新工科背景下基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程改革探索
——以“水質(zhì)工程學(xué)”為例

秦 雯，宋 陽(yáng)，李紹秀，杜 星，蔣樹(shù)賢

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

肩負(fù)著緩解水危機(jī)和建設(shè)生態(tài)文明的歷史責(zé)任的給排水科學(xué)與工程專業(yè)，緊密圍繞國(guó)家重大需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，致力于改善水的社會(huì)循環(huán)?！八|(zhì)工程學(xué)”作為給排水科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程，是新工科背景下給排水人才培養(yǎng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，因此“水質(zhì)工程學(xué)”的課程教學(xué)改革對(duì)給排水科學(xué)與工程專業(yè)建設(shè)至關(guān)重要。

一、新工科背景下“水質(zhì)工程學(xué)”教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

2017年，教育部發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》。新工科建設(shè)是以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征，加快培養(yǎng)新興領(lǐng)域的工程科技人才，改造升級(jí)傳統(tǒng)工科專業(yè)，主動(dòng)布局未來(lái)戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)從學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向、從專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界交叉融合、從適應(yīng)服務(wù)轉(zhuǎn)向支撐引領(lǐng)，這對(duì)給排水科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式和專業(yè)課程建設(shè)提出了全新的挑戰(zhàn)。

聚焦新工科內(nèi)涵、國(guó)家重大需求和國(guó)際學(xué)術(shù)前沿，當(dāng)前廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院給排水科學(xué)與工程專業(yè)于2020年通過(guò)住建部高等學(xué)校給排水科學(xué)與工程專業(yè)評(píng)估（認(rèn)證），現(xiàn)正執(zhí)行的培養(yǎng)方案的目標(biāo)為：“本專業(yè)培養(yǎng)德、智、體、美、勞全面發(fā)展，具有高度社會(huì)責(zé)任感，良好的工程職業(yè)道德，善于溝通與合作，具有解決給排水工程復(fù)雜問(wèn)題的能力，主動(dòng)服務(wù)廣東經(jīng)濟(jì)發(fā)展，適應(yīng)給排水行業(yè)發(fā)展需求的高素質(zhì)創(chuàng)新性應(yīng)用型人才。畢業(yè)生能夠從事給排水科學(xué)與工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理、咨詢等方面的工作，具有初步的研究和開(kāi)發(fā)能力，在給排水工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)”。此培養(yǎng)目標(biāo)體現(xiàn)了當(dāng)前我校對(duì)給排水科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)生在創(chuàng)新能力方面的重視。“水質(zhì)工程學(xué)”作為給排水科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程，是新時(shí)代給排水人才培養(yǎng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，但目前“水質(zhì)工程學(xué)”課程在知識(shí)體系、創(chuàng)新思維和工程思維等方面仍存在一些不足，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：（1）本專業(yè)現(xiàn)行“水質(zhì)工程學(xué)”的理論知識(shí)體系結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，如給水、排水、工業(yè)水處理是獨(dú)立的部分，難以鍛煉和提升學(xué)生解決給排水工程復(fù)雜問(wèn)題的能力。（2）本專業(yè)現(xiàn)行的“水質(zhì)工程學(xué)”的教學(xué)組織（以“先學(xué)后教”為主）和教學(xué)方法（以基礎(chǔ)知識(shí)傳授為主），缺少對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的前沿及新技術(shù)應(yīng)用實(shí)例的介紹，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，難以滿足新工科建設(shè)、社會(huì)、行業(yè)和時(shí)代的需求。（3）本專業(yè)現(xiàn)行“水質(zhì)工程學(xué)”的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)偏重于基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，缺少與實(shí)際工程問(wèn)題的結(jié)合，使得學(xué)生的思維認(rèn)知與行業(yè)所需的工程思維存在較大差距。

以上幾點(diǎn)導(dǎo)致2018屆、2019屆畢業(yè)生及用人單位在對(duì)我校給排水科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)生的評(píng)價(jià)中，出現(xiàn)了設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)解決問(wèn)題的能力和研究能力較弱的現(xiàn)象，部分畢業(yè)生的能力水平與我國(guó)給排水行業(yè)主戰(zhàn)場(chǎng)精英人才的能力水平差距較大。因此，為了我校畢業(yè)生盡快適應(yīng)新時(shí)代新工科建設(shè)大環(huán)境，同時(shí)增加本專業(yè)在工程專業(yè)認(rèn)證國(guó)際大背景下的實(shí)力儲(chǔ)備，在“水質(zhì)工程學(xué)”教學(xué)過(guò)程中充分挖掘和融入創(chuàng)新能力培養(yǎng)，對(duì)“水質(zhì)工程學(xué)”課程的建設(shè)原則、知識(shí)體系、教學(xué)組織方法和評(píng)價(jià)體系等進(jìn)行改革，是培養(yǎng)具有新時(shí)代特色、滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略和社會(huì)行業(yè)需求的復(fù)合型卓越給排水人才的必經(jīng)之路。

二、“水質(zhì)工程學(xué)”應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)及實(shí)施方法

針對(duì)以上問(wèn)題，本研究期望在新工科建設(shè)背景下，將“水質(zhì)工程學(xué)”專業(yè)課作為本專業(yè)理論基礎(chǔ)與創(chuàng)新能力并重的課程，改變一成不變的課堂教學(xué)模式，以提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決給排水復(fù)雜工程問(wèn)題為目的，增加前沿或新技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例課程的內(nèi)容，讓學(xué)生參與相關(guān)的前沿或新技術(shù)的拓展項(xiàng)目，并且有延續(xù)性地讓畢業(yè)生在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)增加“預(yù)處理”或“深度處理”的專題設(shè)計(jì)，以提高解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)從“灌輸理論”向“交互啟發(fā)”轉(zhuǎn)變，從“知識(shí)堆砌”向“能力塑造”轉(zhuǎn)變。

（一）“1 個(gè)知識(shí)點(diǎn)+1 個(gè)前沿/新技術(shù)”授課模式

在“水質(zhì)工程學(xué)1”“水質(zhì)工程學(xué)2”和“水質(zhì)工程學(xué)3”的授課過(guò)程中，教師采用“1個(gè)知識(shí)點(diǎn)+1個(gè)前沿/新技術(shù)”的模式，并且結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)（課前學(xué)生自主預(yù)習(xí)—課堂知識(shí)內(nèi)化—課后知識(shí)點(diǎn)鞏固），分別研究制定水質(zhì)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、混合和絮凝、沉淀、過(guò)濾、消毒、氧化還原、膜過(guò)濾、其他預(yù)處理與深度處理、污水的物理處理、活性污泥法、生物膜法、厭氧生物處理、污水深度處理、污泥處理、處置與應(yīng)用、氣浮、吸附、離子交換、膜分離技術(shù)等19個(gè)方面的理論課程方案。

以“活性污泥法”中“生物脫氮”的知識(shí)點(diǎn)為例，教師在課前圍繞基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)并布置預(yù)習(xí)思考題：（1）城鎮(zhèn)污水生物脫氮過(guò)程的基本步驟；（2）描述生物脫氮中3類關(guān)鍵微生物的生化反應(yīng)特征。學(xué)生在課前通過(guò)學(xué)習(xí)指定教材和參考書(shū)，獨(dú)立完成課前思考題。課中，教師首先通過(guò)“脫氮目的—傳統(tǒng)生物脫氮原理—3類關(guān)鍵微生物生化反應(yīng)特征—生物脫氮反應(yīng)器設(shè)計(jì)及優(yōu)缺點(diǎn)”的思路進(jìn)行講解，著重幫助學(xué)生建立對(duì)基本原理知識(shí)（生物脫氮過(guò)程中3類關(guān)鍵微生物生化反應(yīng)特征）與工程實(shí)踐（生物脫氮工藝的環(huán)境條件要求和主要影響因素）之間的關(guān)聯(lián)性的理解，完成“1個(gè)知識(shí)點(diǎn)”的學(xué)習(xí)；其次引出“1個(gè)前沿/新技術(shù)”，介紹國(guó)際研究前沿的“新型脫氮技術(shù)原理”——短程亞硝化脫氮（SHARON工藝）和厭氧氨氧化脫氮（ANAMMOX工藝），并通過(guò)氨氮轉(zhuǎn)化機(jī)理的對(duì)比，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)傳統(tǒng)和新型脫氮技術(shù)的理解；最后對(duì)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)和前沿知識(shí)點(diǎn)通過(guò)主題研討的形式讓學(xué)生展開(kāi)討論，通過(guò)討論考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)新技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的思考，拓展創(chuàng)新思維。課后，教師要求學(xué)生完成課后思考作業(yè)：（1）傳統(tǒng)生物脫氮原理的思維導(dǎo)圖；（2）結(jié)合課前預(yù)習(xí)與課堂講解，分析“脫氮3類關(guān)鍵微生物的生化反應(yīng)特征”與“生物脫氮除磷工藝的環(huán)境條件要求和主要影響因素”之間的關(guān)聯(lián)性；（3）以一種新型脫氮技術(shù)為例，對(duì)比其與傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)上述課前、課中和課后的具體教學(xué)設(shè)計(jì)，完成“1個(gè)知識(shí)點(diǎn)+1個(gè)前沿/新技術(shù)”的授課，通過(guò)此模式可以在不斷鞏固基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，拓展學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的延伸與創(chuàng)新研發(fā)思路。

（二）前沿知識(shí)拓展環(huán)節(jié)

“水質(zhì)工程學(xué)”課程結(jié)束后，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外知名的水處理方向的高校專家、設(shè)計(jì)或水務(wù)行業(yè)專家進(jìn)行科技創(chuàng)新講座，開(kāi)闊學(xué)生的視野，關(guān)注科技前沿，明確就業(yè)或升學(xué)目標(biāo)。目前，針對(duì)“水質(zhì)工程學(xué)”課程，本專業(yè)分別邀請(qǐng)了住建部給排水科學(xué)與工程專業(yè)評(píng)估委員會(huì)、教育部高等學(xué)校給排水科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)，以及中國(guó)城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會(huì)青年工作者委員會(huì)的專家，組織了題為“飲用水安全保障的問(wèn)題與挑戰(zhàn)”“好氧顆粒污泥及其強(qiáng)化技術(shù)研究”及“紫外技術(shù)在水處理中的發(fā)展現(xiàn)狀與展望”的專家面對(duì)面系列講座，從專業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、專業(yè)技術(shù)前沿，以及水處理行業(yè)就業(yè)面臨的挑戰(zhàn)等方面為學(xué)生和教師帶來(lái)了新的視野。

（三）實(shí)踐能力提升環(huán)節(jié)

以提升學(xué)生設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決問(wèn)題的能力和研究能力為導(dǎo)向，充分利用本專業(yè)科研/教學(xué)復(fù)合型師資的優(yōu)勢(shì)條件，并使其轉(zhuǎn)化為我校學(xué)生的升學(xué)和求職競(jìng)爭(zhēng)力。在“水質(zhì)工程學(xué)”課程結(jié)束后，本專業(yè)利用課程設(shè)計(jì)“創(chuàng)新能力拓展項(xiàng)目”作為實(shí)踐環(huán)節(jié)，組織了本專業(yè)科研/教學(xué)復(fù)合型師資對(duì)給排水科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生開(kāi)展“水質(zhì)工程學(xué)”相關(guān)的前沿/新技術(shù)的拓展項(xiàng)目進(jìn)行指導(dǎo)，選題包括“生物質(zhì)炭（biochar）在水處理中應(yīng)用”“碳材料陰極改性電芬頓去除水中有機(jī)污染物研究進(jìn)展”“低溫低濁水的處理難度及其強(qiáng)化處理方法”“異養(yǎng)硝化菌去除氨氮原理及應(yīng)用”“水中藥物及個(gè)人護(hù)理品（PPCPs）的危害及其控制技術(shù)”“典型含氮消毒副產(chǎn)物N-二甲基亞硝胺（NDMA）的前驅(qū)物種類、生成原理及控制方法”等專業(yè)研究熱點(diǎn)的文獻(xiàn)綜述撰寫，也包括“預(yù)處理對(duì)膜污染的控制作用研究”“超聲波輔助過(guò)硫酸鹽處理抗生素廢水的研究”“城鎮(zhèn)污水廠尾水回用水質(zhì)凈化工藝研究”“仿生光催化劑材料特征與應(yīng)用”及“高壓膜濾試驗(yàn)裝置調(diào)試及運(yùn)行”等實(shí)驗(yàn)研究的選題。以控制新型消毒副產(chǎn)物NDMA在消毒過(guò)程中生成為例，該消毒副產(chǎn)物還未列入我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，但該副產(chǎn)物已經(jīng)在歐美等國(guó)家及地區(qū)被列為重點(diǎn)控制對(duì)象，并且設(shè)置了嚴(yán)格的濃度限值（10ng/L），足以說(shuō)明該新型消毒副產(chǎn)物的危害性。

近年來(lái)，我國(guó)上海、深圳兩座城市陸續(xù)給出了給水廠出水中NDMA的濃度限值（100ng/L），該限值參考了世界健康組織（WHO）所給出的建議值，此限值高于歐美國(guó)家及地區(qū)的限制。未來(lái)5～10年內(nèi)，我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中可能也會(huì)加入NDMA的濃度限值。通過(guò)教師的講解，讓學(xué)生對(duì)于此前沿內(nèi)容有初步認(rèn)識(shí)并產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，然后在授課過(guò)程中布置兩篇國(guó)際頂級(jí)期刊的經(jīng)典文獻(xiàn)讓學(xué)生學(xué)習(xí)并引導(dǎo)學(xué)生自行查閱文獻(xiàn)，掌握NDMA前驅(qū)物種類。在文獻(xiàn)學(xué)習(xí)的過(guò)程中，可讓學(xué)生分組討論，以小組形式學(xué)習(xí)文獻(xiàn)內(nèi)容。同時(shí)，基于NDMA生成原理進(jìn)行組內(nèi)探討，找到控制消毒過(guò)程中NDMA生成的方法。以小組形式做總結(jié)報(bào)告并在課堂匯報(bào)，能夠提升學(xué)生對(duì)前沿知識(shí)的學(xué)習(xí)能力。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和科學(xué)前沿探究，使學(xué)生在實(shí)踐中鍛煉科學(xué)研究的技能，進(jìn)而提升自身的創(chuàng)新能力。此外，組織有意愿的畢業(yè)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)增設(shè)“預(yù)處理”或“深度處理”專題設(shè)計(jì)，以提高解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

三、效果分析

為了提升我校給排水科學(xué)與工程專業(yè)在工程專業(yè)認(rèn)證國(guó)際大背景下的實(shí)力儲(chǔ)備，改變以往“水質(zhì)工程學(xué)”教學(xué)過(guò)程存在的不足，本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)充分挖掘和融入創(chuàng)新能力培養(yǎng)，對(duì)“水質(zhì)工程學(xué)”課程的知識(shí)體系和教學(xué)組織方法上，探索了以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的改進(jìn)。

通過(guò)創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式的改變，結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂，建立了“1個(gè)知識(shí)點(diǎn)+1個(gè)前沿/新技術(shù)”的“水質(zhì)工程學(xué)”授課模式，并且結(jié)合“水質(zhì)工程學(xué)”的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)增加了“前沿知識(shí)拓展環(huán)節(jié)”和“實(shí)踐能力提升環(huán)節(jié)”，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且在不斷鞏固基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，拓展了學(xué)生對(duì)于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的延伸與創(chuàng)新研發(fā)思路。經(jīng)過(guò)兩屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐，表明該改進(jìn)措施的效果顯著，主要表現(xiàn)為：（1）知識(shí)體系的優(yōu)化改變了學(xué)生孤立看問(wèn)題的短板，大大提升了學(xué)生解決給排水工程復(fù)雜問(wèn)題的能力；（2）更加注重基礎(chǔ)理論知識(shí)與工程實(shí)踐的結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生獨(dú)立思考問(wèn)題的能力，課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中工藝的選型更加多樣化；（3）前沿知識(shí)和實(shí)踐能力多環(huán)節(jié)的強(qiáng)化，開(kāi)發(fā)了學(xué)生的科學(xué)研究能力、語(yǔ)言表達(dá)能力和創(chuàng)新思維，有效促進(jìn)了具有新時(shí)代特色、滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略和社會(huì)行業(yè)需求的復(fù)合型卓越給排水人才培養(yǎng)。

結(jié)語(yǔ)

在新工科背景下，本課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于創(chuàng)新能力的提升對(duì)“水質(zhì)工程學(xué)”課程進(jìn)行了改革，建立了“1個(gè)知識(shí)點(diǎn)+1個(gè)前沿/新技術(shù)”的授課模式，并結(jié)合課程基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)增加了前沿知識(shí)拓展環(huán)節(jié)和實(shí)踐能力提升環(huán)節(jié)，形成適合于我校給排水科學(xué)與工程專業(yè)水處理方向?qū)I(yè)技術(shù)人才的多環(huán)節(jié)培養(yǎng)模式。項(xiàng)目實(shí)施方案科學(xué)合理，實(shí)施后有效提升了學(xué)生設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、解決問(wèn)題的能力和研究能力，并使其轉(zhuǎn)化為我校學(xué)生的升學(xué)和求職競(jìng)爭(zhēng)力?；趧?chuàng)新能力培養(yǎng)的“水質(zhì)工程學(xué)”課程的教學(xué)模式，符合新時(shí)代給排水專業(yè)復(fù)合型人才的培養(yǎng)需求。