“水污染控制工程”課程建設與教學改革探索

陳 一，何 強，許 勁

（重慶大學 環境與生態學院，重慶 400044）

引言

水是生命的源泉，工業的血脈，城市的命脈。隨著我國生態文明建設、美麗中國建設等重大戰略的全面推進，對水環境質量提升，特別是水污染防治提出了新的要求。《中華人民共和國水污染防治法》的頒布與修訂，強化了水污染控制領域相關人才知識能力培養的重要性與緊迫性，應將水污染控制相關課程納入高等教育、職業教育和技術培訓。“水污染控制工程”是一門采用科學和工程技術的方法，解決與污水處理及回用相關的問題，并最終以與環境、生態、社會和經濟相適應的方式保護水環境、水資源和公共健康，維持社會和經濟可持續發展的學科。“水污染控制工程”是環境工程專業的必修核心專業課程，緊扣國家生態文明建設和環境保護需求，具有理論與工程實踐并重特性，堅持立德樹人，遵循以學生發展為中心的教育理念［1-2］。因此，如何提高“水污染控制工程”教學的育人質量，是適應新時代高等教育立德樹人新要求的重要課題［3］。

一、“水污染控制工程”課程教學面臨的主要問題

在生態文明建設需求與新工科建設背景下，水污染控制工程面臨著新挑戰，水環境問題呈現系統性、復雜性，綜合治理難度遠超以往，再加上課程的實踐性、綜合性與學科交叉特性，沿用傳統教學模式，學生難以掌握水污染控制的系統性知識，制訂處理工藝方案和系統解決方案的能力較弱。在課程教學中亟待解決的重點問題有以下幾方面。

（一）課程教學目標不完整

水污染控制工程包含控制理論與控制工程兩部分，在教學中應做到理論與工程實踐并重，讓學生能夠運用其理論和方法解決環境領域面臨的復雜工程問題。然而，目前本課程教學目標存在兩極分化的現象，理科類院校重理論輕實踐［4］，工科類院校重實踐輕理論，均不利于新工科建設背景下復合型工程科學人才的培養。

（二）課堂內容滯后于科技發展

現代科技發展迅速，水污染控制新原理、新技術層出不窮，規范標準更新速度快。然而，目前使用教材內容普遍滯后，與國家重大需求、世界科技前沿存在代差，理論與實踐脫節；課堂理論學時普遍壓縮減少，知識碎片化現象日趨嚴重［5］。

（三）實踐教學系統難以激發學生的創新潛能

課程設計和實驗教學是“水污染控制工程”課程教學的重要環節，但學生對實際工藝理解不深，難以將設計理念與工藝運行有效結合；實驗教學體系在規范操作層面成效顯著，但缺乏綜合訓練和創新訓練，難以激發學生的創新意識。

二、課程教學改革思路

（一）明確適應工程教育專業認證的教學目標

工程教育是我國高等教育的重要組成部分，工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是培養與社會相適應人才的基本路徑［6］。“水污染控制工程”課程作為環境科學與工程專業本科教學的專業主干課程和必修課程，培養學生作為水處理工程師的專業素養，掌握水污染控制領域的基本理論、專門知識和基本技能，熟悉并能正確運用水處理工程設計的相關標準、規范與手冊，具備水處理工藝設計計算與圖紙繪制的能力，為學生能夠順利完成畢業實習、畢業設計，并開展污水處理相關的科學研究奠定堅實的基礎。

（二）完善并更新課程內容

根據學科最新發展趨勢和專業人才培養目標，定期修訂教學大綱和考試大綱，更新知識體系，確保課堂教學內容的先進性和前沿性［1，7］；注重經典與現代銜接，結合國家重大工程，通過案例研討，將最新科研成果及前沿科學問題融入教學，開闊學生學科視野，激發學生的求知欲望和探索精神；結合國內外專業教材、專著及國內外最新研究成果，增加污水處理碳中和與能源回收等內容，提高課程的高階性和挑戰度；有機融合課程思政內容，促進學生價值塑造的同頻共振，提高學生的學習獲得感和素養能力，形成“知水、樂水、愛水”的“水污染控制工程”課程的核心價值觀。

（三）構建現代化信息技術教學系統

構建基于虛擬現實技術（AR）和App（雨課堂、藍墨云、問卷星、Adobe Connect）等現代化信息技術教學系統，通過學院國家實驗教學示范中心虛擬仿真實驗室讓學生對污水處理流程及各工藝設備構造進行情境體驗型學習。利用現代化信息技術實現云班課、翻轉課堂、移動教學及智能設備教學等，讓學生形成帶著問題進課堂的思維模式和行為習慣。針對課程重點和難點，充分利用教學互動過程中生成的數據信息進行智能化系統分析、聯動分析和對比分析，驅動智慧教學不斷優化與完善，讓課程教育完成從“經驗互動”到“數據互動”。

三、課程教學改革探索

（一）完善課程教學目標

在國家深化教育改革的背景下，教育模式由工程技術型逐漸向工程科學型轉變，科學與工程并重，培養能夠融合科學發現與工程技術的工程科學人才是本課程的人才培養目標。本課程在傳統上是培養學生作為水處理工程師所需的專業素養為目標。隨著社會對科學能力與創新人才的需求，工程教育將科學研究能力與素養也納入了專業認證的畢業要求當中，以期通過課程的開設為污水處理領域相關的學術研究奠定基礎。因此，通過本課程的學習，應使學生具備以下能力：（1）通過對水污染控制專業技術方法與工程知識的學習，掌握水污染控制工程的典型技術原理，認識水污染防治工程問題的復雜性，通過水污染控制系統方案比選與工藝設計，能夠將理論知識用于水污染治理領域復雜工程問題的新技術開發和工程設計；（2）在水污染控制領域，夯實學生應用數學、自然科學和環境工程的理論基礎的能力，結合課堂實驗，發現、識別、描述、判斷并定性定量分析典型水處理領域的關鍵性問題，理解實驗研究在水污染控制過程中的意義和作用，并具有水處理技術方法的科學實驗設計與研究能力；（3）了解社會需求、國家政策和法規，熟悉水污染控制相關標準及規范手冊，能根據復雜的水污染控制工程問題的目標，提出有針對性的設計/開發方案，尤其是新型城鎮化過程中的水污染控制復雜問題中的系統、單元或工藝流程設計方案；（4）結合相關工程背景知識，優化水污染控制方案與工藝設計，降低或避免水污染控制工程設計、建設與運行管理過程對社會、健康、安全、法律以及文化的影響［8］。

（二）優化課程教學知識結構與內容

針對環境專業的學生，開展學習特征的調研工作，通過多方位的結果分析，全面了解學生的公共基礎和專業基礎知識儲備以及學習需求；深入分析政府部門、行政單位、事業單位、設計院、企業及科研院所需要的人才在本課程的知識內容、工程技術能力及綜合素質方面的具體需求；梳理并分析本課程的知識點與環境科學與工程學科下其他公共基礎課程、專業基礎課程知識點的互補性與教學進度的銜接，確定本課程的知識結構需求及統籌布局。從以下三方面系統分析其知識點互補性及交叉關聯性，優化并重構符合本專業課程特點的“水污染控制工程”教學內容體系：（1）現有課程教材《水污染控制工程》、《排水工程（下）》（第五版）等教材的具體知識點；（2）公共基礎課程“高等數學”“大學化學”等各課程中的基礎理論知識點；（3）環境學科下“畫法幾何”“工程制圖與計算機繪圖”“流體力學”“物理化學”“環境監測”“環境工程微生物學”“環境工程原理”“排水管網與泵站”“工程力學”“工程地質與水文地質”“環境水化學”等專業基礎課程中支撐的本課程基礎知識點。針對環境專業的學科特色、課程特點、就業需求與專業人才培養目標，系統分析前序各課程知識點在本課程理論與實踐教學內容的銜接與交叉情況，合理安排課程知識框架設計方法，按照水污染控制工程“理論—方法—技術”為遞進邏輯主線，以“緒論、反應器理論、均化、固液分離、化學混凝、吸附、活性污泥法、生物膜法、污水生物除磷脫氮與再生水回用、污泥處理與處置”為主要課程教學內容，補充污水處理碳中和與能源回收等國家重大需求與國際學術前沿相關內容，對教學大綱中的知識框架進行優化，并完善其框架下的教學要求與知識點，修訂教學大綱。

（三）創新教學組織實施

“水污染控制工程”理論教學按照2學時課堂教學節奏進行課程內容設計，以污水處理理論與工程技術的基本原理為起點，按照典型水污染、水質指標、水污染控制的物化和生化原理、技術措施和設計計算為主線，引導學生對課程內容進行學習和研討，重點指導學生制定工藝方案，幫助學生掌握水污染綜合分析和全流程質量控制。通過問題導向式教學和研究型學習，讓學生成為主動學習者，提高學生教學參與度；通過理論與實踐教學有機融合，培養學生分析復雜環境問題的能力與實踐創新的能力；結合相關的工程案例，做到追根溯源，培養學生發現問題、分析問題并解決問題的能力，激發學生的學習興趣；分析突發水環境污染，培養學生的環保情懷和奉獻精神；定期邀請行業專家進課堂，培養學生的工程師職業素養。在課堂外，利用網絡平臺以多種貼近學生的方式進行學習資源的推送和課外指導，將課程內容延伸到課外，激發學生的探索欲望和創新精神；通過需求導向開設專題講座，引入水處理前沿技術。

（四）打造“智慧+專業課”新模式

針對教學中學生對污水處理工藝及構筑物難以建立“立體化”系統思維，造成對實際構筑物與工藝理解不深的問題，可通過開發虛擬仿真軟件系統平臺，進行線上教學。通過虛擬現實技術實現水質分析軟件、大型分析儀器、典型污水處理廠、單體構筑物及泵3D素材等“可視化”教學，同時利用工程設備展示相結合開展“體驗式”教學，讓學生“身臨其境”。針對專業教學模式存在的“一對多”，上課教學節奏主要通過教師經驗判斷的問題，通過使用現代化信息技術教學系統（雨課堂、藍墨云、問卷星、Adobe Connect）等，可線上支持課堂隨測，時刻關注學生的學習進度，實現多人高效互動、答疑彈幕及大數據分析等，助理教學過程從“經驗互動”到“數據互動”，實現對傳統課程教學環境的智慧賦能。

（五）建立綜合考核評價體系

傳統教學考核僅注重結果管理，導致學生也普遍只注重理論知識的掌握，靠考前臨時復習應對考試，往往考試結束后對所學知識迅速遺忘。課程應理論與實踐并重，采用“過程性評價”考核方式，注重學習效果和實踐能力的綜合測評。理論課程成績由作業與課堂研討（30%～40%）、理論考試（60%～70%）組成，課程設計與專業實驗成績采用等級制單獨計算。通過作業和課堂研討，考查學生識別、描述、分析及表達環境問題的能力；通過理論考試，測評學生在專業知識應用及分析解決復雜水環境問題的能力；通過課程實驗、課程設計與實習，衡量學生整合反思和團隊協作溝通交流的能力。通過考核方式的改革與優化，建立反饋學習效果的全生命周期評估體系，加強了對學生綜合能力的系統化考核，提升學生對所學知識的全面掌握和深度理解。

結語

在國家全面推進生態文明建設、美麗中國建設等戰略部署下，水污染防治受到高度重視。“水污染控制工程”課程作為高等院校環境類專業本科教學的主干課程之一，其建設與改革方向應以適應未來水污染控制相關的工作崗位能力需要的工程科學人才培養為主線，加強傳統課程教學環境的智慧賦能，以多方位的課程教學改革為依托，激發學生探索欲望和創新精神，全面提升學生的水污染控制知識掌握、專業技術能力與科學素養，塑造“知水、樂水、愛水”的水污染控制課程的核心價值觀，培養具有良好的科學素養、具備解決水污染控制工程關鍵性復雜問題的工程科學人才。