 語言、SPSS、Matlab 等軟件對數據挖掘和分析的能力要求遠勝于傳統軟件，考慮到未來水務大數據逐步實現，相關軟件工具和數據處理方法的學習迫在眉睫。在實驗教學環節，可以基于仿真模擬技術搭建虛擬仿真實驗平臺，特別是對于“流體力學”等抽象性強的課程而言，通過模擬仿真可以有效提升學生解決相關問題的能力；在實習環節，通過數字孿生等技術能夠拓展學生的專業視野，極大地提升實踐教學效果；在課程設計環節，引導學生使用BIM、GIS 等建模軟件對數據進行應用設計建模，不僅能提升學生的設計能力，實現對知識點的連續性教學，也可有效銜接后續概預算及經濟分析等知識，甚至可以打通專業壁壘，使學生獲得多專業協同設計的機會；在畢業設計環節，可以通過整合實驗數據和建模設計形成項目化設計，增加使用虛擬建模軟件對設計圖紙進行模擬運行的環節，提高學生對信息化技術的綜合應用能力。

（二）基于智慧水務模塊的實踐教學課程設置

在智慧水務模塊實施過程中，僅增加智慧化教學環節是不夠的，還需要在原有課程基礎上開設一些必要的智慧化課程，同時應豐富選修課程，構建基于智慧水務模塊的課程體系（圖2）。在給排水專業智慧化轉型中，不同的培養階段都應針對性地進行知識點的重構和課程體系的優化。

圖2 智慧水務模塊課程體系

在通識課程環節，可開設相關課程，如“計算機數據分析方法”“數據結構與數據庫”等。教師應優化目前程序設計類課程的教學內容，著重培育學生利用開源信息解決程序問題的能力；為解決現有計算機原理過于基礎的問題，著重培養學生利用計算機工具解決專業問題的能力，提高其對各種通用工具軟件的熟悉度，為學生后續學習其他智慧水務領域課程奠定堅實的基礎。

在專業基礎課程環節，一方面應重視培養學生對專業工具軟件的應用能力。可適當增加“BIM 技術”“GIS 技術”等課程或知識單元，提升學生對設計圖紙三維模型化的呈現能力。此外，教學過程要善于利用案例、圖形庫、輔助工具等，提升學生的繪圖效率和質量。另一方面應提高學生對數字化建模及仿真模擬的認知，進而培養知識運用能力。以“水文學”課程中的水文模型為例，需新增對實際水文模型進行虛擬仿真的知識模塊，使學生對理論模型的實踐應用有更深的認知。在“水力學”和“流體機械”課程學習中，教師可利用CFD 仿真模擬提升學生對課程知識點的應用能力。同時，考慮到水系統的數字化轉型需求，未來將有大量水系統借助數字孿生技術實現對水廠的信息化管理，因此，應增加有關數字孿生、智慧水廠等方面的內容，幫助學生了解行業動態，提高學生適應行業發展的能力。

在專業核心課程環節，重點培養學生利用數字化手段解決實際問題的能力。由于這一階段的知識密度較高，不可能大幅度增加知識體系的內容，因此，可適當增加數字化仿真、模擬等內容，進而有效提升學生對智慧水務的理解和操作能力。

在專業拓展課程環節，可通過對缺失的關鍵知識點進行課程植入及選修課程的設置等方式，培養具備專業能力和信息技術能力的復合型人才。植入的課程內容與原有教學內容有機結合，同時穿插實踐案例，形成遞進式的模塊化教學。在這一階段的培養中，課程設計周和其他實踐教學環節（如認識實習等）是最為核心的，因此，改變單純地采用工藝設計的模式為以數字化導向設置設計任務。例如，泵站設計中重點立足泵組數字化節能、管網設計中植入大數據應用案例、水廠設計以BIM（Building Information Modeling）形式呈現成果等。每個階段都注重對學生數字化能力的培養，最終使學生達到具備解決智慧水務工程實際問題的能力的教學目標。

考慮到學時有限和任務繁重的現狀，教師應在實際教學過程中對智慧化的知識點有的放矢。首先，智慧水務模塊對專業軟件的操作應用需求比較高，應在核心理論教學階段增加對這些專業軟件的理論知識教學，為后續的系統化軟件教學打下基礎。其次，針對智慧水務對數據處理方面的能力需求，教師應在專業基礎教學階段進行基本的數據處理教學，如“數據挖掘”“機器算法”等需要深度學習的課程可作為選修內容進行教學，給學生提供更大的選擇空間。最后，除教學方面的變化外，在課程設計及畢業設計中應添加關于仿真模擬及數據處理的內容，使學生能夠對新增的智慧化教學內容進行實踐應用。而在實習階段，高校應豐富校內外實習實訓基地類型，確保智慧水務實踐教學的順利開展，新增的知識點應有對應的實習實訓基地，以提高對學生實踐能力的整體性培養。

三、實踐教學考評體系構建

（一）實踐教學考評體系的構建及特點

傳統的給排水專業實踐教學考評體系主要以實驗結果、設計圖紙的質量及說明書中的計算過程等作為評價依據，整體的考評過程呈現出靜態化的特點，注重結果但忽略了過程中學生實踐能力的體現。雖然一些高校開始采用過程性考評體系，但仍缺乏量化標準。因此，智慧水務教學模塊的考評體系構建應基于過程性考核機制，以評促學。

智慧水務模塊應采用分階段的考核方式，不同的知識點對應的考核重點也應有所不同。對于通識課程的考核，可以增加一些過程節點；對于在傳統課程基礎上延伸出來的課程體系可以增加過程性考核。在對數據的分析處理能力及相對應的計算機操作能力的考核的基礎上，注重數據處理使用的方法及最終的結果呈現。對于專業基礎課程的考核，可以借助模型，如針對模型參數的不同選擇所帶來的導向性差異進行系統性評價。對于專業核心及拓展課程，可以進行全過程評價和考核，通過提供智慧化水系統案例，設置不同節點進行階段性考核，匯總后形成整個項目的決策情況，考核學生對信息化水務系統的決策分析能力。基于智慧水務模塊實踐教學的考評體系，是一種連續式、接力式的考評體系，從通識課程到專業基礎課程，再到專業核心課程，環環相扣，最終形成一個完整的任務鏈，指向解決智慧水務實際問題的能力目標（圖3）。

圖3 智慧水務模塊實踐教學考評體系

（二）實踐教學考評體系的跨學科評價

智慧水務模塊教學中需要大量融合計算機、信息管理等專業內容，這部分內容的考核需要給排水專業課教師與計算機專業課教師進行跨學科合作，結合兩個專業的教學目標進行綜合性考核目標及內容的確定。對于仿真建模內容的考核，可以以項目為出發點，采用綜合評價機制，通過案例、成果等多種方式進行評價。

智慧水務模塊實踐教學課程體系與考評體系的構建，是一個全新嘗試，通過數字化、智慧化知識點的植入，將智慧水務模塊同原有課程體系進行有機結合。考核的結果為智慧水務教學建設提供反饋信息，有利于實踐教學的不斷提升，而考核方式的多元化也使學生的應用能力有所提升，最終培養出具有新工科思維的符合智慧水務市場需求的復合型人才。

四、結束語

高校作為專業人才培養的重要平臺，在人才培養目標上要契合行業的發展。通過給排水專業實踐教學體系的改革，構建智慧水務模塊，培養學生的信息化能力以滿足智慧水務市場需求。實踐教學體系及考評體系的構建是實現智慧水務模塊教學的關鍵。高校應研究目前已經構建的相對完整的智慧水務實踐教學課程體系及對應的考評體系，并對新的人才培養體系進行修正和優化，在不斷的實踐中完善人才培養方案，以滿足行業發展帶來的不同需求。