智慧水务背景下给排水科学与工程专业实践教学改革探索

许铁夫，陈悦佳，刘金锁

（黑龙江大学，黑龙江 哈尔滨 150080）

一、引言

近年来，随着数字信息技术与传统工科行业的结合，许多传统工科行业正在向智慧化行业转型，促进了传统行业的快速发展[1]。水务行业也出现了重大变革，如北控水务集团搭建了BECloud 智慧云平台、深圳环境水务集团构建智慧水务系统实现了水务数字化转型等[2]。智慧水务的出现，为传统水务行业带来新的市场格局[3]。2012年以来，国家对智慧水务建设提出了一系列政策支持，尤其是2015年“水十条”的提出，为水务行业发展指明了方向，同时，也对人才培养提出了新的要求[4-5]。

据相关部门统计，智慧水务市场规模从2014年的65.6 亿元增至2021年的140 亿元，研究发现，给排水专业每年向市场输送1.1 万名左右的专业人才[6]。相关研究表明，过去15年从事以设计、施工、水务运营为代表的传统行业工作的给排水专业毕业生人数占实际就业人数的85%以上[7]，但传统行业人才市场已经呈现饱和状态，很难为行业带来新的就业增量。智慧水务市场规模的扩大创造了大量就业岗位，但是，由于人才培养的脱节，大部分毕业生并不具备相关能力。传统给排水专业人才培养体系缺少数字信息技术培养，很多新型的信息化技术难以进行快速整合[8]。相关研究认为，完全颠覆以前的培养体系是不科学的，同时，考虑到信息技术本身对实践能力的要求，给排水专业应重视学生实践能力的培养，以实践教学作为突破口培养学生的信息化能力，使其满足智慧水务市场需求[9-10]。

二、实践教学体系构建

（一）基于智慧水务模块的实践教学环节设置

现阶段，给排水专业实践教学主要培养学生的实验能力及设计能力，缺少信息化能力的系统培养[12]。为满足智慧水务人才需求，需要在现有实践教学环节中增加智慧化教学环节，因此，教师对原有实践教学环节进行了必要的创新和完善（图1）。

图1 智慧水务模块实践教学环节

事实上，智慧水务对人才的需求主要集中在数字化技术、仿真模拟技术及专业软件应用等方面。Python、R 语言、SPSS、Matlab 等软件对数据挖掘和分析的能力要求远胜于传统软件，考虑到未来水务大数据逐步实现，相关软件工具和数据处理方法的学习迫在眉睫。在实验教学环节，可以基于仿真模拟技术搭建虚拟仿真实验平台，特别是对于“流体力学”等抽象性强的课程而言，通过模拟仿真可以有效提升学生解决相关问题的能力；在实习环节，通过数字孪生等技术能够拓展学生的专业视野，极大地提升实践教学效果；在课程设计环节，引导学生使用BIM、GIS 等建模软件对数据进行应用设计建模，不仅能提升学生的设计能力，实现对知识点的连续性教学，也可有效衔接后续概预算及经济分析等知识，甚至可以打通专业壁垒，使学生获得多专业协同设计的机会；在毕业设计环节，可以通过整合实验数据和建模设计形成项目化设计，增加使用虚拟建模软件对设计图纸进行模拟运行的环节，提高学生对信息化技术的综合应用能力。

（二）基于智慧水务模块的实践教学课程设置

在智慧水务模块实施过程中，仅增加智慧化教学环节是不够的，还需要在原有课程基础上开设一些必要的智慧化课程，同时应丰富选修课程，构建基于智慧水务模块的课程体系（图2）。在给排水专业智慧化转型中，不同的培养阶段都应针对性地进行知识点的重构和课程体系的优化。

图2 智慧水务模块课程体系

在通识课程环节，可开设相关课程，如“计算机数据分析方法”“数据结构与数据库”等。教师应优化目前程序设计类课程的教学内容，着重培育学生利用开源信息解决程序问题的能力；为解决现有计算机原理过于基础的问题，着重培养学生利用计算机工具解决专业问题的能力，提高其对各种通用工具软件的熟悉度，为学生后续学习其他智慧水务领域课程奠定坚实的基础。

在专业基础课程环节，一方面应重视培养学生对专业工具软件的应用能力。可适当增加“BIM 技术”“GIS 技术”等课程或知识单元，提升学生对设计图纸三维模型化的呈现能力。此外，教学过程要善于利用案例、图形库、辅助工具等，提升学生的绘图效率和质量。另一方面应提高学生对数字化建模及仿真模拟的认知，进而培养知识运用能力。以“水文学”课程中的水文模型为例，需新增对实际水文模型进行虚拟仿真的知识模块，使学生对理论模型的实践应用有更深的认知。在“水力学”和“流体机械”课程学习中，教师可利用CFD 仿真模拟提升学生对课程知识点的应用能力。同时，考虑到水系统的数字化转型需求，未来将有大量水系统借助数字孪生技术实现对水厂的信息化管理，因此，应增加有关数字孪生、智慧水厂等方面的内容，帮助学生了解行业动态，提高学生适应行业发展的能力。

在专业核心课程环节，重点培养学生利用数字化手段解决实际问题的能力。由于这一阶段的知识密度较高，不可能大幅度增加知识体系的内容，因此，可适当增加数字化仿真、模拟等内容，进而有效提升学生对智慧水务的理解和操作能力。

在专业拓展课程环节，可通过对缺失的关键知识点进行课程植入及选修课程的设置等方式，培养具备专业能力和信息技术能力的复合型人才。植入的课程内容与原有教学内容有机结合，同时穿插实践案例，形成递进式的模块化教学。在这一阶段的培养中，课程设计周和其他实践教学环节（如认识实习等）是最为核心的，因此，改变单纯地采用工艺设计的模式为以数字化导向设置设计任务。例如，泵站设计中重点立足泵组数字化节能、管网设计中植入大数据应用案例、水厂设计以BIM（Building Information Modeling）形式呈现成果等。每个阶段都注重对学生数字化能力的培养，最终使学生达到具备解决智慧水务工程实际问题的能力的教学目标。

考虑到学时有限和任务繁重的现状，教师应在实际教学过程中对智慧化的知识点有的放矢。首先，智慧水务模块对专业软件的操作应用需求比较高，应在核心理论教学阶段增加对这些专业软件的理论知识教学，为后续的系统化软件教学打下基础。其次，针对智慧水务对数据处理方面的能力需求，教师应在专业基础教学阶段进行基本的数据处理教学，如“数据挖掘”“机器算法”等需要深度学习的课程可作为选修内容进行教学，给学生提供更大的选择空间。最后，除教学方面的变化外，在课程设计及毕业设计中应添加关于仿真模拟及数据处理的内容，使学生能够对新增的智慧化教学内容进行实践应用。而在实习阶段，高校应丰富校内外实习实训基地类型，确保智慧水务实践教学的顺利开展，新增的知识点应有对应的实习实训基地，以提高对学生实践能力的整体性培养。

三、实践教学考评体系构建

（一）实践教学考评体系的构建及特点

传统的给排水专业实践教学考评体系主要以实验结果、设计图纸的质量及说明书中的计算过程等作为评价依据，整体的考评过程呈现出静态化的特点，注重结果但忽略了过程中学生实践能力的体现。虽然一些高校开始采用过程性考评体系，但仍缺乏量化标准。因此，智慧水务教学模块的考评体系构建应基于过程性考核机制，以评促学。

智慧水务模块应采用分阶段的考核方式，不同的知识点对应的考核重点也应有所不同。对于通识课程的考核，可以增加一些过程节点；对于在传统课程基础上延伸出来的课程体系可以增加过程性考核。在对数据的分析处理能力及相对应的计算机操作能力的考核的基础上，注重数据处理使用的方法及最终的结果呈现。对于专业基础课程的考核，可以借助模型，如针对模型参数的不同选择所带来的导向性差异进行系统性评价。对于专业核心及拓展课程，可以进行全过程评价和考核，通过提供智慧化水系统案例，设置不同节点进行阶段性考核，汇总后形成整个项目的决策情况，考核学生对信息化水务系统的决策分析能力。基于智慧水务模块实践教学的考评体系，是一种连续式、接力式的考评体系，从通识课程到专业基础课程，再到专业核心课程，环环相扣，最终形成一个完整的任务链，指向解决智慧水务实际问题的能力目标（图3）。

图3 智慧水务模块实践教学考评体系

（二）实践教学考评体系的跨学科评价

智慧水务模块教学中需要大量融合计算机、信息管理等专业内容，这部分内容的考核需要给排水专业课教师与计算机专业课教师进行跨学科合作，结合两个专业的教学目标进行综合性考核目标及内容的确定。对于仿真建模内容的考核，可以以项目为出发点，采用综合评价机制，通过案例、成果等多种方式进行评价。

智慧水务模块实践教学课程体系与考评体系的构建，是一个全新尝试，通过数字化、智慧化知识点的植入，将智慧水务模块同原有课程体系进行有机结合。考核的结果为智慧水务教学建设提供反馈信息，有利于实践教学的不断提升，而考核方式的多元化也使学生的应用能力有所提升，最终培养出具有新工科思维的符合智慧水务市场需求的复合型人才。

四、结束语

高校作为专业人才培养的重要平台，在人才培养目标上要契合行业的发展。通过给排水专业实践教学体系的改革，构建智慧水务模块，培养学生的信息化能力以满足智慧水务市场需求。实践教学体系及考评体系的构建是实现智慧水务模块教学的关键。高校应研究目前已经构建的相对完整的智慧水务实践教学课程体系及对应的考评体系，并对新的人才培养体系进行修正和优化，在不断的实践中完善人才培养方案，以满足行业发展带来的不同需求。