系统性“大工程”实践教学体系构建探究——以给排水科学与工程专业为例

尤永军 李发永 王 闪

在“新工科”背景下，各高校在给排水科学与工程专业的人才培养方案中，经常提到“提升工程能力”“面向复杂工程问题”等内容，致力于培养具备工程实践能力的毕业生。在给排水专业教学中，解决以“综合性、多样性、跨学科交融”为特征的复杂工程问题[1]，必须深刻认识到客观事物的多方面联系、发展变化性，运用系统思维，把水资源利用的各个环节连成整体“大工程”。不仅要在理论教学方面增加内容，更要从实践教学方面，使学生的思维从简单的工程认知跨越到系统性认知上。

本文从“新工科”人才培养的角度，以培养和提升给排水科学与工程专业学生系统性思维为导向，系统地整合专业课程体系，筛选工程内容，构建“给排水科学与工程实践教学平台”。旨在使学生利用所学知识，动手搭建系统性工程模型，参与水资源开放利用建设全过程，具备规划、设计、施工等环节的实践能力，培养具有系统性思维的大学生，更好地达成给排水科学与工程专业的工科人才培养目标[2]。

一、给排水科学与工程专业教学现状

作为工科专业，给排水科学与工程专业的实践教学致力于营造良好的工程环境，建立合理完善的实践教育体系，培养出高素养的创新型、应用型高等技术综合人才[3]。其实践教学环节，按功能目标要求可分为基本技能训练、专业技能培养与创新能力培养三个层次[4]。通过集中性实践教学如课程设计、毕业设计、生产实习等环节，大多数学生可以达到第一、二层次的培养目标，但第三层次的目标需要通过第二课堂、创新创业活动来实现，覆盖面小。对于工科专业教师而言，如何在有限的集中性实践教学环节中，培养学生工程思维，锻炼其工程能力，引导学生创新，是关系到工科专业人才培养和教学质量提升的关键内容。以塔里木大学给排水科学与工程专业为例，从目前的给排水教学方式看，建设虚拟仿真实验室，增加实习基地，已经使实践教学体系得到了很大改善，但仍然存在三个方面的问题。

（一）学生对专业课程的联系认知不够

对于给排水科学与工程专业而言，水资源的利用全过程涉及取水、送水、用水、排水等必要环节，理论知识主要通过泵与泵站、水质工程学、建筑给水排水工程、给排水管网系统、给水排水工程施工、水工艺设备等专业课来获得，实践能力通过课程设计、毕业设计环节得到锻炼。由于专业课分布在不同的学期，学生在以往的学习中往往缺乏系统性思维，不能很好地掌握课程与课程之间的联系，很难把理论知识与实践内容对应起来，存在理论知识丰富而实践能力不足的问题。

（二）课程设计环节教学效果不理想

虽然多数学生可以顺利完成课程设计，但在面对毕业设计时，往往存在工程设计衔接不畅、设计片面、综合性不足的问题[5]。如在设计水厂时，尽管已经做过泵站设计，学生依然不清楚泵站放在什么位置，扬程如何确定，水厂内管道材质、埋深应该如何选择等。比如在建筑给排水工程时，很多学生只知道管道穿越楼板的走线方向，却不清楚过墙的处理方式，认为管道可以穿越承重墙、无须考虑穿墙的防水处理等，设计成果问题百出。这些问题在毕业设计环节暴露出来后，需要指导教师进行系统性指导，才能使其认识并理解实践与理论知识之间的联系，形成较为完整的设计成果。

（三）学生对给排水工程的组成不明确

给排水科学与工程专业涉及的实践环节主要包括实验课程（基础实验与专业实验）、课程设计（水质工程学、建筑给水排水与管网）和实习环节（认识实习、生产实习与毕业实习）三类。在培养过程中工程实践内容相对独立且陈旧，导致学生难以发现各实践环节的内在联系，缺少整体意识，不能很好地运用整体思维来解决复杂的工程问题，当面对实际给排水工程问题时仍然感到棘手[6]。尤其是在传统形式的课程设计过程中，要求学生看书籍或电子图纸认识设备、建（构）筑物，再利用CAD（Computer Aided Drafting）软件来绘图，完成水厂总平面图、高程图和建（构）筑物图等的设计。课程设计的要求较低，但很多水厂、泵站等建（构）筑物的样子在学生脑海中没有形成概念，导致学生认知严重不足，设计出的图纸达不到初步扩大设计的程度，与实际工程存在很大差距。因此，采用单纯的说明书、图纸作为课程设计的成果，实践教学效果十分有限，达不到培养或提高学生工程能力、实践应用能力的目标。

针对以上问题，在“新工科”工程教育大背景下，梳理专业课在系统性工程中所处的位置，筛选重要工程知识信息，突出课程设计内容之间的联系，改进课程设计实施环节和评价体系，形成“大工程”课程教学群，由单独的课程设计变为系统性工程设计，以突出整体性、连续性，使专业课教学尤其是实践教学环节系统性更强[7-8]，对增强学生的设计本领、提升学生的系统性思维至关重要。

二、系统性“大工程” 实践教学平台的构建

（一）明确实践教学体系构建原则

在“新工科”建设背景下，应用型给排水科学与工程专业人才的知识和能力结构要求，应以培养工程应用能力和创新能力为总体目标[9]。实践教学体系和内容设置，应遵循三个原则[10]。

一是坚持系统性思维，遵循整体优化的原则构建实践教学体系。根据专业特点，将学生综合能力培养贯穿人才培养全过程，强化各实践教学环节之间的内在联系。应按照学生所处阶段和获得的知识与能力，并根据各环节的作用和内在联系，由浅入深、从简单到复杂地实施实践环节，循序渐进地实现学生综合能力的提升。

二是坚持能力导向原则，以学生的创新能力、实践能力、交流能力和探索精神培养为目标。实践环节不仅是对学生动手能力的培养，强化其实践技能，更要注重学生创新意识的培养，开发其内在潜能，使其加强合作交流，使知识理论、工程思想与工程实践得以结合，将学生从单一狭窄的实践活动引向多学科交叉渗透的综合工程实践。

三是加强实践设计环节的质量管理，坚持评价主体多元化、评价指标合理化、评价方式多样化的原则，做好持续改进。相比于理论教学，实践教学的评价指标难以有效量化，需结合实践环节进行层层分解，制定详细明确且具体化的评价指标，注重学生知识应用能力、实际问题解决能力和实践创新能力等方面的考核，对学生综合能力提升发挥导向作用。教师可以将过程性评价和终结性评价相结合，对实践教学活动进行全程系统化考核，不断探索和持续改进评价体系，达到良好的实践教学效果。

（二）贯通专业理论课程体系

在给排水专业课程设计环节，泵与泵站、水质工程学、建筑给水排水工程、城市管网系统均设有课程设计实践教学，但由于任课教师不同，每一名学生的不同课程设计之间相互独立。围绕“大工程”的设计特点，采用反向设计法，打破原有课程间壁垒，围绕水基础、水处理、水输运和水管理四个主题，重新构建“大工程”核心课程群。利用各门课程理论知识方面的联系，打通各门课程设计的连接点，利用连接点将不同课程设计串联起来，形成“系统性大工程”，形成层次分明、联系紧密而又相对完善的综合性体系。首先，合理编排课程的开课时间，建议开课先后顺序如下：泵与泵站→水质工程学→城市管网系统→建筑给水排水工程→给水排水工程施工（或水工艺设备）→水工艺设备（或给水排水工程施工）。其次，在第一门课程设计发布时，将基本信息如地理位置、城市道路、水体图纸、人口数据和用水/排水定额等资料一同发给学生，让学生根据每一门课程设计所需要的原始资料进行设计计算，不可随意改变原始资料。再次，将上一个课程设计得出的水量、水质等参数作为下一个课程设计的依据，进行相应的内容设计。待每一项设计完成后，单独评分，并逐步将分项工程的设计成果补充进“系统性大工程”中。最后，将各门课程设计整合成一项工程设计，或在已完成的设计中完善施工、设备等内容，形成“系统性大工程”设计说明书。可将其作为毕业实习的组成部分，指导教师依据说明书的设计准确性、合理性、完整性和创新性等评分点给出评价。

（三）丰富实践设计成果形式

以往课程设计的成果主要是说明书、设计图纸，为了弥补课程设计成果实践性不足的问题，提高学生对泵房、水厂和建（构）筑物的认知，利用课程设计周，要求学生以组为单位，每组成员承担一方面的任务。利用纸板、PS 塑料板、密度板和胶水等材料，将泵站、水处理建（构）筑物以模型的形式制作出来，模型的形式、大小、结构按统一比例制作，至全部课程学习完，形成一个综合水厂模型。在布置厂区道路、管道系统时，以侧签的形式展示管道材质、管径、开挖方式、管道附件、设备型号等信息。教师可考察模型制作的准确度、美观性、完整性，以此作为学生毕业实习成绩评定的依据。

依据上述步骤形成的综合模型，可将所有的设计成果融合在一起，各单项工程之间的先后顺序、衔接关系一目了然，系统性更强。模型的制作既可以锻炼学生的动手能力、协作能力，增强学生的系统性思维和工程观念，又可以进一步加深学生对课堂理论知识的理解，使理论与实践教学效果均得到提高[11]。

（四）开发BIM 技术的构筑物模型

在水处理共存设计中，传统的设计成果仅能通过二维图纸展示，不能够形成直观的成果。这样会导致建（构）筑物或平面图上的有关信息存在建（构）筑物型式不对、布线不合理、结构不明和缺少附件等问题，导致图纸与实物存在较大偏差。如滤池属于构造较为复杂的建（构）筑物，使用传统的二维设计方法，由于其中包含的平面和剖面较繁复，需要处理的问题较多。利用BIM（BuildingInformation Modeling）技术强大的设计、建造和管理功能，对水处理建（构）筑物快速建模甚至是做出动画效果，将复杂建（构）筑物直观地展示出来，将有利于提高学生水厂类项目建模效率和整体设计效率。

面对新时期工程问题的复杂性，具备解决复杂工程问题能力的工科人才培养工作越来越受到重视。给排水科学与工程专业学生实践能力的培养要始终结合工程实际，立足全局，不断改革实践教学体系，创新工作方法。通过将系统性较强的专业课程统一起来，打通设计资料和内容，开展建（构）筑物立体模型的制作等环节，提升学生在设计环节的投入度，拓宽学生的思路，引导学生形成系统性思维，以更好地提升学生的创新能力、分析问题和解决问题的能力。