新工科背景下基于PBL的課程教學改革探索

摘"要：為適應新工科人才培養模式的要求，結合我校的辦學特色，將PBL模式應用于“大氣污染控制工程”課程教學的過程中。通過驅動性問題提出、知識能力建構、解決方案形成和成果展示等環節的實施，有效調動了學生學習的積極性與主動性，使學生在收獲專業知識的同時，自主學習、團隊合作和實踐創新能力也得到了很大提升，體現了“學生為主體，教師為主導”的教育理念，對于學生實踐能力培養、工程教學質量提升具有重要的現實意義。

關鍵詞：新工科；PBL教學法；大氣污染控制；教學改革

隨著新一輪科技革命和產業變革不斷深入，工程科技進步和創新成為推動人類社會發展的重要引擎，也為工程教育創新變革帶來了重大機遇。“以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才”的新工科建設，為高等工程教育的改革探索提供了一個全新視角和“中國方案”［1］。

洛陽理工學院是一所省屬全日制普通本科院校，學校長期堅守建材特色，為國家建材行業和區域經濟社會發展輸送了20余萬名高級專門人才，被譽為建材行業人才培養的搖籃。“大氣污染控制工程”是我校環境工程專業的一門主干課程，主要講授大氣污染的來源、影響、傳輸擴散和控制技術，具有知識覆蓋面廣、內容抽象和實踐性強等特點，學生學習具有一定難度，再加上傳統教學模式的影響，難以調動學生的學習主動性，學習效果不佳。PBL（Problem"Based"Learning）教學法以建立終身學習能力為目標，通過創設開放性的問題情境，激發學生的學習興趣，使學生在小組討論、互相合作和教師講授的過程中，收獲了大量的專業知識，同時也使其自主學習、團隊合作和實踐創新能力得到了極大提升，這對于研究新工科建設的范式轉型、動能轉換和推進新工科教育的可持續發展，具有重要的意義［2］。本文在新工科背景下，將PBL模式引入“大氣污染控制工程”課程教學中，從內容整合、過程組織和效果評價三個方面，分別介紹該方法的具體實施情況，以期為培養更具實踐能力、創新能力和國際競爭力的高素質復合型人才提供新的思路。

1"教學內容整合

“大氣污染控制工程”課程重點介紹大氣污染控制的基本原理、工藝過程、技術特點和發展趨勢，以及我國在大氣污染治理方面的一些創新貢獻。傳統的教學方法以教材為基礎，分章節介紹課程內容，雖然知識脈絡清晰，但是對于學生解決問題能力和創新能力的培養比較欠缺，難以適應新工科的大背景以及教育國際化的發展形勢［34］。基于此，本課程嘗試突破傳統以章節為序的教學模式，以PBL項目式教學法為依托，通過整合把學習內容置于真實的、有意義的問題情境中，讓學生通過自主探究和合作，學習隱含于“問題”背后的科學知識，從而形成解決問題的技能和自主學習的能力。以揮發性有機物（VOCs）污染控制為例，課程圍繞“固定床吸附器設計”展開討論，將《氣態污染物控制技術基礎》《吸附法控制VOCs污染》以及《大氣污染及其影響》三個章節的相關內容進行有機整合。

再以“1000t/d新型干法水泥爐窯煙氣超低排放改造設計”為例，該項目為一條1000t/d熟料生產線，采用新型干法爐窯生產工藝，分解窯配置5級旋風筒，實際產能為1200t/d。改造前環保設施情況：脫硝采用SNCR技術，在窯尾預熱器C4～C5之間噴入氨水；脫硫采用消石灰干法脫硫，在窯尾預熱器C1煙氣出口前噴入消石灰脫硫劑；項目未設置余熱鍋爐，C1出口高溫煙氣經高溫風機分兩路煙氣，一路去增濕塔，另一路去生料磨、旋風分離器；兩路出口煙氣匯合進入布袋除塵器，除塵后經引風機由煙囪排入大氣中。改造前突出的問題：一是NOx排放無法滿足50mg/Nm3的要求；二是氨水用量大，運行經濟性較差；三是氨逃逸超標。通過引入真實項目，將“燃燒與大氣污染”“除塵技術”和“氮氧化物污染控制”等內容整合后，通過播放清華大學環境學院教授李俊華在“第四屆中國水泥超潔凈排放技術交流大會”上以《水泥行業超低排放技術應用及面臨挑戰》為題的報告視頻，與學生就水泥企業如何發力“雙碳”目標展開討論，吸引學生興趣，引導學生思考“水泥生產的產污環節及主要污染物有哪些”“水泥行業煙氣治理現狀如何，存在哪些問題”“水泥窯煙氣超低排放技術有哪些”等問題，進而提出驅動性問題“如果你是一名環保工程師，你會如何打好“組合拳”，確保干法水泥回轉窯窯尾煙氣（煙塵、氮氧化物）超低排放。通過將吸附理論和氣態污染物凈化技術、燃燒理論和除塵脫硝技術相結合，分別運用到空氣凈化器設計、水泥行業廢氣處理的實踐中，使學生能夠認識到科學精神的時代意義和生態文明、可持續發展的價值，進一步強化環保人的責任與擔當。

2"教學過程組織

為了解決學生高階能力不足的問題，課程在教學當中引入真實的問題、真實的反饋和真實的情感。具體策略是：通過驅動問題提出、知識能力建構、解決方案形成和成果展示等環節，學生的高階能力自然生成。仍以吸附法凈化氣態污染物為例，驅動性問題提出后由學生針對問題進行頭腦風暴，確定要解決的主要問題。教師根據學生情況進行分組，分配小組內角色及任務，制作小組合作量規。借助互聯網平臺，學生運用K（what"I"know）—W（what"I"want"to"know）—L（what"I"learned）表對技術要點進行梳理，并以小組為單位分享和交流，教師同步指導和完善。構建希洛夫方程是固定床吸附器設計的關鍵，通過自學、小組討論和教師同步指導等方式，啟發學生自行設計實驗，并運用線性擬合的數據處理方法，建立希洛夫方程。在此基礎上，以小組為單位分享和交流，討論如何運用希洛夫近似計算法，進行固定床吸附器的設計。然后，由教師啟發學生運用知識遷移的方法，通過查閱相關文獻和設計手冊，結合用戶需求，確定空氣凈化器的設計原則和主要參數。具體內容有：（1）操作條件選定（如溫度、壓力和風速等）；（2）主體結構設計（包括柱高、設計和吸附劑用量等）；（3）附屬結構設計（包括風機、電機和風道等）。

對于“1000t/d新型干法水泥爐窯煙氣超低排放改造設計”來說，設計相對復雜，主要包括：（1）煙氣超低排放改造系統技術路線的分析確定；（2）設備的比較和選擇，包括設備類型、型號、規格，以及主要運行參數；（3）管路布置及計算，包括各裝置的位置及各管段的管徑、長度、煙囪高度和出口內徑以及系統總阻力；（4）風機及電機的選擇設計，主要通過根據系統總阻力和總處理量，煙氣溫度、系統總阻力等計算選擇風機種類、型號及電動機種類、型號和功率。最后，通過分工合作，完成設計計算書（包括方案的確定、設計計算、設備選擇和相關設計簡圖等內容）、CAD繪圖和成果展示等環節。對于圖紙的要求主要包括：（1）水泥爐窯煙氣超低排放改造工程平面布置圖1張。圖紙應按照比例繪制，標出設備、管件編號，并附明細表，標題欄中應注明各部件編號、圖號；根據各部件圖詳細情況對各部件進行拆分，并畫出相應零件圖；標準件（如螺栓、螺母和墊圈等）和外購件（如風機、電機等配套設備）均需要在總裝配圖上注明；（2）除塵系統平面、剖面布置圖2～3張。圖中設備管件應標注編號，并與系統圖一一對應，剖面圖應按比例繪制；（3）繪制設備零件圖紙。設計說明書要力求文字通順、簡明扼要，圖表清楚整齊，內容正確完整。同時，設計圖紙應能較好地表達設計意圖，圖面布局合理、正確清晰、符合制圖標準及相關規定。最終成果包括封面、目錄、前言、正文、小結及參考文獻等部分，并依次按設計任務書、設計說明書、附表和附圖的順序裝訂成冊。

成果展示是PBL教學過程最為精彩的環節之一，匯報順序采取隨機抽取的方法，匯報人由學生自行確定，匯報完畢后分別進行點評。通過成果展示，學生的個性與特長得以彰顯，溝通與表達能力也得到了顯著提升。與傳統教學相比，PBL教學法對學生和教師都提出了更高的要求，例如，教師需要細化教學過程，對可能遭遇的冷場，提前做好預判，通過設計正確引導和適時“發問”激發學生的討論熱情，快速破冰，使角色扮演漸入佳境；學生除了需要對PBL教學模式有良好的認同感之外，還需要充分查閱資料，從而更好地實現學習知識到實際應用的平穩過渡。我們通過超星學習通線上教學平臺，提前將有關內容以視頻、文獻資料等形式向學生開放，供學生課外學習，為其進一步學習新知識奠定基礎。對于不同程度的學生，秉承“組內異質，組間同質”原則，采取組內幫扶和組間競爭措施，督促學生在利用課余時間完成資料的收集工作。在這個過程中，及時開通學生與教師交流的通道，便于及時解決疑問，使學習順利過渡到下一環節。

3"教學效果評價

構建科學的PBL評價體系，是“大氣污染控制工程”課程教學改革中關鍵一環。本課程以形成性評價為主，終結性評價為輔，采取學生自評、小組互評和教師點評相結合的評價形式，主要從知識信息管理（20%）、學習意愿和態度（10%）、問題分析與解決（40%）、團隊合作（20%）和表達與溝通（10%）五個維度進行綜合評價，從而強化學生的思辨能力，具體評價量表見表1。

課程教學效果參考田金徽等人［5］的評價方法，以問卷調查作為主觀指標，考試成績作為客觀指標，數據采用SPSS軟件進行統計分析，具體如表2和表3所示。通過問卷調查（120份），了解學生對PBL教學模式和傳統教學模式的接受情況，教師可通過調查結果發現問題，進而制定改進措施。從問卷調查結果看，大部分同學認為PBL教學模式更能激發學生的學習情趣（90%）、活躍課堂氣氛（88%）。通過該方法實施，學生認為自己的實踐能力（94%）、語言表達能力（85%）和團隊合作能力（94%）得到了明顯提高。但從提高自學能力方面看，傳統教學法與PBL教學法差異并不顯著。究其原因，可能跟部分學生由于學習慣性和學習惰性而造成對PBL教學法接受程度不高有關。

4"結論

隨著工業化進程的快速推進，我國的大氣污染日益呈現多元化、復雜化態勢。培養“具有更強實踐能力、創新能力、國際競爭力的高素質復合型人才”是新工科建設的核心，也是“大氣污染控制工程”課程改革的方向。本文從教學內容整合、過程組織和效果評價三個方面，介紹了新工科背景下基于PBL的“大氣污染控制工程”課程改革具體實施情況。綜合問卷調查和考試成績可知，絕大多數學生對該教學方式是非常認可的，認為其對于知識技能、綜合能力的提升大有裨益。然而，由于PBL教學法對學生和教師都提出了更高的要求，如何在今后的實施過程中保持持續的熱情，將是我們今后要應對的挑戰。例如，學生需要花費大量的課余時間去查閱資料，對于自主學習能力較差的學生來說，將是一個不小的挑戰，如何在今后的實施過程中保持持續的熱情，將是我們今后要應對的難題。而對于教師來說，需要花費更多的時間去設計教學過程，去設想可能出現的沉悶課堂氣氛，以及去思考如何輕松化解等，如何兼顧科研和教學，讓兩者相互促進，也是個不小的挑戰。如何讓PBL模式更好地服務教學，使教師和學生都從中獲益，需要教師和學生的共同努力。

參考文獻：

［1］韓秀麗，汪金花，李鳴鐸，等.新工科需求下PBL教學深度學習的模式研究［J］.華北理工大學學報（社會科學版），2022，22（2）：8792.

［2］李娜，劉穎，李晶.基于PBL的《通信系統虛擬仿真技術》課程改革［J］.教育現代化，2017（45）：9597.

［3］王麗平，楊珊，羅琨，等.大氣污染控制工程案例式研討教學探討［J］.山東化工，2019，48（11）：118119.

［4］張楊帆.大氣污染控制工程案例教學效果的調查研究［J］.化工高等教育，2011（3）：8285.

［5］田金徽，劉愛萍，申希平，等.PBL教學法在循證醫學教學中的應用效果評價［J］.中國循證醫學雜志，2011，11（1）：3943.

基金項目：中國高等教育學會2023年度高等教育科學研究規劃課題（23LK0401）；河南省化學類課程思政特色化教學研究示范中心建設項目；洛陽理工學院一流專業建設項目微課程（1304014181）

作者簡介：劉瓊（1981—"），女，漢族，河南開封人，博士研究生，講師，研究方向：從事大氣污染控制教學與科研工作。