新工科背景下基于创新能力培养的课程改革探索——以“水质工程学”为例

秦 雯，宋 阳，李绍秀，杜 星，蒋树贤

（广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006）

肩负着缓解水危机和建设生态文明的历史责任的给排水科学与工程专业，紧密围绕国家重大需求和国民经济发展，致力于改善水的社会循环。“水质工程学”作为给排水科学与工程专业的核心课程，是新工科背景下给排水人才培养的主战场，因此“水质工程学”的课程教学改革对给排水科学与工程专业建设至关重要。

一、新工科背景下“水质工程学”教学面临的挑战

2017年，教育部发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》。新工科建设是以新技术、新产业、新业态和新模式为特征，加快培养新兴领域的工程科技人才，改造升级传统工科专业，主动布局未来战略必争领域的人才培养，实现从学科导向转向产业需求导向、从专业分割转向跨界交叉融合、从适应服务转向支撑引领，这对给排水科学与工程专业人才培养模式和专业课程建设提出了全新的挑战。

聚焦新工科内涵、国家重大需求和国际学术前沿，当前广东工业大学土木与交通工程学院给排水科学与工程专业于2020年通过住建部高等学校给排水科学与工程专业评估（认证），现正执行的培养方案的目标为：“本专业培养德、智、体、美、劳全面发展，具有高度社会责任感，良好的工程职业道德，善于沟通与合作，具有解决给排水工程复杂问题的能力，主动服务广东经济发展，适应给排水行业发展需求的高素质创新性应用型人才。毕业生能够从事给排水科学与工程的规划、设计、施工、管理、咨询等方面的工作，具有初步的研究和开发能力，在给排水工程设计领域有明显的竞争优势”。此培养目标体现了当前我校对给排水科学与工程专业毕业生在创新能力方面的重视。“水质工程学”作为给排水科学与工程专业的核心课程，是新时代给排水人才培养的主战场，但目前“水质工程学”课程在知识体系、创新思维和工程思维等方面仍存在一些不足，主要体现在三个方面：（1）本专业现行“水质工程学”的理论知识体系结构较简单，如给水、排水、工业水处理是独立的部分，难以锻炼和提升学生解决给排水工程复杂问题的能力。（2）本专业现行的“水质工程学”的教学组织（以“先学后教”为主）和教学方法（以基础知识传授为主），缺少对相关知识点的前沿及新技术应用实例的介绍，无法培养学生的创新思维，难以满足新工科建设、社会、行业和时代的需求。（3）本专业现行“水质工程学”的实验和实践环节偏重于基础知识点，缺少与实际工程问题的结合，使得学生的思维认知与行业所需的工程思维存在较大差距。

以上几点导致2018届、2019届毕业生及用人单位在对我校给排水科学与工程专业毕业生的评价中，出现了设计、开发解决问题的能力和研究能力较弱的现象，部分毕业生的能力水平与我国给排水行业主战场精英人才的能力水平差距较大。因此，为了我校毕业生尽快适应新时代新工科建设大环境，同时增加本专业在工程专业认证国际大背景下的实力储备，在“水质工程学”教学过程中充分挖掘和融入创新能力培养，对“水质工程学”课程的建设原则、知识体系、教学组织方法和评价体系等进行改革，是培养具有新时代特色、满足国家重大战略和社会行业需求的复合型卓越给排水人才的必经之路。

二、“水质工程学”应用创新能力培养的教学设计及实施方法

针对以上问题，本研究期望在新工科建设背景下，将“水质工程学”专业课作为本专业理论基础与创新能力并重的课程，改变一成不变的课堂教学模式，以提升学生的创新能力和解决给排水复杂工程问题为目的，增加前沿或新技术及应用实例课程的内容，让学生参与相关的前沿或新技术的拓展项目，并且有延续性地让毕业生在进行毕业设计时增加“预处理”或“深度处理”的专题设计，以提高解决复杂工程问题的能力，实现从“灌输理论”向“交互启发”转变，从“知识堆砌”向“能力塑造”转变。

（一）“1 个知识点+1 个前沿/新技术”授课模式

在“水质工程学1”“水质工程学2”和“水质工程学3”的授课过程中，教师采用“1个知识点+1个前沿/新技术”的模式，并且结合翻转课堂的教学设计（课前学生自主预习—课堂知识内化—课后知识点巩固），分别研究制定水质与水质标准、混合和絮凝、沉淀、过滤、消毒、氧化还原、膜过滤、其他预处理与深度处理、污水的物理处理、活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理、污水深度处理、污泥处理、处置与应用、气浮、吸附、离子交换、膜分离技术等19个方面的理论课程方案。

以“活性污泥法”中“生物脱氮”的知识点为例，教师在课前围绕基础知识点设计并布置预习思考题：（1）城镇污水生物脱氮过程的基本步骤；（2）描述生物脱氮中3类关键微生物的生化反应特征。学生在课前通过学习指定教材和参考书，独立完成课前思考题。课中，教师首先通过“脱氮目的—传统生物脱氮原理—3类关键微生物生化反应特征—生物脱氮反应器设计及优缺点”的思路进行讲解，着重帮助学生建立对基本原理知识（生物脱氮过程中3类关键微生物生化反应特征）与工程实践（生物脱氮工艺的环境条件要求和主要影响因素）之间的关联性的理解，完成“1个知识点”的学习；其次引出“1个前沿/新技术”，介绍国际研究前沿的“新型脱氮技术原理”——短程亚硝化脱氮（SHARON工艺）和厌氧氨氧化脱氮（ANAMMOX工艺），并通过氨氮转化机理的对比，强化学生对传统和新型脱氮技术的理解；最后对学习的基础知识点和前沿知识点通过主题研讨的形式让学生展开讨论，通过讨论考查学生对基础知识点的掌握程度，引导学生对新技术进行进一步的思考，拓展创新思维。课后，教师要求学生完成课后思考作业：（1）传统生物脱氮原理的思维导图；（2）结合课前预习与课堂讲解，分析“脱氮3类关键微生物的生化反应特征”与“生物脱氮除磷工艺的环境条件要求和主要影响因素”之间的关联性；（3）以一种新型脱氮技术为例，对比其与传统生物脱氮技术的优缺点。通过上述课前、课中和课后的具体教学设计，完成“1个知识点+1个前沿/新技术”的授课，通过此模式可以在不断巩固基础知识点的同时，拓展学生对相关知识点的延伸与创新研发思路。

（二）前沿知识拓展环节

“水质工程学”课程结束后，邀请国内外知名的水处理方向的高校专家、设计或水务行业专家进行科技创新讲座，开阔学生的视野，关注科技前沿，明确就业或升学目标。目前，针对“水质工程学”课程，本专业分别邀请了住建部给排水科学与工程专业评估委员会、教育部高等学校给排水科学与工程专业教学指导委员会，以及中国城镇供水排水协会青年工作者委员会的专家，组织了题为“饮用水安全保障的问题与挑战”“好氧颗粒污泥及其强化技术研究”及“紫外技术在水处理中的发展现状与展望”的专家面对面系列讲座，从专业发展趋势、专业技术前沿，以及水处理行业就业面临的挑战等方面为学生和教师带来了新的视野。

（三）实践能力提升环节

以提升学生设计/开发解决问题的能力和研究能力为导向，充分利用本专业科研/教学复合型师资的优势条件，并使其转化为我校学生的升学和求职竞争力。在“水质工程学”课程结束后，本专业利用课程设计“创新能力拓展项目”作为实践环节，组织了本专业科研/教学复合型师资对给排水科学与工程专业的学生开展“水质工程学”相关的前沿/新技术的拓展项目进行指导，选题包括“生物质炭（biochar）在水处理中应用”“碳材料阴极改性电芬顿去除水中有机污染物研究进展”“低温低浊水的处理难度及其强化处理方法”“异养硝化菌去除氨氮原理及应用”“水中药物及个人护理品（PPCPs）的危害及其控制技术”“典型含氮消毒副产物N-二甲基亚硝胺（NDMA）的前驱物种类、生成原理及控制方法”等专业研究热点的文献综述撰写，也包括“预处理对膜污染的控制作用研究”“超声波辅助过硫酸盐处理抗生素废水的研究”“城镇污水厂尾水回用水质净化工艺研究”“仿生光催化剂材料特征与应用”及“高压膜滤试验装置调试及运行”等实验研究的选题。以控制新型消毒副产物NDMA在消毒过程中生成为例，该消毒副产物还未列入我国生活饮用水卫生标准，但该副产物已经在欧美等国家及地区被列为重点控制对象，并且设置了严格的浓度限值（10ng/L），足以说明该新型消毒副产物的危害性。

近年来，我国上海、深圳两座城市陆续给出了给水厂出水中NDMA的浓度限值（100ng/L），该限值参考了世界健康组织（WHO）所给出的建议值，此限值高于欧美国家及地区的限制。未来5～10年内，我国生活饮用水卫生标准中可能也会加入NDMA的浓度限值。通过教师的讲解，让学生对于此前沿内容有初步认识并产生浓厚的学习兴趣，然后在授课过程中布置两篇国际顶级期刊的经典文献让学生学习并引导学生自行查阅文献，掌握NDMA前驱物种类。在文献学习的过程中，可让学生分组讨论，以小组形式学习文献内容。同时，基于NDMA生成原理进行组内探讨，找到控制消毒过程中NDMA生成的方法。以小组形式做总结报告并在课堂汇报，能够提升学生对前沿知识的学习能力。通过文献调研和科学前沿探究，使学生在实践中锻炼科学研究的技能，进而提升自身的创新能力。此外，组织有意愿的毕业生在毕业设计时增设“预处理”或“深度处理”专题设计，以提高解决复杂工程问题的能力。

三、效果分析

为了提升我校给排水科学与工程专业在工程专业认证国际大背景下的实力储备，改变以往“水质工程学”教学过程存在的不足，本课程教学团队充分挖掘和融入创新能力培养，对“水质工程学”课程的知识体系和教学组织方法上，探索了以创新能力培养为导向的改进。

通过创新能力培养模式的改变，结合翻转课堂，建立了“1个知识点+1个前沿/新技术”的“水质工程学”授课模式，并且结合“水质工程学”的基础知识点增加了“前沿知识拓展环节”和“实践能力提升环节”，激发了学生的学习兴趣，并且在不断巩固基础知识点的同时，拓展了学生对于相关知识点的延伸与创新研发思路。经过两届学生的教学实践，表明该改进措施的效果显著，主要表现为：（1）知识体系的优化改变了学生孤立看问题的短板，大大提升了学生解决给排水工程复杂问题的能力；（2）更加注重基础理论知识与工程实践的结合，激发了学生独立思考问题的能力，课程设计和毕业设计中工艺的选型更加多样化；（3）前沿知识和实践能力多环节的强化，开发了学生的科学研究能力、语言表达能力和创新思维，有效促进了具有新时代特色、满足国家重大战略和社会行业需求的复合型卓越给排水人才培养。

结语

在新工科背景下，本课程教学团队基于创新能力的提升对“水质工程学”课程进行了改革，建立了“1个知识点+1个前沿/新技术”的授课模式，并结合课程基础知识点增加了前沿知识拓展环节和实践能力提升环节，形成适合于我校给排水科学与工程专业水处理方向专业技术人才的多环节培养模式。项目实施方案科学合理，实施后有效提升了学生设计、开发、解决问题的能力和研究能力，并使其转化为我校学生的升学和求职竞争力。基于创新能力培养的“水质工程学”课程的教学模式，符合新时代给排水专业复合型人才的培养需求。