OBE理念下給排水科學與工程專業實驗教學體系探討
——以廣東工業大學給排水科學與工程專業為例

杜 星，宋 偉，王志紅

（廣東工業大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006）

基于結果導向（outcomes based education，簡稱OBE）工程教育理念起源于美國和澳大利亞的基礎教育改革，是當今風行的高等工程教育模式［1］。因此，踐行本科教學國家質量標準，全面提高給排水專業人才的培養質量至關重要［2］。對緩解水危機和建設生態文明負有歷史責任的給排水科學與工程專業，已開始圍繞國家重大需求和國民經濟發展，從水的社會循環角度觀察和研究問題。給排水科學與工程專業是工學門類土木類專業，對應學科為市政工程，其主要服務于國民經濟建設和發展中與給水排水工程相關的領域。本專業是城鄉建設的重要基礎設施，是城鄉水系統循環的實施主體，是實現水資源可持續利用和城鄉可持續發展的重要保障。其主要為城鄉及工業提供相關服務，主要涉及水的開采﹑加工﹑輸送﹑回收及利用等，滿足城鄉生活和工業生產的用水需求，并將生活污水和工業廢水收集﹑凈化與再生利用等，實現水的良性社會循環［3］。我國給排水專業歷經近70年的發展，專業規模不斷壯大，截至2019年年底，全國高校共有187個給排水專業辦學點，全國給排水專業每年的招生人數﹑畢業生人數均達到了1.1萬人左右，在校生人數達到了4萬余人［2］。

給排水科學與工程專業實驗教學是高校本科教學體系中一個非常重要的環節，是培養學生分析問題﹑解決問題和提高動手能力的重要途徑［4］。引導高等學校在本科教學過程中加強對大學生創新意識﹑創新能力﹑協作精神培養，可提升大學生綜合運用所學知識解決復雜工程問題的能力，且強化大學生對給排水專業知識的理解。參照國際通行的工程教育認證標準，通過優化給排水科學與工程專業培養目標和培養計劃，構建持續改進的專業質量保障制度和檢查措施，大力提高給排水專業工程性應用技術人才培養水平，對于我國新時期的高等教育具有重要的現實意義［5］。

因此，實驗教學體系建設是保障地方高校工科專業創新人才培養質量的重要抓手，也是工科專業實踐教學改革的重要方向［6］。

一、給排水科學與工程專業實驗教學體系綜述

以廣東工業大學給排水科學與工程為例，以應用為導向的實驗教學體系如圖1，圖2是實驗現場照片。給排水科學與工程專業目前實驗課程主要有基礎實驗課程（如“大學物理實驗”“電子電工實驗”“普通化學實驗”）﹑專業基礎實驗課程（如“水微生物實驗”“水分析化學實驗”“水力學實驗”“水泵與水泵站實驗”）﹑專業實驗課程（如“水質工程學實驗”“建筑給水排水工程實驗”）。“分層遞進貫穿式”實驗課程教學體系進行我校給排水科學與工程專業實驗教學體系的完善。知識體系上應該按照“由低到高﹑由淺入深﹑循序漸進﹑分層實現”的原則進行設置，建立了“基礎實驗﹑驗證演示實驗（大學一﹑二年級本科生）”“綜合設計試驗﹑開放創新實驗（大學二﹑三年級本科生）”和“創新訓練實驗﹑科學研究（大學三﹑四年級本科生）”3個逐層遞進的實驗課程體系［6］。然而，廣東工業大學本身擁有完善的創新創業教育體系，在此基礎上構建了如下適于本校專業特色的“分層遞進貫穿式”專業實驗教學體系。

圖1 廣東工業大學給排水科學與工程專業實驗教學體系

圖2 學生實驗現場照片

根據給排水教指委2019年在全國179所給排水專業開辦高校的問卷調查發現，各高校給排水專業的實驗室面積大多數為500～5 000平方米，共有120所，但仍有43所在500平方米以下，最小的僅有40平方米［6］。如圖2所示，廣東工業大學給排水科學與工程實驗示范中心實驗室面積為1 000平方米，主要用于開展水力學實驗﹑水泵與水泵站實驗﹑水質工程學實驗﹑建筑給水排水工程實驗，而相關微生物﹑化學實驗在對應的全校公用的國家級實驗教學中心完成。給排水科學與工程實驗中心各實驗室儀器設備完好，場地面積和設備臺套數滿足實驗教學的分組要求，本科實驗開出率為100%。2010 年與中山環宇公司合作申報獲批建設國家級工程實踐教育中心（全校第一個以學院建設為主獲批的單位），這是對專業工程實踐教育的有力推動，為學生提供了豐富多彩的課外實踐機會，為廣東省大學生創業創新項目提供了科研場所，為大學生挑戰杯競賽提供了實習基地。

二、廣東工業大學給排水科學與工程專業實驗教學體系持續改進

專業核心課程對應的實驗有水力學實驗﹑水泵與水泵站實驗﹑水質工程學實驗，具體如表1所示。以水質工程學實驗為例，教學目標主要包括：（1）通過實驗，加深對水處理基本理論的理解；（2）培養實驗操作能力，掌握水處理實驗的方法與技能，能夠根據實際需要設計實驗，并正確進行實驗操作；（3）培養正確記錄﹑收集并處理實驗數據的能力，培養解釋實驗數據并總結歸納得到實驗結論的能力；（4）培養嚴謹踏實的科學作風和融洽合作的共事態度以及愛護國家財產的良好風尚。教學目標對畢業要求指標點的支撐關系有以下幾種。畢業要求4.2：掌握專業實驗﹑測試的方法與技能，能夠根據工程問題設計實驗，并正確進行實驗操作，正確收集﹑處理﹑解釋實驗數據。畢業要求9.1：在解決給排水科學與工程專業的復雜工程問題時，能夠在多學科環境中具有主動與他人合作和配合的意識，具有奉獻精神。

表1 廣東工業大學給排水科學與工程專業設置的主要專業實驗項目表

然而，現有的教學模式導致學生被動地按照實驗講義簡單完成實驗，產生實驗驗證理論及重理論知識﹑輕實踐操作的觀念，出現工程意識淡薄﹑整體專業知識系統學習出現偏差等傾向。傳統實驗教學主要關注各個課程單個知識點的教學，沒有形成基礎實驗課程﹑專業基礎實驗課程﹑專業實驗課程層層遞進的關系，使學生失去對實驗課程的興趣和求知欲望，因而無法達到預期的目標。可見，現有的實驗教學模式缺乏以工程應用為導向來培養學生的綜合素質。為了促使高等學校在本科教學過程中加強對大學生創新意識﹑創新能力﹑協作精神培養，如表2所示，廣東工業大學給排水科學與工程專業構建了一門創新創業訓練課﹑一項校級競賽和一項列入教學大綱的《創新能力提升項目》。

表2 構建創新創業課程清單

三、OBE理念下給排水科學與工程專業實驗設計案例

廣東工業大學給排水科學與工程專業緊密圍繞粵港澳大灣區發展長期戰略，服務廣東經濟發展。堅持“重基礎﹑強實踐﹑寬適應﹑嚴質量”的治教方略，以國際教育認證為抓手，聚焦華南地區水環境質量持續改善和飲用水供應安全保障，培養專業素養高﹑創新精神強﹑國際化視野寬且具有良好團隊協作能力和專業服務意識的高水平人才。

以學科前沿研究熱點引發學生參與創新性實驗的積極性。從應用性出發，將授課方式轉變成以實踐為主﹑理論為輔的授課形式，培養學生從實際生活﹑工作﹑學習中發現問題﹑提出問題的能力。為了基于工程認證體系，設計了包含工程知識﹑問題分析﹑設計/開發解決方案﹑研究﹑使用現代工具﹑工程與社會﹑環境和可持續發展﹑職業規范﹑個人和團隊﹑溝通﹑項目管理﹑終身學習等要求的實驗。具體實驗設計如表3所示，設計了南方濕熱環境下混凝-氣浮除藻實驗（如圖3）。其中，實驗訓練可結合知識單元﹑知識點，融入創新的教學方式，強調學生創新思維﹑創新方法和創新能力的培養，提出創新思維﹑創新方法﹑創新能力的訓練目標，構建形式多樣的實驗訓練單元。對學生在整個學習過程中的表現進行跟蹤與評估，并通過形成性評價保證學生實驗能力的要求。

表3 南方濕熱環境下混凝-氣浮除藻實驗設計案例

圖3 給排水科學與工程學生專業實驗現場照片

四、實驗教學體系改革思路

1.注重基礎實驗與水質工程學實驗的關聯度設計。必須掌握靜水壓強﹑靜水總壓力計算分析和水動力學三大基本方程，只有精通水靜力學和水動力學的基本知識，才能在后續水頭損失﹑有壓管道﹑明渠恒定流﹑堰流﹑滲流等內容學習過程中游刃有余﹑水到渠成地完全掌握各種典型水處理單元的設計。

2.注重實驗的“綜合性”，加強學生綜合應用能力的訓練。鼓勵將全國及廣東省“大學生挑戰杯”“大學生創新創業項目”“廣東工業大學千苗計劃項目”“深水杯全國給排水科技創新大賽”及各種自主創新性項目引入實驗中心，在實驗中心的實驗實踐平臺上﹑在實驗中心老師的指導下完成，培養學生綜合應用能力，提高學生的綜合素質。

3.采取開放型管理模式，實現中心實驗實踐資源的共享，提升學生的自主創新能力。鼓勵學生進入水質模型開放實驗室，自主完成驗證項目，學生自主進入水質模型開放實驗室實踐操作相關給水排水模型，轉變教學模式，與凈水除污集成化設備創新創業課緊密關聯。主導創辦全國范圍內的實驗項目設計大賽，以擴大影響力與示范輻射功能。

4.構建虛擬仿真平臺，通過沉浸式教學使學生熟悉水處理構筑物。虛擬仿真實驗平臺可以彌補由于場地﹑實驗裝置和時間等限制導致的傳統實驗教學方式內容和形式單一的問題。需要將傳統實驗課程教學方式與虛擬仿真實驗相結合，充分發揮兩種教學方式的優勢，進行優勢互補，使得學生在學習過程中得到充分的鍛煉，提升學生的實踐能力。

5.實驗教學體系改革中融入思政元素，推動教研融合實驗的設計。推動教師將研究成果及時轉化為教學內容，向學生介紹學科研究新進展﹑實踐發展新經驗，積極探索綜合性課程﹑問題導向課程﹑交叉學科研討課程，提高課程興趣度﹑學業挑戰度。促進學生的全面發展，把握新工科人才的核心素養，強化工科學生的家國情懷﹑全球視野﹑法治意識和生態意識，培養設計思維﹑工程思維﹑批判性思維和數字化思維，提升創新創業﹑跨學科交叉融合﹑自主終身學習﹑溝通協商能力和工程領導力。

6.加強實驗室管理，實驗設計與時俱進。實驗室是當前各個高校均具備的硬件設施，有利于培養學生的科研能力。須完善現場管理制度。相關人員進入實驗室后，應登記詳細信息，登記的項目包含時間﹑人員職責﹑所用儀器名稱等，讓實驗室實現規范化管理。同時，定期派遣專業人員檢查實驗室內的管理狀態，若發現損壞儀器及時予以上報維修。同時實驗設計注重與時俱進，如可以在實驗大綱中設計膜法水處理實驗，基于此，購置合適的膜法水處理實驗系統。

五、實驗教學改革的意義

給排水科學與工程實驗教學是本專業的重要課程內容，也是體現行業新發展新需求的主要教學環節。實驗教學對培養學生的專業基本操作技能﹑嚴謹治學的工作態度﹑探索研究的創新精神﹑獨立工作的創業意識和適應社會需求﹑增強社會服務意識等有著特別重要的意義。

1.建設學科專業大類學生自主創新實踐平臺：發揮學科與科研優勢，搭建多級﹑多類學科競賽平臺，加強校企協同，引導工程實踐模式改革，改革實習模式，建立中試規模的實習基地。

2.實驗教學轉型升級：以提高學生的實踐創新能力為導向，改革實驗教學內容和管理模式，加大綜合型﹑設計型實驗的比例和深度。

3.發揮學科與科研優勢：各級教學科研基地對本科生開放；鼓勵教師結合科研工作和取得的成果，設計新的教學實驗；學生參與教師的科研課題，參加論證﹑設計﹑施工﹑開車和運行。

4.加強校企協同，引導工程實踐模式改革：產學研合作，優勢互補，實現雙贏；完善多主體協同育人機制，突破社會參與人才培養的體制機制障礙，深入推進科教結合﹑產學融合﹑校企合作。建立多層次﹑多領域的校企聯盟，深入推進產學研合作辦學﹑合作育人﹑合作就業﹑合作發展，實現合作共贏。