服務石化行業的水污染控制工程課程設計教學改革與實踐

朱小彪，胡翔，員榮平，張婷婷

(北京化工大學，北京 100029)

0 引言

本科生工程能力的培養是高等院校工程教育的重要內容之一，而課堂教學是培養學生工程意識、工程能力、工程實踐的重要陣地[1-2]。水污染控制工程課程設計是環境工程專業實踐環節的核心課程之一，是培養學生將理論知識應用到工程實踐的重要環節，有助于加深學生對水處理的基本原理、基本工藝、典型設備與構筑物的掌握與運用，為學生適應未來工作挑戰打下堅實基礎[3]。

化工行業環境保護是我國新時代生態文明建設和社會高質量發展的重大需求，培養具有化工環境保護專業知識的高素質人才是化工行業院校環境工程專業的重要任務之一。化工行業廢水具有污染物濃度高、水質水量變化大、處理工藝復雜等特點，培養學生設計滿足相應標準的廢水處理單元或工藝具有一定的挑戰性，但也有利于提高學生解決復雜工程問題的能力。本文以實際化工廢水為水污染控制工程課程設計的教學案例，在教學過程中著重進行教學內容、教學方法、教學效果評價的改革與實踐，取得了良好的教學效果。通過以上課程改革與實踐充分調動了學生的能動性和積極性，對工程能力的培養以及課程設計的學習起到了積極的促進作用，其研究思路如圖1 所示。

圖1 水污染控制工程課程設計教學改革實施路徑

1 課程設計教學的問題與不足

1.1 課程設計與理論知識脫節現象依然存在

環境工程專業水污染控制工程的課程教學由“認識實習、理論學習、專業實驗、課程設計、生產實習”各個環節組成。其中，理論知識教學是將完整的水處理系統拆分成獨立的單元展開，如混凝、沉淀、過濾、好氧處理、厭氧處理等單元，而課程設計與此相反，需將各個水處理單元組合成一個完整的水處理系統。在此過程中，學生普遍感覺課程設計學習難度大，表現為缺少創新意識及工程思維，機械照搬參考書工藝，在未明確處理對象時盲目選擇處理單元，處理單元先后安排不合理等問題，其原因在于學生未做到對理論知識的有效綜合，無法實現用理論知識解決復雜工程問題[4-5]。

1.2 學生解決復雜工程問題的能力培養仍有不足

復雜工程問題必須運用深入的工程原理并經過縝密分析才可能得到解決，它涉及多方面技術、工程和其他因素，部分解決方案甚至尚未有相應的工程標準和規范[6-7]，因此解決復雜工程問題需要較高的綜合能力。在現有的教學模式下，學生從教師給出的題目中選題進行設計是水污染控制工程課程設計的主要形式，因此設計具有一定復雜度的題目是教學的關鍵。相對而言，城市污水處理工藝流程較簡單，較少用到水處理領域較前沿的工藝技術，例如膜處理技術、高級氧化技術、深度處理技術等，無法體現工程問題的復雜性。在今后工作中遇到較難處理的廢水往往感到無從下手，因此有必要在課程設計中提高難度，選擇較難處理的化工行業廢水作為設計題目。

1.3 課程設計考核評價方式仍需持續完善

通常，水污染控制工程課程設計由3 ～4 人分組完成一個案例題目，其考核評價分為過程評價和設計成果評價，分別以出勤率和設計說明書及圖紙質量為評分依據。這容易導致部分同學在課程設計中并未參與或者僅參與少量工作，并且設計說明書和圖紙存在抄襲現象，不符合以學習成果為導向的OBE 教育理念[8]，因此，應改變簡單的考核方式。教師應深度參與學生的課程設計過程，將監測點由說明書和圖紙前移，進行學生設計過程記錄，使學生在課程設計中既進行團隊合作又保持獨立性，使每個人都能獲得有效訓練。

2 教學改革實踐的路徑探索

2.1 強化課堂教學工藝結合，突出化工廢水處理特色

2.1.1 推進理論課堂工藝綜合

在水污染控制工程理論課堂上，在講授單元處理技術時，增強學生對所學單元在水處理系統中的作用與定位的理解，體現知識的綜合性。(1)在講授單元技術時，除幫助學生理解單元技術的原理和工藝設備外，舉例說明該單元在水處理系統中的作用和工藝位置，強調處理的對象污染物以及適用場景；(2)理論課學習過程中，增設課下項目設計作業，要求學生分組完成給定的化工行業廢水的處理工藝流程，給出相關設計依據并說明各工藝的主要目的，并要求學生在課堂上進行展示。

2.1.2 加強工藝設計案例教學

在理論課中增加工藝設計案例，該類案例學習既在單元學習中進行，又在單獨設立的2 學時左右的設計專題中進行。另外，在期末考試中增加典型化工廢水處理工藝設計的綜合性題目，占總分值的20%。通過在理論知識學習中強化工藝設計，使學生打破孤立思維，理解水處理工藝的系統性和整體性，為課程設計打下理論知識基礎。

2.2 凝練化工廢水處理案例，提升“真實工程體驗”

2.2.1 充分運用化工行業廢水案例開展課程設計教學

課程設計應避免憑空臆造案例。在教學過程中，水污染控制工程課程設計教研組依托學校為化工行業特色院校的優勢，與化工、石化和能源企業緊密聯系，搜集企業廢水處理需求信息，篩選符合課程設計的題目，并與企業技術人員探討設計條件，最終形成具有實際背景的教學案例。

為使學生充分應用所學的理論知識，設計題目盡可能覆蓋一級處理、二級處理和深度處理為培養學生解決復雜工程問題的能力，應避免以生活污水或簡單處理可達標的廢水為設計案例。選擇的課程設計案例應滿足：(1)需同時應用一級、二級和深度處理工藝；(2)盡量選擇高鹽、高氨氮、高有機物含量的“三高”化工廢水；(3)處理要求一般應達到特定回用標準或“零排放”程度；(4)兼顧傳統工藝與新工藝，例如對廢水深度處理后要求達到回用標準，則需要學生將高級氧化工藝與生物處理工藝進行聯用。

2.2.2 有效發揮外聘行業專家工程實踐優勢

為彌補專業教師工程經驗的不足，教研組聘請化工設計院或具有化工廢水處理工藝設計經驗的一線工程師擔任外聘專家。在課程設計開始前，外聘專家提煉實際工作中遇到的合適項目作為備選設計案例，對設計任務書提出修改意見和建議；在設計過程中，以集中授課和個別指導相結合的方式給學生講解課程設計說明書的規范寫法、工藝圖紙的深度、工程概預算的編制方法等；作為專家參與課程設計成果的答辯和評分。外聘專家將豐富的實踐經驗帶入課程，有助于提高課程設計質量和培養學生工程能力。

2.2.3 不斷優化工藝設計提升學生工程實踐能力

化工行業廢水水質復雜、污染物種類多，在課程設計中，學生應首先進行初步工藝設計。在這一階段，學生應重點分析題目的設計難點與設計重點，進行兩套以上的工藝技術比選，以達到水質排放要求為首要考慮因素。其次，學生應著重考慮除處理達標外的諸多因素，例如工藝經濟性、替代工藝優缺點、操作簡便性、運行穩定性、工藝綠色性等，來進行綜合分析，選定設計工藝。最后，學生編制計算說明書，詳細計算各個單元的設計參數，并繪制設計圖紙。

在此過程中著重訓練學生以下能力：(1)對化工行業廢水復雜程度的判斷能力。化工廢水與城市生活污水有很大不同，通過引導學生利用掌握的基礎知識從化學工藝角度出發分析廢水中的主要污染物，判斷污染物的可生化降解性、生物毒性、廢水中賦存濃度、可能的去除技術等[9-10]。其有利于提高學生對化工行業廢水污染程度的判斷力，為從事實際工作打好基礎。(2)水處理工藝優化比選的能力。工藝比選是水處理工藝設計的重要內容，通過對同類型的不同形式的工藝單元進行優化比選，使學生在反復推敲琢磨中鞏固水處理的理論知識，有利于培養學生形成獨立的水處理工藝設計思想，避免照搬教材和參考書。通過以上教學改革，使學生對化工行業水處理有了更深入的認識，并深化了對水處理構筑物原理、結構等知識的掌握，縮短了課堂學習與實際工程設計的距離[11]。

2.3 注重設計過程評價，完善考核評價方式方法

2.3.1 堅持問題導向，明確考核內容

作為設計成果的主要展現形式，設計說明書和圖紙能夠體現學生課程設計的創新能力、問題解決能力，因此課程改革對設計說明書的計算過程、工藝比選、技術經濟分析均做了詳細規定，設計圖紙要求畫出廠區平面布置圖、主要處理單元結構圖，并按照設計圖紙標準規范繪制CAD 圖。為避免出現雷同設計方案，要求每組學生的兩個工藝之間有兩個主單元為不同形式。

2.3.2 堅持目標導向，突出過程評價

借鑒工程教育認證的OBE 理念，對學生學習效果進行重點監測和記錄[12-13]。學生需與任課教師充分討論工藝選擇依據，教師認真記錄與每位學生的討論過程；在計算過程中，與每位學生進行一到兩次討論，記錄學生計算過程的準確程度與設計參與度；在圖紙繪制過程中，教師與外聘專家共同指導學生繪圖，并進行過程記錄。在考核評價中增設答辯環節，學生將設計成果通過PPT 展示，教師與其他同學進行質疑和提問，答辯表現計入總成績，該方式顯著提高了學生的積極性與認真程度。

3 結語

在新工科建設的新時代背景下，應充分重視實踐類課程對培養學生工程能力、銜接理論教學與工程實踐的重要作用[14]。水污染控制工程課程設計堅持以學習效果為中心，以培養學生工程能力為導向，通過優化案例選題、突出行業特色、引進外部資源、改進教學方法、創新評價考核等改革措施，培養具有良好工程素養、具有解決復雜工程問題能力的復合型專業人才。