“水污染控制工程”课程建设与教学改革探索

陈 一，何 强，许 劲

（重庆大学 环境与生态学院，重庆 400044）

引言

水是生命的源泉，工业的血脉，城市的命脉。随着我国生态文明建设、美丽中国建设等重大战略的全面推进，对水环境质量提升，特别是水污染防治提出了新的要求。《中华人民共和国水污染防治法》的颁布与修订，强化了水污染控制领域相关人才知识能力培养的重要性与紧迫性，应将水污染控制相关课程纳入高等教育、职业教育和技术培训。“水污染控制工程”是一门采用科学和工程技术的方法，解决与污水处理及回用相关的问题，并最终以与环境、生态、社会和经济相适应的方式保护水环境、水资源和公共健康，维持社会和经济可持续发展的学科。“水污染控制工程”是环境工程专业的必修核心专业课程，紧扣国家生态文明建设和环境保护需求，具有理论与工程实践并重特性，坚持立德树人，遵循以学生发展为中心的教育理念［1-2］。因此，如何提高“水污染控制工程”教学的育人质量，是适应新时代高等教育立德树人新要求的重要课题［3］。

一、“水污染控制工程”课程教学面临的主要问题

在生态文明建设需求与新工科建设背景下，水污染控制工程面临着新挑战，水环境问题呈现系统性、复杂性，综合治理难度远超以往，再加上课程的实践性、综合性与学科交叉特性，沿用传统教学模式，学生难以掌握水污染控制的系统性知识，制订处理工艺方案和系统解决方案的能力较弱。在课程教学中亟待解决的重点问题有以下几方面。

（一）课程教学目标不完整

水污染控制工程包含控制理论与控制工程两部分，在教学中应做到理论与工程实践并重，让学生能够运用其理论和方法解决环境领域面临的复杂工程问题。然而，目前本课程教学目标存在两极分化的现象，理科类院校重理论轻实践［4］，工科类院校重实践轻理论，均不利于新工科建设背景下复合型工程科学人才的培养。

（二）课堂内容滞后于科技发展

现代科技发展迅速，水污染控制新原理、新技术层出不穷，规范标准更新速度快。然而，目前使用教材内容普遍滞后，与国家重大需求、世界科技前沿存在代差，理论与实践脱节；课堂理论学时普遍压缩减少，知识碎片化现象日趋严重［5］。

（三）实践教学系统难以激发学生的创新潜能

课程设计和实验教学是“水污染控制工程”课程教学的重要环节，但学生对实际工艺理解不深，难以将设计理念与工艺运行有效结合；实验教学体系在规范操作层面成效显著，但缺乏综合训练和创新训练，难以激发学生的创新意识。

二、课程教学改革思路

（一）明确适应工程教育专业认证的教学目标

工程教育是我国高等教育的重要组成部分，工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是培养与社会相适应人才的基本路径［6］。“水污染控制工程”课程作为环境科学与工程专业本科教学的专业主干课程和必修课程，培养学生作为水处理工程师的专业素养，掌握水污染控制领域的基本理论、专门知识和基本技能，熟悉并能正确运用水处理工程设计的相关标准、规范与手册，具备水处理工艺设计计算与图纸绘制的能力，为学生能够顺利完成毕业实习、毕业设计，并开展污水处理相关的科学研究奠定坚实的基础。

（二）完善并更新课程内容

根据学科最新发展趋势和专业人才培养目标，定期修订教学大纲和考试大纲，更新知识体系，确保课堂教学内容的先进性和前沿性［1，7］；注重经典与现代衔接，结合国家重大工程，通过案例研讨，将最新科研成果及前沿科学问题融入教学，开阔学生学科视野，激发学生的求知欲望和探索精神；结合国内外专业教材、专著及国内外最新研究成果，增加污水处理碳中和与能源回收等内容，提高课程的高阶性和挑战度；有机融合课程思政内容，促进学生价值塑造的同频共振，提高学生的学习获得感和素养能力，形成“知水、乐水、爱水”的“水污染控制工程”课程的核心价值观。

（三）构建现代化信息技术教学系统

构建基于虚拟现实技术（AR）和App（雨课堂、蓝墨云、问卷星、Adobe Connect）等现代化信息技术教学系统，通过学院国家实验教学示范中心虚拟仿真实验室让学生对污水处理流程及各工艺设备构造进行情境体验型学习。利用现代化信息技术实现云班课、翻转课堂、移动教学及智能设备教学等，让学生形成带着问题进课堂的思维模式和行为习惯。针对课程重点和难点，充分利用教学互动过程中生成的数据信息进行智能化系统分析、联动分析和对比分析，驱动智慧教学不断优化与完善，让课程教育完成从“经验互动”到“数据互动”。

三、课程教学改革探索

（一）完善课程教学目标

在国家深化教育改革的背景下，教育模式由工程技术型逐渐向工程科学型转变，科学与工程并重，培养能够融合科学发现与工程技术的工程科学人才是本课程的人才培养目标。本课程在传统上是培养学生作为水处理工程师所需的专业素养为目标。随着社会对科学能力与创新人才的需求，工程教育将科学研究能力与素养也纳入了专业认证的毕业要求当中，以期通过课程的开设为污水处理领域相关的学术研究奠定基础。因此，通过本课程的学习，应使学生具备以下能力：（1）通过对水污染控制专业技术方法与工程知识的学习，掌握水污染控制工程的典型技术原理，认识水污染防治工程问题的复杂性，通过水污染控制系统方案比选与工艺设计，能够将理论知识用于水污染治理领域复杂工程问题的新技术开发和工程设计；（2）在水污染控制领域，夯实学生应用数学、自然科学和环境工程的理论基础的能力，结合课堂实验，发现、识别、描述、判断并定性定量分析典型水处理领域的关键性问题，理解实验研究在水污染控制过程中的意义和作用，并具有水处理技术方法的科学实验设计与研究能力；（3）了解社会需求、国家政策和法规，熟悉水污染控制相关标准及规范手册，能根据复杂的水污染控制工程问题的目标，提出有针对性的设计/开发方案，尤其是新型城镇化过程中的水污染控制复杂问题中的系统、单元或工艺流程设计方案；（4）结合相关工程背景知识，优化水污染控制方案与工艺设计，降低或避免水污染控制工程设计、建设与运行管理过程对社会、健康、安全、法律以及文化的影响［8］。

（二）优化课程教学知识结构与内容

针对环境专业的学生，开展学习特征的调研工作，通过多方位的结果分析，全面了解学生的公共基础和专业基础知识储备以及学习需求；深入分析政府部门、行政单位、事业单位、设计院、企业及科研院所需要的人才在本课程的知识内容、工程技术能力及综合素质方面的具体需求；梳理并分析本课程的知识点与环境科学与工程学科下其他公共基础课程、专业基础课程知识点的互补性与教学进度的衔接，确定本课程的知识结构需求及统筹布局。从以下三方面系统分析其知识点互补性及交叉关联性，优化并重构符合本专业课程特点的“水污染控制工程”教学内容体系：（1）现有课程教材《水污染控制工程》、《排水工程（下）》（第五版）等教材的具体知识点；（2）公共基础课程“高等数学”“大学化学”等各课程中的基础理论知识点；（3）环境学科下“画法几何”“工程制图与计算机绘图”“流体力学”“物理化学”“环境监测”“环境工程微生物学”“环境工程原理”“排水管网与泵站”“工程力学”“工程地质与水文地质”“环境水化学”等专业基础课程中支撑的本课程基础知识点。针对环境专业的学科特色、课程特点、就业需求与专业人才培养目标，系统分析前序各课程知识点在本课程理论与实践教学内容的衔接与交叉情况，合理安排课程知识框架设计方法，按照水污染控制工程“理论—方法—技术”为递进逻辑主线，以“绪论、反应器理论、均化、固液分离、化学混凝、吸附、活性污泥法、生物膜法、污水生物除磷脱氮与再生水回用、污泥处理与处置”为主要课程教学内容，补充污水处理碳中和与能源回收等国家重大需求与国际学术前沿相关内容，对教学大纲中的知识框架进行优化，并完善其框架下的教学要求与知识点，修订教学大纲。

（三）创新教学组织实施

“水污染控制工程”理论教学按照2学时课堂教学节奏进行课程内容设计，以污水处理理论与工程技术的基本原理为起点，按照典型水污染、水质指标、水污染控制的物化和生化原理、技术措施和设计计算为主线，引导学生对课程内容进行学习和研讨，重点指导学生制定工艺方案，帮助学生掌握水污染综合分析和全流程质量控制。通过问题导向式教学和研究型学习，让学生成为主动学习者，提高学生教学参与度；通过理论与实践教学有机融合，培养学生分析复杂环境问题的能力与实践创新的能力；结合相关的工程案例，做到追根溯源，培养学生发现问题、分析问题并解决问题的能力，激发学生的学习兴趣；分析突发水环境污染，培养学生的环保情怀和奉献精神；定期邀请行业专家进课堂，培养学生的工程师职业素养。在课堂外，利用网络平台以多种贴近学生的方式进行学习资源的推送和课外指导，将课程内容延伸到课外，激发学生的探索欲望和创新精神；通过需求导向开设专题讲座，引入水处理前沿技术。

（四）打造“智慧+专业课”新模式

针对教学中学生对污水处理工艺及构筑物难以建立“立体化”系统思维，造成对实际构筑物与工艺理解不深的问题，可通过开发虚拟仿真软件系统平台，进行线上教学。通过虚拟现实技术实现水质分析软件、大型分析仪器、典型污水处理厂、单体构筑物及泵3D素材等“可视化”教学，同时利用工程设备展示相结合开展“体验式”教学，让学生“身临其境”。针对专业教学模式存在的“一对多”，上课教学节奏主要通过教师经验判断的问题，通过使用现代化信息技术教学系统（雨课堂、蓝墨云、问卷星、Adobe Connect）等，可线上支持课堂随测，时刻关注学生的学习进度，实现多人高效互动、答疑弹幕及大数据分析等，助理教学过程从“经验互动”到“数据互动”，实现对传统课程教学环境的智慧赋能。

（五）建立综合考核评价体系

传统教学考核仅注重结果管理，导致学生也普遍只注重理论知识的掌握，靠考前临时复习应对考试，往往考试结束后对所学知识迅速遗忘。课程应理论与实践并重，采用“过程性评价”考核方式，注重学习效果和实践能力的综合测评。理论课程成绩由作业与课堂研讨（30%～40%）、理论考试（60%～70%）组成，课程设计与专业实验成绩采用等级制单独计算。通过作业和课堂研讨，考查学生识别、描述、分析及表达环境问题的能力；通过理论考试，测评学生在专业知识应用及分析解决复杂水环境问题的能力；通过课程实验、课程设计与实习，衡量学生整合反思和团队协作沟通交流的能力。通过考核方式的改革与优化，建立反馈学习效果的全生命周期评估体系，加强了对学生综合能力的系统化考核，提升学生对所学知识的全面掌握和深度理解。

结语

在国家全面推进生态文明建设、美丽中国建设等战略部署下，水污染防治受到高度重视。“水污染控制工程”课程作为高等院校环境类专业本科教学的主干课程之一，其建设与改革方向应以适应未来水污染控制相关的工作岗位能力需要的工程科学人才培养为主线，加强传统课程教学环境的智慧赋能，以多方位的课程教学改革为依托，激发学生探索欲望和创新精神，全面提升学生的水污染控制知识掌握、专业技术能力与科学素养，塑造“知水、乐水、爱水”的水污染控制课程的核心价值观，培养具有良好的科学素养、具备解决水污染控制工程关键性复杂问题的工程科学人才。