環(huán)境工程本科生設計課程的專業(yè)實踐性研究

周海東

摘要：以“給水處理課程設計”（大四第一學期課程）為依托，開發(fā)和實施將專業(yè)實踐經(jīng)驗與設計相結合的流程，以滿足整個設計過程的要求。要求學生與實驗室管理人員（客戶）、加工人員、材料供應商交流，這完全有別于傳統(tǒng)的學生教師間交流。此外，設計須在限制性條件，即資源限制下進行，這些條件包括材料供應、加工簡便性、原材料和勞動力的有限預算、項目期限。結果表明，學生可取得不斷的進步，并能更全面地理解設計過程。

關鍵詞：工程教育;課程設計;環(huán)境工程;專業(yè)實踐

中圖分類號：?G?642.0?文獻標志碼：?A

文章編號：?1009-895X（2019）03-0287-05

DOI：?10.13256/j.cnki.jusst.sse.2019.03.016

Incorporating?Professional?Practice?into?the?Course?Design?for?Environmental?Engineering?Undergraduates

ZHOU?Haidong

（School?of?Environment?and?Architecture，University?of?Shanghai?for?Science?and?Technology，Shanghai?200093，China）

Abstract：

Through?the?“Course?Design?for?Water?Treatment”，in?the?first?semester?of?senior?year，the?procedure?of?combining?professional?practice?with?the?design?was?developed?and?implemented?to?meet?the?requirements?of?overall?design?process.Students?were?required?to?communicate?with?lab?managers（customers），constructors，and?material?suppliers.Their?communications?were?quite?different?from?traditional?studentteacher?exchanges.In?addition，the?design?must?be?carried?out?under?restrictive?conditions，i.e.，resource?constraints：supply?of?materials，simplicity?of?construction，the?limited?budget?for?raw?materials?and?labor，and?time?limit?of?project?design.The?results?showed?that?students?could?make?continuous?progress?and?understand?the?design?process?more?comprehensively?in?the?course.

Keywords：

engineering?education;course?design;environmental?engineering;professional?practice

對于要掌握環(huán)境工程單元處理技術基本知識而言，學生往往只需給出一個“對”的答案。這種學習模式滿足了初步理解的目的。然而，“只有一個正確答案的教科書方法”本身不能實現(xiàn)工程設計的課程目標[1-2]。設計可被視為一系列行為，包括溝通、決策、團隊合作、時間管理、頭腦風暴等。完整的設計過程包括需求或問題識別、約束條件界定、設計目標制定、設計方案測試比選、最佳方案確定、設計文檔準備、設計全過程管理、設計與加工、檢測的聯(lián)絡。設計課程要有效，須把專業(yè)實踐的理念與學習過程結合起來，以利于培養(yǎng)學生對專業(yè)實踐問題的全面理解，并為適應未來工作做好準備[3-4]。此外，在工程設計課程中，學生可以通過反復設計，強化對工程設計流程的理解。

“沒有設計的工程教學是應用教學，不是工程教育?！惫こ探逃J證標準中對工程設計能力提出了明確的要求;同時，開展設計項目，可在整個過程中，培養(yǎng)和評估學生的團隊協(xié)作和交流，這是學生發(fā)展所必不可少的[5]。因此，工程設計過程被視為工程教育認證計劃的關鍵要素之一。

本文在環(huán)境工程本科生的“給水處理課程設計”（大四第一學期課程）中融入專業(yè)實踐性進行研究，開發(fā)和實施了將專業(yè)實踐經(jīng)驗與設計相結合的流程，以期能提高工程設計課程的學習效果，并提高學生的工程設計能力。

一、設計課程的目標和畢業(yè)要求

在上海理工大學環(huán)境工程專業(yè)課程中，將設計納入課程表中，提出設計要素，設定設計課程目標。課程目標包括：構建多年度連續(xù)設計任務，在反復的設計中不斷進步;提供學生與銷售方、加工技術人員、需求方進行技術信息交流的機會;讓學生能經(jīng)受開放式設計的挑戰(zhàn);允許通過實驗來驗證設計，并分析設計的成功之處。

設計課程目標的實現(xiàn)是學生畢業(yè)時滿足相關畢業(yè)要求的重要保證。與工程教育認證中相關畢業(yè)要求至少包括以下幾方面[6]：

獲得基本的數(shù)學和自然科學知識，通過個人、團隊成員或多學科團隊的參與者解決復雜工程問題，加深和拓寬環(huán)境工程知識;

能夠設計針對環(huán)境復雜工程問題的解決方案，設計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（構筑物）或工藝流程，并能夠在設計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素;

培養(yǎng)在條件受限下解決環(huán)境復雜工程問題的技能;

通過撰寫和口頭報告，強化書面和口頭交流技巧。

基于設計課程目標和相關畢業(yè)要求，環(huán)境工程專業(yè)調整了相關的培養(yǎng)目標，其中包括：

能運用數(shù)學、自然科學、工程和人文科學的知識，分析和解決環(huán)境復雜工程問題;

能運用技術、社會、政治和經(jīng)濟知識，分析復雜工程問題;合理運用技術，設計、制定有效的、切實的行動方案，并不斷改進行動方案;推薦或選擇最佳行動方案;領導、管理并執(zhí)行所確定的行動方案。

二、設計課程的專業(yè)實踐性方法

在“給水處理課程設計”中，將設計任務中加入了專業(yè)實踐方面的要求，為問題解決和溝通方面的成果取得打下了堅實基礎。在課程中，學生反復地設計和構建各種問題解決方案，這能極大地激勵他們審視所構建和開展的設計。

在條件受限下的設計能力是設計工程師必備的技能[7]。在課程中，條件受限并不是將設計任務與外部隔絕，而是指真正的資源限制，如原材料和勞動力的有限預算、材料供應、施工簡便性、項目期限等。

溝通是所有設計人員的一項基本技能[8]。該課程要求學生與實驗室管理人員、加工人員和材料供應商交流和溝通。對于設計而言，須滿足客戶（這里指實驗室管理人員）的需求，并把需求用工程化語言予以表達。最終，加工人員將工程用語轉化為實物產(chǎn)品。每個對象（實驗室管理人員、加工人員和材料供應商）間的交流對于生產(chǎn)滿足所需求的產(chǎn)品，都必不可少。這種交流完全有別于傳統(tǒng)的學生與教師間的交流。團隊合作也是工程師的另一項基本技能。學生被分成設計組以及小組，要求參與制定實施計劃并進行上述溝通;在加工階段參與修改設計、測試設計;參與編寫操作指南及撰寫設計報告。

三、設計課程的專業(yè)實踐性實施

專業(yè)實踐性的實施分為兩個階段，第一階段是在2015年下半學期的“給水處理課程設計”中進行。三組學生設計并構建了三項實驗，用于在后面的學期中對學生進行教學。有6名學生作為第一組，設計了一個模型沉淀池;7名學生作為第二組，設計了一個模型過濾池;另12名學生作為第三組，設計制作以地表水為水源的給水處理廠模型（簡稱給水處理廠模型）。在此情況下，客戶就是環(huán)境工程專業(yè)實驗室管理人員。為了簡潔起見，本文只對第三個設計任務（給水處理廠模型）進行詳細討論。此組中的學生被分成四小組，并承擔相應的任務分工，如表1所示。

針對第三組的設計任務，給定了限制條件，包括：所有處理單元能按理論課參考書中的典型設計參數(shù)進行縮放;必須設計成以聚合氯化鋁作為混凝劑的傳統(tǒng)處理工藝，處理黃浦江水;必須利用現(xiàn)有的泵輸送原水和混凝劑;絮凝池、沉淀池、濾池、清水池須合理設計，每個處理單元必須合理縮放以適應現(xiàn)有實驗室平臺，并加以集成以最大限度地保證工藝處理效率;絮凝池設計必須使用現(xiàn)有的槳軸密封;沉淀池須設計成斜板式，并有入口和出口區(qū)，斜板可更換，且沉淀池必須有出水堰，讓水通過重力作用進入濾池;絮凝池和沉淀池應建為一個整體，通過適當?shù)那婪蛛x;處理廠的坡度必須由水通過重力作用經(jīng)由每一處理單元來確定;濾池須根據(jù)可接受的濾速來確定，須有一個設有隔離閥的反洗水槽;清水池需采用二氧化氯作為消毒劑，并布有余氯量探頭;所有容器必須采用有機玻璃搭建。

為了培養(yǎng)學生的時間安排與管理，要求學生提供一個完成設計任務目標的計劃，如表2所示，學生需在第5周項目結束時提交設計規(guī)范，以確保加工人員能有足夠的時間建造模型。定時提交也可使一些小組能進行即時學習。此外，學生需自學一些必要的設計材料，以學會如何獨立發(fā)現(xiàn)問題，這是培養(yǎng)終身學習能力的第一步。

設計的總成績主要由教師的評價決定，并參考學生的評價。但是，每一個小組成員的工作和工作質量都由組內其他同學評價，并根據(jù)他們的評價進行調整。

第二階段在2016年下半學期的“給水處理課程設計”中進行。在這次課程中，同樣人數(shù)的學生被分成小組，重復進行“第二次”的常規(guī)地表水為水源的給水處理廠模型的設計和加工。這一次要求與之前的環(huán)境實驗室管理人員、加工人員、材料供應商進行交流。此次課程中學生需慎重地考慮采用先進的飲用水處理過程，如溶解空氣氣浮，多介質、高負荷過濾。更重要的是，學生有機會更全面地思考環(huán)境工程設計和工程設計過程。

四、結果與評價

（一）第一階段

下頁表3列出了約20名學生和教師對整個設計任務的評價。其中撰寫任務包括最終設計報告和實驗報告。設計報告概述了設計的理論和構筑物計算方面問題，實驗室報告描述了模型測試的結果，以及概述之后的學期中使用該模型教學的程序。學生平均成績是期末進行匿名調查獲得的。學生和教師的分數(shù)基于0～100的分值范圍，100是最高的評價。教師評分乘以一個適當?shù)臋嘀?，得到每一類別加權教師評分，其總和在0～100區(qū)間。

總體上看，盡管本次設計任務中學生總成績沒有評定為優(yōu)秀（即A級），但學生經(jīng)過本課程后，設計能力有了明顯的提高。設計的受限條件得到滿足，但在設計中也存在不足，特別是各分組間明顯缺乏足夠有效的交流，未能解決設計過程中教師提出的意見，且與加工人員交流不充分。例如，沉淀池的尺寸與過濾池不匹配。這些不足與其他文獻報道中的相類似[9]。給水處理廠模型在測試時，在一些構筑物中出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，大部分學生充分認識到這些問題。如表3所示，學生們對交流的打分遠低于設計過程的其他方面，這表明他們意識到缺乏有效溝通會影響設計的產(chǎn)品性能。

（二）第二階段

在2016年下半學期的“給水處理課程設計”中，學生首先得認真弄明白之前設計的過程及加工的模型，汲取經(jīng)驗和教訓。針對第一階段存在的交流方面的問題，在這一階段進行重點交流，并加強對設計任務的管理。為了確保設計組內的充分交流，加強了外部監(jiān)督，讓學生在學期內多次向實驗室管理人員簡要介紹設計進展，并在設計任務完成時總結匯報。此外，進行多次檢查和協(xié)調，以使教師的指導意見在設計中被采納。學生們雖然意識到設計的重復性特點，但在第一階段這沒有得到足夠的重視。增加實驗室管理人員和學生之間的接觸，可以幫助學生認識到重復性在設計中的重要地位。學生還需要與加工人員定期交流（在加工階段每周都進行）。為了提高學生的時間管理能力，幫助其確定優(yōu)先事項，將每個任務評定等級的評分標準提供給學生，讓其認識到提交特定任務的“關鍵”環(huán)節(jié)。表4所示為提供給學生的評分標準。

在第二階段設計任務完成后，最大限度地減少了沉淀池、濾池的堵塞以及從絮凝池到沉淀池間絮體的破碎。學生們還將改進的濾池反沖洗系統(tǒng)融入設計修訂中。此外，設計的受性條件均可滿足，技術層面上取得了更好的結果。每一工藝流程單元的大小現(xiàn)在可以與縮放的常規(guī)水處理裝置相媲美。學生和教師對交流方面的評價在第二階段更為一致，這主要是教師評價交流方面的積極性明顯提高。評分準則還有助于學生關注設計過程中的關鍵環(huán)節(jié)。

另外，在完成設計任務后，要求學生總結收獲。如表5所示，他們認為已經(jīng)實現(xiàn)了設計目標，并且認可開放式設計，贊同按設計來進行產(chǎn)品構建。此外，有些學生認可有重新審視設計的機會，這是本設計課程的主要目的之一。

五、結論

本文以兩個階段的“給水處理課程設計”（大四第

一學期課程）為依托，開發(fā)和實施將專業(yè)實踐經(jīng)驗與設計相結合的流程，評價結果表明這一流程效果良好，學生們從許多新的方面理解設計過程，在這一重復性設計的經(jīng)歷中增加技能。在這過程中，學生與實驗室管理人員、加工人員、材料供應商的交流，完全有別于傳統(tǒng)的師生間交流，這對提高他們的工程設計能力非常重要。

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（編輯：?程愛婕）