面向工程教育专业认证的“水质工程学”课程改革——以强化支撑“解决复杂工程问题”的持续改进为例

秦 雯，宋 阳，杜 星

（广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006）

《工程教育认证通用标准解读及使用指南》明确认证专业人才培养“解决问题”的程度应定位于“复杂工程问题”，确保达到以工程师为培养目标的本科层次工程人才培养要求［1］。“水质工程学”为给排水科学与工程专业的核心课程，涵盖了市政方向的水处理原理及工程设计的知识点，是支撑“解决给排水科学与工程专业的复杂工程问题”而开展课程持续改进的主战场，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［2-3］。

一、工程教育专业认证背景下“水质工程学”教学面临的挑战

2016年我国正式加入国际工程教育互认的华盛顿协议，更好地体现国际工程教育的新理念，且进一步加强与国际教育和互认的接轨。2017年“给排水科学与工程专业评估”更名为“给排水科学与工程专业评估认证”，采用全国工程教育专业认证通用标准和本专业补充标准，给排水科学与工程专业评估认证步入一个新的阶段。在高等教育更加强调专业人才培养与国际化接轨的趋势下，给排水科学与工程专业评估认证明确以学生发展为中心、以学生学习成果为导向和持续改进的核心思想理念［1］。为确保满足《华盛顿协议》实质等效要求，培养国际认可的专业人才，给排水科学与工程专业评估认证中对毕业要求中“解决给排水科学与工程专业的复杂工程问题”的达成度尤为重视。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。

当前我校给排水科学与工程专业于2020年首次通过住建部高等学校给排水科学与工程专业评估（认证），于2023年正在开展迎接复评的准备工作。现正执行的2022版培养方案的培养目标为：“本专业面向国家特别是粤港澳大湾区水健康循环以及水系统安全保障的重大需求，培养适应我国社会主义现代化建设需要，德、智、体、美、劳全面发展，具有高度社会责任感和良好的工程职业道德，善于沟通与合作，能够融合运用环境、水利、绿色建筑理念与技术，具有解决给排水领域复杂工程问题的能力，主动服务广东经济发展，适应给排水行业发展需求的复合应用型和创新型工程技术人才。毕业生能够从事给排水科学与工程专业相关的规划、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。预期毕业后5年左右，能够成为给排水科学与工程领域的技术与管理骨干。”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培养的重视，“水质工程学”作为给排水科学与工程专业的核心课程，是新时代高层次给排水人才培养的主战场，但“水质工程学”课程在知识体系和工程思维等方面仍然存在一些不足，主要体现在两个方面：一方面，本专业现行“水质工程学”根据给水、排水和工业水处理三大模块拆分为“水质工程学（1）”“水质工程学（2）”“水质工程学（3）”三门课程，理论知识体系与考核相对独立，难以培养学生宏观的工程思维以及提升综合分析能力；另一方面，本专业现行“水质工程学”的教学组织、教学方法以及考核内容主要以学生掌握理论知识原理为目的，缺少对相关知识点的工程实例分析与观摩，使得学生的思维认知与行业所需的工程思维存在较大的差距，难以满足新工科建设、社会、行业和时代的需求。

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“设计/开发解决问题”能力较弱的现象，部分毕业生水平与我国给排水行业主战场精英人才水平有明显差距。因此，为了我校毕业生尽快适应新时代新工科建设大环境，同时提升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工程思维的培养，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，是培养具有中国特色、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”工程思维强化培养的教学设计及实施方法

针对以上问题，本研究期望在工程教育认证背景下，将“水质工程学”专业核心课程作为本专业的理论基础与工程能力并重的课程，改变传统的课堂教学模式，以提升学生解决复杂工程问题能力为目的，在每个关键知识点的教学中融汇“水分析化学”“水处理微生物学”等专业基础课的基础理论知识，并引导学生将给水、排水和工业水处理知识点进行平行讨论，促使学生逐渐构建综合的理论知识体系，能够站在宏观的角度分析问题。同时，在每个关键知识点的教学中引入实际工程案例，引导学生以工程师角度去分析实际案例中关键条件，如何调用理论知识并选用合理的工艺去解决复杂工程问题。

（一）“课堂实例分析+课后方案设计”授课模式

在“水质工程学（1）”“水质工程学（2）”“水质工程学（3）”的授课过程中，教师采用“课堂实例分析+课后方案设计”模式，并且结合现行的翻转课堂的教学设计［4］，分别研究制订理论课程方案，从理论灌输向能力塑造转变［5］。

以“水质工程学（2）”中“带有膜分离的活性污泥工艺系统（MBR工艺系统）”知识点为例，课前，教师通过设计开放式的预习思考题（膜工艺为什么在给水处理、污水处理以及工艺水处理中均能应用？膜工艺与活性污泥工艺结合的优势？MBR工艺中是否有生物膜的产生及其原因？）引导学生构建基础理论知识结构。同时，提前给学生分享经典的MBR工艺CAD图纸，鼓励学生们主动去查找相关课外工具书（设计手册/规范）以探索陌生的工艺系统，带着求知欲进入课堂。课中，教师首先组织学生针对课前思考题展开讨论，考查学生对于工艺原理以及基础理论知识的掌握程度，并引导学生构建理论知识的思维导图；然后，教师采用典型案例（广州某污水处理厂采用基于AAO的MBR工艺）作为工程问题的切入点，通过多媒体资源（视频、照片、CAD图纸）手段，对典型技术应用案例进行分析，案例分析不仅包括工艺处理过程分析，还包括实际MBR工艺运行维护过程中膜清洗技术与过程展示，引导学生展开思路，以工程师身份，与教师共同探讨技术在实际应用中所面临的困难和挑战。课后，教师布置综合性的课后作业，如“根据具体的水质和水量条件，设计一套基于MBR工艺的完整的工艺流程，并列举出类似条件下的实际工程案例”，促使学生在复习课内知识点时着眼于实际工程应用，同时，要求学生在典型的工艺CAD图纸上标注水流方向，以强化其对典型工艺的理解以及看CAD图纸的能力。

通过上述每堂课的课前、课中和课后的具体教学设计，完成“课堂实例分析+课后方案设计”的授课，通过此模式可以在不断巩固基础知识点的同时，拓展学生对于相关知识点的延伸，并加深对实际工程案例的理解，使其具有与时俱进的工程师视野。

（二）综合性考核环节

课程考核是量化学生知识掌握程度的重要环节，“水质工程学（1）”“水质工程学（2）”“水质工程学（3）”课程均采用综合性考核方式，考核内容包括35%平时成绩（考勤情况、预习/复习作业成绩、课堂讨论表现、典型案例CAD图纸掌握程度）和65%期末考试。期末考试试题内容设计时设置开放性的综合应用题型，以“水质工程学（2）”课程考试为例，综合应用题在题目中给出具体的水量、水质、地理条件以及污水回用用途，要求学生设计一套适宜的污水处理流程、绘制工艺流程图、分析采用该工艺的理由、阐述各工艺单元的功能。学生首先要分析各项指标：一级处理可去除30%左右COD&BOD，剩余的由二级生物处理去除，如BOD/COD=？（0.67＞0.3，判断可生化性）；BOD/N/P=100∶5∶1？判断是否需要同步脱氮除磷？是否还需要化学除磷辅助？污水回用用途对应的水质标准是什么？分析过程可以学生对于一级处理、二级处理和深度处理程度的理解以及对于水质标准的熟悉程度。然后，学生在分析水质参数的基础上，确定适宜的工艺流程，并绘制工艺流程图，考查学生对于不同水质的工艺选型的掌握程度。最后，学生用文字描述工艺各阶段的原理及功能，考查其对于具体工艺的功能、特点的掌握情况。通过以上几个方面考查学生解决复杂工程问题的能力。

（三）实践拓展环节

在“水质工程学”对应的两个课程设计（“水厂课程设计”和“污水处理厂课程设计”）任务书中不断完善设计条件，指导教师根据每一届学生的具体学情，设置集中或分散的答疑模式，深入参与学生的计算和绘图过程。在设计过程中加强专业规范和工程案例的综合解析，使学生从实践中锻炼解决工程问题的技能，并提升学生设计兴趣。此外，组织毕业生在毕业设计时增设“深度处理”专题设计，选用当前主流工艺设计处理流程，并考虑远期目标而初步制订应对方案，使学生在设计过程中更贴近实际工程，在设计中培养工程思维。

三、效果分析

为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工程思维培养，对“水质工程学”课程的知识体系和教学组织方法探索了以强化工程思维为导向的改进。

通过工程思维培养模式的改变，结合翻转课堂，建立了“课堂实例分析+课后方案设计+综合性考核”的“水质工程学”教学模式，并且结合“水厂课程设计”和“污水处理厂课程设计”两个实践环节，在不断巩固基础知识点的同时，拓展学生对于相关知识点的延伸与工程思维。经过两届学生的教学实践，表明该改进措施的效果显著，主要表现在：优化知识体系，提升了学生综合、辩证思考能力；强化基础理论知识与工程实践的关联，学生更熟悉专业规范和工程案例，更明确实际复杂工程问题的缘由和应对措施，学生在课程设计和毕业设计中工艺的选型更多样化、与时俱进，有效提升了学生解决给排水工程复杂问题的能力，更符合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的需求。

结语

在工程教育认证背景下，本课程教学团队基于强化工程思维对“水质工程学”课程进行了改革，建立了“课堂实例分析+课后方案设计+综合性考核”的教学模式，并结合“水厂课程设计”和“污水处理厂课程设计”的实践环节进行知识点扩展，形成适应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对毕业要求分指标点中“解决给排水科学与工程专业的复杂工程问题”方面的达成度，符合工程教育认证下专业核心课程持续改进的要求。