人工智能背景下“水工艺设备基础”课程教学改革研究

张佳妹 奚姗姗 李国莲 谢发之 黄健 李辉

摘 要：“水工艺设备基础”作为给排水科学与工程专业的基础课程，具有较强的理论性、实践性和应用性。然而，在人工智能的迅猛发展下，其实际教学过程中还存在不足之处。因此，本文围绕“水工艺设备基础”课程展开了一系列研究，通过针对性的教学改革和实践，将人工智能融入课程教学实践过程中，培养学生实际工艺应用能力，不断提高学生的创新实践能力及社会责任心，为国家和地方培养具有时代特色和满足社会需求的高素质应用型人才。

关键词：水工艺设备基础；给排水科学与工程专业；人工智能；教学改革

1 概述

随着新一轮科技革命持续深入推进，人工智能获得较大的发展，其作为较具代表性的新科技改变了人们的学习、生产、生活方式，也冲击着人们的固有认知和思维方式，使人类社会进入人工智能新时代［1］。作为未来发展的战略技术，人工智能正以极快的速度与各领域相融合。阿尔文·托夫勒曾在《第三次浪潮》提出，谁掌握了信息，控制了网络，谁就拥有了整个世界［2］。因此，人工智能领域的迅猛发展引起了社会各界的广泛关注。为应对这场人工智能技术革命浪潮，社会各界积极参与、融入与学习，以适应人工智能技术的发展［3］。

教育是国之大计、党之大计，教育以育人为目标，育人的根本在于立德。为贯彻落实《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》（国发〔2017〕35号）和2017年全国高校科技工作会议精神，引导高校以世界科技前沿为目标，提升高校在人工智能大背景下的人才培养和服务国家需求的能力［4］。教育部《高等学校人工智能创新行动计划》（教技〔2018〕3号）明确地给出了本科院校关于人工智能发展的科技创新体系［5］。高等学校积极发展人工智能教育是符合新工科建设要求的，促使新工科背景下培养的人才既具备前沿人工智能学科知识与解决人工智能问题的专业能力，也具有人工智能工程伦理与系统思维等综合素质［6］。人工智能融入教学是高校落实立德树人根本任务的重要举措，其有利于维护高校意识形态安全，提升高校教学的亲和力，推动高校教育教学评价体系的精准化［7］。

教育部在2019年10月发布的《关于一流本科课程建设的实施意见》中提出，课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量，完善以质量为导向的课程教学改革已势在必行［8］。近年来，随着人工智能领域井喷式发展，国内外学者在探究如何将人工智能与当代大学课程教学相融合展开了广泛研究。例如，洪常春［9］利用人工智能技术对当代大学英语课程思政进行了改革。南玉龙等［10］在2023年探讨了如何将人工智能教育融入机械工程测试技术课程。然而，以上利用人工智能技术进行的大学课程教改主要侧重于教学技术和教辅工具的改革和应用，当前人工智能融入高校教学还面临教师信息素养、体制机制、融合内生动力等方面的困境。因此，在人工智能背景下，如何进行大学课程的教育教学改革仍是当前教育领域有待探究的问题。综上，本文通过对“水工艺设备基础”课程展开研究，将人工智能充分融入“水工艺设备基础”课程改革中，从而培养具有创新意识、适应和引领未来发展的“人工智能+给排水工程”的复合型专业人才。

2 “水工艺设备基础”课程在教学过程中的不足

2.1 教学内容相对滞后

“水工艺设备基础”课程是基于水工艺设备而产生的一门给排水科学与工程专业的基础课程，本课程选用黄延林、范瑾初主编的《水工艺设备基础》作为教学教材，其课程内容主要包括水工艺设备理论基础以及各种水工艺设备的原理、结构及应用，虽然教材内容极为广泛，知识点多，概述性强，但目前的教学内容与当前智能化工艺与技术脱节，无法满足现阶段行业发展需求。例如，目前国内水环境中抗生素含量相对较高，去除方法复杂，学生如果对以抗生素去除为主的新型污水处理设施了解不足，就无法设计出自动化、智能化的污水处理新设施及新工艺。这与新工科建设中“将产业与技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入教学过程”的要求不一致［11］。

2.2 教学方式相对单一

“水工艺设备基础”课程在安徽建筑大学给排水科学与工程专业课程体系中起着承上启下的作用，本课程对培养学生专业兴趣、开拓专业视野和形成创新思维具有积极意义。随着人工智能技术的发展，水工艺设备具有更新快、制造技术要求高等特点。然而，该课程教学主要以教材为重心，利用多媒体手段讲授“水工艺设备基础”教材中水工艺设备结构及工作原理等学生不易理解的知识，学习任务繁重，这就导致在实际教学中仅关注理论教学而忽视实践环节。

2.3 考核方式相对简单

传统的考核方式已不能满足当代大学生未来的就业需求，“水工艺设备基础”课程的考核方式较为简单，主要是以期末开卷考试为主（70%），平时成绩（包括出勤率与课后作业）为辅（30%），该考核方式导致大部分学生侧重于学习重点考试内容，不利于学生的实践练习，难以满足新工科下学生综合能力的培养，所以“水工艺设备基础”进行考核方式的改革迫在眉睫。

3 “水工艺设备基础”课程教学改革

3.1 教学内容与时俱进

人工智能技术在水处理工艺中具有广泛的应用前景，目前“智慧水务”也是我国水处理方向发展的主要趋势，但在教学中的融合却面临一定的挑战和问题。根据给排水专业人才培养目标和方案，强化“以学生为中心，学生能力为导向”，改变传统的知识点传授，调整教学重点。从目前学生学习状况反馈，学生对基本理论概念与实际应用存在一定程度的分离，学生对文字性的原理、结构等可以理解，但面对实际应用时无法充分应用所学内容。因此，需要对教学内容进一步优化和扩充，将与水工艺设备相关的材料学、机械制造、人工智能等方面的知识融入水工艺设备基本原理、结构等课程内容。

其次，在教学过程中，增加前沿性的行业热点话题、与人工智能技术相结合的工程案例等，可以使学生在实际工程案例中感受人工智能技术在水工艺设备中的应用，充实水工艺设备基础课程教学内容，使学生更好地理解和应用所学知识。人工智能技术与水工艺设备之间的知识协同和融合是促进学生学习的关键所在，例如，在讲授“曝气设备”时，传统曝气设备主要包括表面曝气设备、鼓风曝气设备、水下曝气设备等，然而在人工智能背景下，目前主要使用的是智能曝气系统。因此，在授课过程中结合案例分析，详细讲解智能曝气系统的原理、结构、应用方法。

3.2 重构教学实践体系

“水工艺设备基础”课程是一门培养学生实践能力的专业课程，因此在教学过程中以培养学生的创新能力、提高学生解决水工程实践能力为导向，将“水工艺设备基础”课程教学分为课堂教学、课程实验与现场认识实践三部分。课堂教学主要学习水工艺常用设备的原理、结构，在课程实验教学过程中，主要学习与水工艺相关的化学、物理实验，增强学生的动手能力。例如，在“分离设备”章节，在实验室学习筛网分离、膜分离等分离设备如何将水中的颗粒物、泥样进行分离与过滤，观察分离过程，使学生增强感官认识。

在现场认识实践教学过程中，与污水处理厂、给水厂等展开深度合作，结合给排水行业特色，促进校企优质资源的高度融合，重建“水工艺设备基础”课程体系，将产教协同育人融入课程中。在认识实践部分，针对不同层次学生将认识实践分为基础性、综合性、设计性、创新性这四个层级，满足了不同学生，不同工程设计方案、不同水工艺技术的实践教学，提高了学生的参与积极性及实践教学效能。例如，在讲授“污泥处理设备”时，带领学生前往污水处理厂进行现场教学，认真倾听工程师详细讲解目前污水处理厂正在运行的污泥处理设备的结构及原理，以及其与智能系统如何融合使用，充分将课本所学实物展示在学习面前，激发学生对人工智能大背景下实际工程问题的深度思考，为培养学生实践能力和解决复杂工程问题奠定基础，进而满足当前行业发展需求。

3.3 创新教学模式

在“水工艺设备基础”课程教学过程中，从传统的以教为主转变为以学为主和以学生为主。在人工智能背景下，将采用“线上、线下混合式教学”模式，引入教学虚拟平台和仿真模拟技术，为学生提供丰富多样的学习体验。课前，教师将需要提前预习的内容推送到该虚拟平台中，学生自主预习，教师远程辅导。课中，教师利用智能软件，结合仿真模拟技术，设置实际水污染问题，组织学生利用所学知识对实际问题进行分析、讨论，并通过该问题对所学知识进行扩展。课后，教师通过大数据分析技术对课堂学习数据进行分析，并针对不同学生提供个性化辅导和课外拓展，引导学生关注与课程内容相关的国内外最新水工艺设备与技术，从而促进学生利用所学知识开展分析、实践，拓宽学生“人工智能+水工艺”的新视野。

在该教学虚拟平台上，教师及学生可以将学生之间的交流讨论的成果汇总上传至交流平台；同时，教师与学生也可将调研发现的目前国内外最新的水工艺设备及其相结合的水处理措施，尤其是目前关于人工智能应用到水工艺设备及水处理技术的案例上传至交流平台，在该平台上，鼓励学生对案例进行讨论，积极发表自己对案例的理解与思考，促进学生的查阅、思考能力。这种教学模式融合了人工智能技术与传统教学模式，从而提高了“水工艺设备基础”课程的深度及广度。

3.4 改革教学方法

根据给排水行业“智慧水务”发展对毕业生具备“新工科”特征的新要求，深入行业调查，通过校企合作模式，邀请数名企业工程师进入课堂，为同学讲解企业工程案例中如何应用人工智能。比如，当前企业最新水工艺产品的理论知识，人工智能技术的应用如何为产品创新力赋能，如何提升产品的智能化程度等。通过企业工程师的案例讲解，一方面切实让学生明白人工智能用于水工艺设备的实用性与价值，激发学生对这门课程学习的兴趣与积极性；另一方面，让学生感受水工艺设备的发展趋势与人工智能在解决传统工程技术问题方面的巨大潜力，切实做到理论与实践相结合，促使学生对水工艺设备形成全方位的了解。企业工程师对水工艺产品的技术分析与解读，能够促使教学内容紧跟市场技术动态与需求，保证学生所学的知识满足用人单位需求、市场技术发展与未来工业产品研发的需求。

3.5 优化考核方式

在人工智能背景下，如何提升学生的综合素养是目前教育教学的主要目标。首先，根据“水工艺设备基础”课程的教学内容和目标，将“过程性—终结性—智能性”考核相结合是本课程的主要考核方式。将课程考核环节有机融入整个教学过程中，引入“过程性考核”，即将学生考勤率、作业完成度、课堂参与度等过程都进行参与性考核。对于常见的水工艺设备的基本原理及如何利用该设备解决实际水环境问题的内容则采用期末开卷考试的“终结性考核”方式。

其次，在授课过程中设置“智能性考核”环节，主要考核学生的实践能力、应用能力、创新能力及团队合作能力，例如以“智慧水务”为话题，鼓励学生以个人或者小组形成针对具体环境问题制订相应的技术方案与设备研发方案，学生可以根据自身学习程度选择性完成，在该模块的成绩以一定比例加权到期末综合成绩中，充分调动学生学习积极性，对不同层次学生因材施教，增强教学效果。多元的课程考核体系不仅让教师可以随时关注学生学习的态度和积极性，也可考查学生对知识的掌握情况等。

结语

本文以“水工艺设备基础”课程为例，系统探讨了如何将人工智能应用到给排水科学与工程专业课程教学改革中。为满足国家战略和行业需求，将理论联系实际，改革教学内容、教学实践体系、教学模式、教学方法及考核方式，提出了人工智能背景下给排水科学与工程专业理实一体的教育教学改革，并提出具体措施方法，鼓励学生自主学习，提高学生的综合素质，最终培养具有创新能力的给排水工程应用型人才。

参考文献：

［1］朱斐.产教融合人工智能人才培养机制探讨［J］.教育教学论坛，2022，13（34）：14.

［2］唐永勇，朱殿勇.竖屏视域下河南对外形象传播重构研究［J］.新闻爱好者，2021（10）：5053.

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［4］王得志，肖汶斌，吴佳妮，等.人工智能技术浪潮下地理信息系统课程教学改革的思考［J］.教育教学论坛，2020，6（25）：45.

［5］彭小敢.机械制造装备课程中工程伦理教育的探索［J］.科技视界，2021，11（31）：3537.

［6］康泽威，龙小丽，李欣雪.人工智能背景下应用型本科嵌入式系统教学改革［J］.工业控制计算机，2020，33（11）：145146.

［7］郭超，姚雷博，胡友耀.基于创新能力培养的嵌入式系统课程教学改革策略探析［J］.电子元器件与信息技术，2021，5（7）：163164.

［8］易明勇.地方应用型高校商务英语一流本科专业建设路径探究［J］.滁州学院学报，2021，23（01）：127131.

［9］洪常春.人工智能时代大学英语生态教学模式构建研究［J］.外语电化教学，2018，184（12）：2934.

［10］南玉龙，卢倩，曾勇.机械工程测试技术课程中融入人工智能教育的探索［J］.物联网技术，2023（10）：152154.

［11］鲁菁，徐俊，赵东升，等.新工科背景下“水工艺设备基础”课程教学改革探究［J］.南阳师范学院学报，2023，22（04）：6265.

基金项目：人工智能背景下“水工艺设备基础”课程教学改革研究：2024年安徽省高等学校校级质量工程项目“人工智能背景下瘙 爯