新工科背景下教學創新設計與實踐

郭剛 周愛姣 苗蕾 馮曉楠 任擁政 王宗平 姜薇

摘? 要：水質工程學（二）是給排水科學與工程專業本科生的必修核心課程，與我國生態文明建設重大戰略需求緊密相關，課程改革對培養解決復雜工程問題和適應新時代專業需求的卓越拔尖人才具有重要意義。針對傳統課程教學的問題和痛點，該課程圍繞教學改革與創新的目標，堅持多維度創新與持續改進，包括課程思政融入日常教學；教學內容立足國家需求，聚焦學科前沿，注重學科交叉；教學方式上采用啟發互動性的教學方法；充分發揮“雙師型”“雙導師型”的教師團隊優勢；采用多元化的教學評價體系，多維度考評教學效果。該課程創新特色明顯、成效顯著，經行業評價和實踐檢驗，創新成果具有較強的輻射推廣應用價值。

關鍵詞：新工科；水質工程學（二）；給排水科學與工程；教學創新；教學內容

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）05-0086-04

Abstract： Water Quality Engineering （II） is one of the basic courses in the major of Water Science and Engineering， which is closely related to the major strategic needs of our country's ecological civilization construction.The course reform is important for cultivating the outstanding and top talents who can solve the complex engineering problems and meet the professional needs. Aiming at solving the problems of traditional teaching， this course focuses on the goal of reform and innovation， and perseveres multi-dimensional innovation and continuous improvement. The study mainlyintegrates ideology and politics into daily teaching， the content meeting the national needs， focusing on the frontiers of disciplines and paying attention to the intersection of disciplines. It encourages enlightenment and interaction during teaching， takes advantages of the "dual-teacher" and "dual-tutor" and adopts a diversified teaching evaluation system in multiple dimensions. This study has obvious innovative features and remarkable results， which has been highly recommended by peers， and the achievements have strong promotion value.

Keywords： new engineering; Water Quality Engineering （II）; water science and engineering; innovation; teaching content

人才是國家發展的動力，而高校是培養專業技術人才的搖籃。隨著新一輪科技革命和產業變革加速演進，大國競爭愈加激烈，中國迫切需要培養創新創業型新工科人才以應對未來的挑戰[1]。2017年起教育部高等教育司發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》[2]，啟動新工科建設，強調各高校應加快我國工程教育改革，發揮工程科技創新和產業創新主體作用[3]。在新工科背景下，高校應在圍繞如何培養具有良好的思想品德和文化修養、專業理論基礎扎實、工程技能突出、富于創新意識、國際視野和大工程觀的卓越人才方面，及時調整人才培養方案、強化學科交叉教學內容、構建課程“兩性一度”和創新教學設計與實踐[4]。

給排水科學與工程專業（以下簡稱給排水專業）已被列入新工科專業，對緩解水危機和建設生態文明負有歷史責任，已瞄準水資源、水安全、水生態和水環境的國家重大戰略需求，從水的社會循環角度觀察和研究問題[5]。水質工程學（二）是給排水專業本科生必修專業核心課程，其課程內容較多，概念抽象，對學生在物理、化學、流體力學、微生物學及數學等方面的基礎要求較高。然而，傳統的課程教學存在課程思政元素不充分、教學內容較傳統、互動討論不足和工程實踐教學較弱等問題[6-7]，難以達到培養兼顧工程實踐與創新研究能力的新時代卓越人才。

聚焦新工科內涵、國家重大需求和國際學術前沿，本文針對傳統課程教學的問題和痛點，有針對性地進行課程教學創新改革，探討了課程建設新途徑，以期培養具有適應新工科教育背景的給排水專業復合型人才的培養需求。

一? 課程的定位與內容

華中科技大學給排水專業的水質工程學（二）課程包括理論授課 64學時，實驗部分22學時，課程設計2周。通過本課程的學習，使學生全面系統地了解污水的水質特征與水質指標、水體污染及危害與自凈等基本概念與理論；掌握水的物理、化學、生物處理方法的基本概念、基本理論；扎實掌握污水處理工藝的技術特點、應用條件及其設計計算方法，培養學生具有設計、計算各種物理、化學、生物處理構筑物和工藝系統的初步能力；了解污水的物理、化學、生物處理方法的新工藝與新技術，為將來從事本專業的工程設計、科研及運行管理工作等奠定必要的理論和應用基礎。

二? 教學創新重點解決的痛點問題

生態文明建設是關系中華民族永續發展的根本大計，“雙碳目標”和“美麗中國”目標的實現需要更多具備解決復雜水環境問題的給排水科學與工程專業創新型卓越人才。水質工程學（二）是給排水科學與工程專業本科生必修專業核心課程，隨著國家在水資源、水環境、水生態和水安全領域對給排水專業人才提出更高要求，水質工程學課程體系需進行創新改革，啟發學生自主創新思維，開闊專業知識面，拓寬國際視野，強化理論教學與實踐教學協同育人模式，培養兼顧工程實踐與創新研究能力的新時代卓越人才。要達到以上培養目標，必須解決水質工程學（二）課程傳統教學中普遍存在的以下痛點問題。

（一）? 課程思政融入生態文明建設的元素不充分，學生學習內生動力不足

未能充分發掘我國生態文明建設的國家戰略所蘊含的思政元素，學生對我國水資源、水環境、水生態和水安全領域的現狀、面臨的挑戰、未來發展方向了解不充分，對碳達峰、碳中和的“雙碳目標”和“美麗中國”建設的重要意義認識不深入，服務我國生態文明建設的責任感和使命感還未被充分調動。

（二）? 教學內容較傳統，未體現學科交叉與行業發展趨勢

傳統教學局限于“土木工程”的專業范疇，教學內容更新不及時，與國家的水環境治理需求結合不夠緊密，教材知識點未體現國內外行業發展趨勢。現狀教學內容的高階性、創新性、挑戰度待完善，已不能滿足新時代學生培養多元化的需求，導致學生學習積極性不高。同時，隨著各學科的發展，專業面臨學科交叉不深入，難以培養復合型人才的困境。

（三）? 傳統課堂“重灌輸”“輕啟發”，互動討論不足，學生參與度低

在傳統灌輸式教學中，教師是課堂的中心和主導者，學生被動接受知識為主，教學互動討論不足；學生注意力易分散，低頭玩手機現象常見，課堂參與度低，生-生互動、師-生互動需加強。教師引導學生利用信息化技術進行專業學習的力度不大，學生缺乏學習的主動性和探索性，以學生為主體的啟發式教學還需強化。

（四）? 重基礎理論教學，輕工程實踐教學

水質工程學（二）是一門實踐性極強的專業核心課，傳統模式下，受實驗學時、場地、設備等條件制約，傳統教學主要采用理論知識點的講解結合案例分析的方式，綜合實驗和實際工程實踐較少，學生對于知識的理解往往停留在表面，很難深入理解知識之間的內在聯系，難以用課堂知識去解決實踐中遇到的實際問題，工程實踐能力較弱。

三? 課程教學改革與創新

（一）? 教學創新思路與舉措

針對以上課程教學存在的問題和痛點，本課程教學團隊以思政引領、知識傳授、實踐指導的教學目標和專業人才培養的目標，制定了課程教學創新思路與舉措，具體如下。

1? 課程思政融入生態文明建設，增強建設美麗中國的責任感和使命感

水質工程學（二）課程與思政教育相融合，實現知識傳授、能力培養與價值建構的統一，將人與自然和諧共生的價值理念和科技引領生態文明建設的科學精神融入專業課程教育。課程組全體教師通過黨委系列思政引導、紅色教育基地思想教育、課程思政優秀院校交流學習等系列培訓，提升思政育人能力和水平；并積極參加課程思政教學競賽，獲課程思政教學競賽一等獎；課程結合國家和行業政策導向，充分挖掘碳達峰-碳中和、美麗中國、科學家工匠精神等思政元素，提升專業育人目標，豐富教學大綱思政內涵，形成課堂教學、實踐教學相互融合的育人路徑，增強學生對建設美麗中國和構建綠色水系統的責任感和使命感。

2? 立足國家需求，聚焦學科前沿，注重學科交叉，更新教學內容

結合國家生態文明建設和長江經濟帶發展需求、水處理行業發展趨勢，緊扣水生態、水安全、水環境發展戰略和學科前沿，對標新工科建設，調整教學內容與知識結構，將流域水環境治理、智慧水務、新型污染物控制和綜合管廊等熱點內容融入教學，擴大知識深度和廣度，體現前沿性和挑戰性。同時，凸顯多學科交叉優勢，融入現代信息技術、水工業發展與創新技術理念，強化學生適應專業新需求的能力。

3? 創新教學設計，激發自主學習積極性

教學設計中以“研究創新”“工程應用”為主線，根據專業課程理論性與應用性特點，分別制定“研究型”和“應用型”的教學方案，如圖1所示。

“研究型”教案可基于三明治教學法，開展主題研討及經典案例分析，引導學生主動學習；通過主題討論、分組展示、翻轉課堂和教師點評的形式，使講授形式靈活，以學生為中心，啟發和帶動學生探索新的知識領域。

“應用型”教案采用PBL開展工程案例引入式教學，采用“問題導入-理論教學-案例實踐-創新提升”教學模式，讓學生從學習實際工程案例過程中掌握專業知識，領悟工程實踐的要點，構建“認知分析—工程實踐—研究創新”三級漸進式培養體系。

同時開展線上線下相結合教學模式，利用網上慕課、超星學習通平臺、虛擬仿真實驗室、微課、TED開放式課程和學術網站等多種資源，以培養學生的自主學習能力為目標，激發學生學習積極性，讓“學生”成為學習的主體。

4? 搭建“科教融合-校企協同-國際合作”教學模式，培養綜合性人才

創新實踐教學環節，建設“科教融合”“課賽結合”實踐教學創新平臺，使得學生工程實踐能力明顯提升。構建智能水處理綜合創新實驗平臺，開展設計性、創新性、綜合性實驗，通過實驗教學加強理論知識。聯合行業頂尖企業，建立50余家實習教學基地，開展現場教學和生產實習。聘請60余位知名企業導師，構建實踐教學“雙導師制”，創建業界導師庫，分享復雜工程問題解決方案，編制設計參考圖冊，指導課程設計，強化“校企協同”育人模式。拓寬學生國際視野，組織學生赴海外實習、開展聯合培養，先后與美國、德國、日本、荷蘭和新加坡等國家和港澳地區的5所大學、研發機構、知名企業建立了全方位的人才培養、學術交流、科研合作關系；聘請國內外知名專家講授學科前沿。

5? 構建三級漸進式工程創新能力培養體系，提高工程實踐能力

以學生能力培養為目標，強化基礎理論與實踐教學的協同作用，幫助學生實現從具備專業基礎理論知識→工程實踐和科技創新能力→綜合素養的提升，逐漸形成解決水處理領域復雜工程問題的能力。發揮“雙師型”師資優勢，讓既有工程實踐又有基礎科學研究背景的教師，對青年教師傳、幫、帶，強化工程應用教學，建立“專業理論教學—實驗教學—課程設計—課程實習” 漸進式水質工程學（二）教學模式；構建“認知分析—工程實踐—研究創新”的三級漸進式工程創新能力培養體系，如圖2所示。

（二）? 教學環境創設

1? 智慧教室及工程訓練中心

華中科技大學為滿足理論教學中PBL、三明治、交互討論、多視窗互動、3D虛擬演示和創新實踐等教學方法的實現，利用了新型現代化智慧教室推進信息技術與教學過程深度融合；同時綜合利用學校工程訓練中心及智能制造實踐平臺，為本課程污水廠課程設計提供強有力支撐。

2? 水處理綜合創新實驗平臺

為實現從理論-實踐-創新的教學目標，利用建成的OBE模式“水處理綜合創新實驗平臺”，新增綜合型、設計型、創新型教學實驗10余個。水質工程學（二）課程包含22學時實驗教學環節，依托建設部給排水重點實驗室、湖北省環境與建筑實驗教學示范中心等平臺支持，由2名課程團隊教師和4名專職實驗室高級工程師負責實驗教學，其中污水綜合設計實驗由學生自主設計、運行反應器、分析數據，從而夯實理論基礎和啟迪創新思維。

3? 實踐基地及虛擬仿真實驗教學平臺

華中科技大學強化工程實踐教學基地建設，打造實踐（實訓）中心，強化實踐教學環節。目前已與中建三局集團有限公司、中信建筑設計研究總院有限公司、中國市政工程中南設計研究總院等行業知名企業建立了50余家實習基地，優化實踐教學方案，持續提升實踐教學質量；現已聘請60余名高級工程師為業界導師，建立了由認知實習、課程設計，再到生產實習、畢業實習、畢業設計的全鏈條實踐教學體系，因此多次獲評校優秀課程設計與優秀實習團隊。

完善水質工程學虛擬仿真實驗教學平臺建設，安排相關教師和實驗人員接受培訓，學習軟件操作，加強本科生創新實踐能力。目前已安裝并熟練應用活性污泥模型仿真軟件Biowin和水污染模擬仿真軟件MIKE11應用教學。

（三）? 教學實踐效果

1? 顯著提升學生對水處理理論知識掌握深度和廣度

教學設計以培養學生自主學習能力為目標，讓“學生”成為學習主體，通過測驗考試及課程達成度分析表明，課程創新設計前后學生對水處理基本原理和工藝掌握程度逐年提升，卷面平均成績和及格率均提升10%以上；通過翻轉課堂設計，學生能夠查閱國內外文獻資料進行水處理熱點問題分析匯報，顯著提高了學生自主學習能力；同時本課程教學效果得到學生認可，是學生心目中印象最深刻、最實用的課程；且獲得學校督導高度評價。

2? 強化創新思維，本科生創新實踐成果豐碩

依托本課程，華中科技大學給排水專業學生承擔國家級、省級及校級大學生創新創業項目呈逐年增長趨勢。近幾年來課程專任教師指導學生承擔國家級大學生創新創業項目8項，省級項目27項。課程組專任教師指導學生團隊獲得了省部級以上學科競賽獎近40項，包括指導學生針對農村水環境問題，研發分散式農村污水再生裝置，在第十二屆“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽中榮獲國家級金獎，指導學生先后獲全國高校給排水科學與工程專業本科生優秀畢業設計（論文）特等獎、“中國給水排水杯”全國高校給排水科學與工程專業本科生科技創新大賽一等獎、“深水杯”全國大學生給排水科技創新大賽金獎及特等獎和第三屆全國大學生市政環境類創新實踐能力大賽團體一等獎。

3? 培養解決復雜工程問題的創新型卓越人才，深受用人單位好評

華中科技大學給排水專業畢業生能快速適應行業和社會高速發展的需求，培養的人才受到世界五百強企業如中建三局集團有限公司、中信集團等單位的高度肯定。問卷調查表明：用人單位對本專業學生綜合評價滿意度達到100%，其中“非常滿意”和“較滿意”的比例分別為77.01%和21.84%；在學生的思想道德、問題分析與解決能力、現代信息工具使用能力、終身學習能力和綜合評價等方面的“非常滿意”與“比較滿意”度超過了97%，在學生實踐動手能力方面的“非常滿意”達到了100%。

四? 結束語

新工科背景下，水質工程學（二）教學圍繞改革與創新的目標，充分挖掘和融入課程思政，聚焦學科前沿，注重學科交叉，充分發揮“雙師型”“雙導師型”的教師團隊優勢，采用多元化的教學評價體系，多維度考評教學效果。通過課程教學實踐取得了一定的成效，使水質工程學（二）傳統課程煥發新生機。

參考文獻：

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