面向工程教育專業認證的“水質工程學”課程改革
——以強化支撐“解決復雜工程問題”的持續改進為例

秦 雯，宋 陽，杜 星

（廣東工業大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006）

《工程教育認證通用標準解讀及使用指南》明確認證專業人才培養“解決問題”的程度應定位于“復雜工程問題”，確保達到以工程師為培養目標的本科層次工程人才培養要求［1］?！八|工程學”為給排水科學與工程專業的核心課程，涵蓋了市政方向的水處理原理及工程設計的知識點，是支撐“解決給排水科學與工程專業的復雜工程問題”而開展課程持續改進的主戰場，因此，“水質工程學”的課程教學改革對給排水科學與工程專業建設至關重要［2-3］。

一、工程教育專業認證背景下“水質工程學”教學面臨的挑戰

2016年我國正式加入國際工程教育互認的華盛頓協議，更好地體現國際工程教育的新理念，且進一步加強與國際教育和互認的接軌。2017年“給排水科學與工程專業評估”更名為“給排水科學與工程專業評估認證”，采用全國工程教育專業認證通用標準和本專業補充標準，給排水科學與工程專業評估認證步入一個新的階段。在高等教育更加強調專業人才培養與國際化接軌的趨勢下，給排水科學與工程專業評估認證明確以學生發展為中心、以學生學習成果為導向和持續改進的核心思想理念［1］。為確保滿足《華盛頓協議》實質等效要求，培養國際認可的專業人才，給排水科學與工程專業評估認證中對畢業要求中“解決給排水科學與工程專業的復雜工程問題”的達成度尤為重視。這對給排水科學與工程專業人才培養模式和專業課程建設提出了全新的挑戰。

當前我校給排水科學與工程專業于2020年首次通過住建部高等學校給排水科學與工程專業評估（認證），于2023年正在開展迎接復評的準備工作?，F正執行的2022版培養方案的培養目標為：“本專業面向國家特別是粵港澳大灣區水健康循環以及水系統安全保障的重大需求，培養適應我國社會主義現代化建設需要，德、智、體、美、勞全面發展，具有高度社會責任感和良好的工程職業道德，善于溝通與合作，能夠融合運用環境、水利、綠色建筑理念與技術，具有解決給排水領域復雜工程問題的能力，主動服務廣東經濟發展，適應給排水行業發展需求的復合應用型和創新型工程技術人才。畢業生能夠從事給排水科學與工程專業相關的規劃、設計、施工、管理、咨詢等方面的工作，具有初步的研究和開發能力。預期畢業后5年左右，能夠成為給排水科學與工程領域的技術與管理骨干?！贝伺囵B目標體現了當前我校對給排水科學與工程專業畢業生培養的重視，“水質工程學”作為給排水科學與工程專業的核心課程，是新時代高層次給排水人才培養的主戰場，但“水質工程學”課程在知識體系和工程思維等方面仍然存在一些不足，主要體現在兩個方面：一方面，本專業現行“水質工程學”根據給水、排水和工業水處理三大模塊拆分為“水質工程學（1）”“水質工程學（2）”“水質工程學（3）”三門課程，理論知識體系與考核相對獨立，難以培養學生宏觀的工程思維以及提升綜合分析能力；另一方面，本專業現行“水質工程學”的教學組織、教學方法以及考核內容主要以學生掌握理論知識原理為目的，缺少對相關知識點的工程實例分析與觀摩，使得學生的思維認知與行業所需的工程思維存在較大的差距，難以滿足新工科建設、社會、行業和時代的需求。

以上幾點導致2018屆、2019屆畢業生及用人單位在對我校給排水科學與工程專業畢業生的評價中出現“設計/開發解決問題”能力較弱的現象，部分畢業生水平與我國給排水行業主戰場精英人才水平有明顯差距。因此，為了我校畢業生盡快適應新時代新工科建設大環境，同時提升本專業在工程專業認證國際大背景下的實力儲備，在“水質工程學”教學過程中充分挖掘和融入工程思維的培養，對“水質工程學”課程的建設原則、知識體系、教學組織方法和評價體系等進行改革，是培養具有中國特色、滿足國家重大戰略和社會行業需求的復合型卓越給排水人才的必經之路。

二、“水質工程學”工程思維強化培養的教學設計及實施方法

針對以上問題，本研究期望在工程教育認證背景下，將“水質工程學”專業核心課程作為本專業的理論基礎與工程能力并重的課程，改變傳統的課堂教學模式，以提升學生解決復雜工程問題能力為目的，在每個關鍵知識點的教學中融匯“水分析化學”“水處理微生物學”等專業基礎課的基礎理論知識，并引導學生將給水、排水和工業水處理知識點進行平行討論，促使學生逐漸構建綜合的理論知識體系，能夠站在宏觀的角度分析問題。同時，在每個關鍵知識點的教學中引入實際工程案例，引導學生以工程師角度去分析實際案例中關鍵條件，如何調用理論知識并選用合理的工藝去解決復雜工程問題。

（一）“課堂實例分析+課后方案設計”授課模式

在“水質工程學（1）”“水質工程學（2）”“水質工程學（3）”的授課過程中，教師采用“課堂實例分析+課后方案設計”模式，并且結合現行的翻轉課堂的教學設計［4］，分別研究制訂理論課程方案，從理論灌輸向能力塑造轉變［5］。

以“水質工程學（2）”中“帶有膜分離的活性污泥工藝系統（MBR工藝系統）”知識點為例，課前，教師通過設計開放式的預習思考題（膜工藝為什么在給水處理、污水處理以及工藝水處理中均能應用？膜工藝與活性污泥工藝結合的優勢？MBR工藝中是否有生物膜的產生及其原因？）引導學生構建基礎理論知識結構。同時，提前給學生分享經典的MBR工藝CAD圖紙，鼓勵學生們主動去查找相關課外工具書（設計手冊/規范）以探索陌生的工藝系統，帶著求知欲進入課堂。課中，教師首先組織學生針對課前思考題展開討論，考查學生對于工藝原理以及基礎理論知識的掌握程度，并引導學生構建理論知識的思維導圖；然后，教師采用典型案例（廣州某污水處理廠采用基于AAO的MBR工藝）作為工程問題的切入點，通過多媒體資源（視頻、照片、CAD圖紙）手段，對典型技術應用案例進行分析，案例分析不僅包括工藝處理過程分析，還包括實際MBR工藝運行維護過程中膜清洗技術與過程展示，引導學生展開思路，以工程師身份，與教師共同探討技術在實際應用中所面臨的困難和挑戰。課后，教師布置綜合性的課后作業，如“根據具體的水質和水量條件，設計一套基于MBR工藝的完整的工藝流程，并列舉出類似條件下的實際工程案例”，促使學生在復習課內知識點時著眼于實際工程應用，同時，要求學生在典型的工藝CAD圖紙上標注水流方向，以強化其對典型工藝的理解以及看CAD圖紙的能力。

通過上述每堂課的課前、課中和課后的具體教學設計，完成“課堂實例分析+課后方案設計”的授課，通過此模式可以在不斷鞏固基礎知識點的同時，拓展學生對于相關知識點的延伸，并加深對實際工程案例的理解，使其具有與時俱進的工程師視野。

（二）綜合性考核環節

課程考核是量化學生知識掌握程度的重要環節，“水質工程學（1）”“水質工程學（2）”“水質工程學（3）”課程均采用綜合性考核方式，考核內容包括35%平時成績（考勤情況、預習/復習作業成績、課堂討論表現、典型案例CAD圖紙掌握程度）和65%期末考試。期末考試試題內容設計時設置開放性的綜合應用題型，以“水質工程學（2）”課程考試為例，綜合應用題在題目中給出具體的水量、水質、地理條件以及污水回用用途，要求學生設計一套適宜的污水處理流程、繪制工藝流程圖、分析采用該工藝的理由、闡述各工藝單元的功能。學生首先要分析各項指標：一級處理可去除30%左右COD&BOD，剩余的由二級生物處理去除，如BOD/COD=？（0.67＞0.3，判斷可生化性）；BOD/N/P=100∶5∶1？判斷是否需要同步脫氮除磷？是否還需要化學除磷輔助？污水回用用途對應的水質標準是什么？分析過程可以學生對于一級處理、二級處理和深度處理程度的理解以及對于水質標準的熟悉程度。然后，學生在分析水質參數的基礎上，確定適宜的工藝流程，并繪制工藝流程圖，考查學生對于不同水質的工藝選型的掌握程度。最后，學生用文字描述工藝各階段的原理及功能，考查其對于具體工藝的功能、特點的掌握情況。通過以上幾個方面考查學生解決復雜工程問題的能力。

（三）實踐拓展環節

在“水質工程學”對應的兩個課程設計（“水廠課程設計”和“污水處理廠課程設計”）任務書中不斷完善設計條件，指導教師根據每一屆學生的具體學情，設置集中或分散的答疑模式，深入參與學生的計算和繪圖過程。在設計過程中加強專業規范和工程案例的綜合解析，使學生從實踐中鍛煉解決工程問題的技能，并提升學生設計興趣。此外，組織畢業生在畢業設計時增設“深度處理”專題設計，選用當前主流工藝設計處理流程，并考慮遠期目標而初步制訂應對方案，使學生在設計過程中更貼近實際工程，在設計中培養工程思維。

三、效果分析

為提升我校給排水科學與工程專業在工程專業認證國際大背景下的實力儲備，改變以往“水質工程學”教學過程存在的不足，本課程教學團隊充分挖掘和融入工程思維培養，對“水質工程學”課程的知識體系和教學組織方法探索了以強化工程思維為導向的改進。

通過工程思維培養模式的改變，結合翻轉課堂，建立了“課堂實例分析+課后方案設計+綜合性考核”的“水質工程學”教學模式，并且結合“水廠課程設計”和“污水處理廠課程設計”兩個實踐環節，在不斷鞏固基礎知識點的同時，拓展學生對于相關知識點的延伸與工程思維。經過兩屆學生的教學實踐，表明該改進措施的效果顯著，主要表現在：優化知識體系，提升了學生綜合、辯證思考能力；強化基礎理論知識與工程實踐的關聯，學生更熟悉專業規范和工程案例，更明確實際復雜工程問題的緣由和應對措施，學生在課程設計和畢業設計中工藝的選型更多樣化、與時俱進，有效提升了學生解決給排水工程復雜問題的能力，更符合國家重大戰略和社會行業需求的復合型卓越給排水人才培養的需求。

結語

在工程教育認證背景下，本課程教學團隊基于強化工程思維對“水質工程學”課程進行了改革，建立了“課堂實例分析+課后方案設計+綜合性考核”的教學模式，并結合“水廠課程設計”和“污水處理廠課程設計”的實踐環節進行知識點擴展，形成適應于我校給排水科學與工程專業水處理方向專業技術人才的多環節培養模式，項目實施方案科學合理，實施后有效提升了學生對畢業要求分指標點中“解決給排水科學與工程專業的復雜工程問題”方面的達成度，符合工程教育認證下專業核心課程持續改進的要求。