服務(wù)石化行業(yè)的水污染控制工程課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革與實(shí)踐

朱小彪，胡翔，員榮平，張婷婷

(北京化工大學(xué)，北京 100029)

0 引言

本科生工程能力的培養(yǎng)是高等院校工程教育的重要內(nèi)容之一，而課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)、工程能力、工程實(shí)踐的重要陣地[1-2]。水污染控制工程課程設(shè)計(jì)是環(huán)境工程專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的核心課程之一，是培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)，有助于加深學(xué)生對(duì)水處理的基本原理、基本工藝、典型設(shè)備與構(gòu)筑物的掌握與運(yùn)用，為學(xué)生適應(yīng)未來(lái)工作挑戰(zhàn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3]。

化工行業(yè)環(huán)境保護(hù)是我國(guó)新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)和社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的重大需求，培養(yǎng)具有化工環(huán)境保護(hù)專業(yè)知識(shí)的高素質(zhì)人才是化工行業(yè)院校環(huán)境工程專業(yè)的重要任務(wù)之一?；ば袠I(yè)廢水具有污染物濃度高、水質(zhì)水量變化大、處理工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的廢水處理單元或工藝具有一定的挑戰(zhàn)性，但也有利于提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。本文以實(shí)際化工廢水為水污染控制工程課程設(shè)計(jì)的教學(xué)案例，在教學(xué)過(guò)程中著重進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)效果評(píng)價(jià)的改革與實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。通過(guò)以上課程改革與實(shí)踐充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的能動(dòng)性和積極性，對(duì)工程能力的培養(yǎng)以及課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)起到了積極的促進(jìn)作用，其研究思路如圖1 所示。

圖1 水污染控制工程課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革實(shí)施路徑

1 課程設(shè)計(jì)教學(xué)的問(wèn)題與不足

1.1 課程設(shè)計(jì)與理論知識(shí)脫節(jié)現(xiàn)象依然存在

環(huán)境工程專業(yè)水污染控制工程的課程教學(xué)由“認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、理論學(xué)習(xí)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)”各個(gè)環(huán)節(jié)組成。其中，理論知識(shí)教學(xué)是將完整的水處理系統(tǒng)拆分成獨(dú)立的單元展開(kāi)，如混凝、沉淀、過(guò)濾、好氧處理、厭氧處理等單元，而課程設(shè)計(jì)與此相反，需將各個(gè)水處理單元組合成一個(gè)完整的水處理系統(tǒng)。在此過(guò)程中，學(xué)生普遍感覺(jué)課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)難度大，表現(xiàn)為缺少創(chuàng)新意識(shí)及工程思維，機(jī)械照搬參考書工藝，在未明確處理對(duì)象時(shí)盲目選擇處理單元，處理單元先后安排不合理等問(wèn)題，其原因在于學(xué)生未做到對(duì)理論知識(shí)的有效綜合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)用理論知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題[4-5]。

1.2 學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力培養(yǎng)仍有不足

復(fù)雜工程問(wèn)題必須運(yùn)用深入的工程原理并經(jīng)過(guò)縝密分析才可能得到解決，它涉及多方面技術(shù)、工程和其他因素，部分解決方案甚至尚未有相應(yīng)的工程標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[6-7]，因此解決復(fù)雜工程問(wèn)題需要較高的綜合能力。在現(xiàn)有的教學(xué)模式下，學(xué)生從教師給出的題目中選題進(jìn)行設(shè)計(jì)是水污染控制工程課程設(shè)計(jì)的主要形式，因此設(shè)計(jì)具有一定復(fù)雜度的題目是教學(xué)的關(guān)鍵。相對(duì)而言，城市污水處理工藝流程較簡(jiǎn)單，較少用到水處理領(lǐng)域較前沿的工藝技術(shù)，例如膜處理技術(shù)、高級(jí)氧化技術(shù)、深度處理技術(shù)等，無(wú)法體現(xiàn)工程問(wèn)題的復(fù)雜性。在今后工作中遇到較難處理的廢水往往感到無(wú)從下手，因此有必要在課程設(shè)計(jì)中提高難度，選擇較難處理的化工行業(yè)廢水作為設(shè)計(jì)題目。

1.3 課程設(shè)計(jì)考核評(píng)價(jià)方式仍需持續(xù)完善

通常，水污染控制工程課程設(shè)計(jì)由3 ～4 人分組完成一個(gè)案例題目，其考核評(píng)價(jià)分為過(guò)程評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)成果評(píng)價(jià)，分別以出勤率和設(shè)計(jì)說(shuō)明書及圖紙質(zhì)量為評(píng)分依據(jù)。這容易導(dǎo)致部分同學(xué)在課程設(shè)計(jì)中并未參與或者僅參與少量工作，并且設(shè)計(jì)說(shuō)明書和圖紙存在抄襲現(xiàn)象，不符合以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的OBE 教育理念[8]，因此，應(yīng)改變簡(jiǎn)單的考核方式。教師應(yīng)深度參與學(xué)生的課程設(shè)計(jì)過(guò)程，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)由說(shuō)明書和圖紙前移，進(jìn)行學(xué)生設(shè)計(jì)過(guò)程記錄，使學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中既進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作又保持獨(dú)立性，使每個(gè)人都能獲得有效訓(xùn)練。

2 教學(xué)改革實(shí)踐的路徑探索

2.1 強(qiáng)化課堂教學(xué)工藝結(jié)合，突出化工廢水處理特色

2.1.1 推進(jìn)理論課堂工藝綜合

在水污染控制工程理論課堂上，在講授單元處理技術(shù)時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)單元在水處理系統(tǒng)中的作用與定位的理解，體現(xiàn)知識(shí)的綜合性。(1)在講授單元技術(shù)時(shí)，除幫助學(xué)生理解單元技術(shù)的原理和工藝設(shè)備外，舉例說(shuō)明該單元在水處理系統(tǒng)中的作用和工藝位置，強(qiáng)調(diào)處理的對(duì)象污染物以及適用場(chǎng)景；(2)理論課學(xué)習(xí)過(guò)程中，增設(shè)課下項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)，要求學(xué)生分組完成給定的化工行業(yè)廢水的處理工藝流程，給出相關(guān)設(shè)計(jì)依據(jù)并說(shuō)明各工藝的主要目的，并要求學(xué)生在課堂上進(jìn)行展示。

2.1.2 加強(qiáng)工藝設(shè)計(jì)案例教學(xué)

在理論課中增加工藝設(shè)計(jì)案例，該類案例學(xué)習(xí)既在單元學(xué)習(xí)中進(jìn)行，又在單獨(dú)設(shè)立的2 學(xué)時(shí)左右的設(shè)計(jì)專題中進(jìn)行。另外，在期末考試中增加典型化工廢水處理工藝設(shè)計(jì)的綜合性題目，占總分值的20%。通過(guò)在理論知識(shí)學(xué)習(xí)中強(qiáng)化工藝設(shè)計(jì)，使學(xué)生打破孤立思維，理解水處理工藝的系統(tǒng)性和整體性，為課程設(shè)計(jì)打下理論知識(shí)基礎(chǔ)。

2.2 凝練化工廢水處理案例，提升“真實(shí)工程體驗(yàn)”

2.2.1 充分運(yùn)用化工行業(yè)廢水案例開(kāi)展課程設(shè)計(jì)教學(xué)

課程設(shè)計(jì)應(yīng)避免憑空臆造案例。在教學(xué)過(guò)程中，水污染控制工程課程設(shè)計(jì)教研組依托學(xué)校為化工行業(yè)特色院校的優(yōu)勢(shì)，與化工、石化和能源企業(yè)緊密聯(lián)系，搜集企業(yè)廢水處理需求信息，篩選符合課程設(shè)計(jì)的題目，并與企業(yè)技術(shù)人員探討設(shè)計(jì)條件，最終形成具有實(shí)際背景的教學(xué)案例。

為使學(xué)生充分應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)，設(shè)計(jì)題目盡可能覆蓋一級(jí)處理、二級(jí)處理和深度處理為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，應(yīng)避免以生活污水或簡(jiǎn)單處理可達(dá)標(biāo)的廢水為設(shè)計(jì)案例。選擇的課程設(shè)計(jì)案例應(yīng)滿足：(1)需同時(shí)應(yīng)用一級(jí)、二級(jí)和深度處理工藝；(2)盡量選擇高鹽、高氨氮、高有機(jī)物含量的“三高”化工廢水；(3)處理要求一般應(yīng)達(dá)到特定回用標(biāo)準(zhǔn)或“零排放”程度；(4)兼顧傳統(tǒng)工藝與新工藝，例如對(duì)廢水深度處理后要求達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)，則需要學(xué)生將高級(jí)氧化工藝與生物處理工藝進(jìn)行聯(lián)用。

2.2.2 有效發(fā)揮外聘行業(yè)專家工程實(shí)踐優(yōu)勢(shì)

為彌補(bǔ)專業(yè)教師工程經(jīng)驗(yàn)的不足，教研組聘請(qǐng)化工設(shè)計(jì)院或具有化工廢水處理工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的一線工程師擔(dān)任外聘專家。在課程設(shè)計(jì)開(kāi)始前，外聘專家提煉實(shí)際工作中遇到的合適項(xiàng)目作為備選設(shè)計(jì)案例，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)書提出修改意見(jiàn)和建議；在設(shè)計(jì)過(guò)程中，以集中授課和個(gè)別指導(dǎo)相結(jié)合的方式給學(xué)生講解課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書的規(guī)范寫法、工藝圖紙的深度、工程概預(yù)算的編制方法等；作為專家參與課程設(shè)計(jì)成果的答辯和評(píng)分。外聘專家將豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)帶入課程，有助于提高課程設(shè)計(jì)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生工程能力。

2.2.3 不斷優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)提升學(xué)生工程實(shí)踐能力

化工行業(yè)廢水水質(zhì)復(fù)雜、污染物種類多，在課程設(shè)計(jì)中，學(xué)生應(yīng)首先進(jìn)行初步工藝設(shè)計(jì)。在這一階段，學(xué)生應(yīng)重點(diǎn)分析題目的設(shè)計(jì)難點(diǎn)與設(shè)計(jì)重點(diǎn)，進(jìn)行兩套以上的工藝技術(shù)比選，以達(dá)到水質(zhì)排放要求為首要考慮因素。其次，學(xué)生應(yīng)著重考慮除處理達(dá)標(biāo)外的諸多因素，例如工藝經(jīng)濟(jì)性、替代工藝優(yōu)缺點(diǎn)、操作簡(jiǎn)便性、運(yùn)行穩(wěn)定性、工藝綠色性等，來(lái)進(jìn)行綜合分析，選定設(shè)計(jì)工藝。最后，學(xué)生編制計(jì)算說(shuō)明書，詳細(xì)計(jì)算各個(gè)單元的設(shè)計(jì)參數(shù)，并繪制設(shè)計(jì)圖紙。

在此過(guò)程中著重訓(xùn)練學(xué)生以下能力：(1)對(duì)化工行業(yè)廢水復(fù)雜程度的判斷能力?；U水與城市生活污水有很大不同，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生利用掌握的基礎(chǔ)知識(shí)從化學(xué)工藝角度出發(fā)分析廢水中的主要污染物，判斷污染物的可生化降解性、生物毒性、廢水中賦存濃度、可能的去除技術(shù)等[9-10]。其有利于提高學(xué)生對(duì)化工行業(yè)廢水污染程度的判斷力，為從事實(shí)際工作打好基礎(chǔ)。(2)水處理工藝優(yōu)化比選的能力。工藝比選是水處理工藝設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，通過(guò)對(duì)同類型的不同形式的工藝單元進(jìn)行優(yōu)化比選，使學(xué)生在反復(fù)推敲琢磨中鞏固水處理的理論知識(shí)，有利于培養(yǎng)學(xué)生形成獨(dú)立的水處理工藝設(shè)計(jì)思想，避免照搬教材和參考書。通過(guò)以上教學(xué)改革，使學(xué)生對(duì)化工行業(yè)水處理有了更深入的認(rèn)識(shí)，并深化了對(duì)水處理構(gòu)筑物原理、結(jié)構(gòu)等知識(shí)的掌握，縮短了課堂學(xué)習(xí)與實(shí)際工程設(shè)計(jì)的距離[11]。

2.3 注重設(shè)計(jì)過(guò)程評(píng)價(jià)，完善考核評(píng)價(jià)方式方法

2.3.1 堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向，明確考核內(nèi)容

作為設(shè)計(jì)成果的主要展現(xiàn)形式，設(shè)計(jì)說(shuō)明書和圖紙能夠體現(xiàn)學(xué)生課程設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力、問(wèn)題解決能力，因此課程改革對(duì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書的計(jì)算過(guò)程、工藝比選、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析均做了詳細(xì)規(guī)定，設(shè)計(jì)圖紙要求畫出廠區(qū)平面布置圖、主要處理單元結(jié)構(gòu)圖，并按照設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范繪制CAD 圖。為避免出現(xiàn)雷同設(shè)計(jì)方案，要求每組學(xué)生的兩個(gè)工藝之間有兩個(gè)主單元為不同形式。

2.3.2 堅(jiān)持目標(biāo)導(dǎo)向，突出過(guò)程評(píng)價(jià)

借鑒工程教育認(rèn)證的OBE 理念，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和記錄[12-13]。學(xué)生需與任課教師充分討論工藝選擇依據(jù)，教師認(rèn)真記錄與每位學(xué)生的討論過(guò)程；在計(jì)算過(guò)程中，與每位學(xué)生進(jìn)行一到兩次討論，記錄學(xué)生計(jì)算過(guò)程的準(zhǔn)確程度與設(shè)計(jì)參與度；在圖紙繪制過(guò)程中，教師與外聘專家共同指導(dǎo)學(xué)生繪圖，并進(jìn)行過(guò)程記錄。在考核評(píng)價(jià)中增設(shè)答辯環(huán)節(jié)，學(xué)生將設(shè)計(jì)成果通過(guò)PPT 展示，教師與其他同學(xué)進(jìn)行質(zhì)疑和提問(wèn)，答辯表現(xiàn)計(jì)入總成績(jī)，該方式顯著提高了學(xué)生的積極性與認(rèn)真程度。

3 結(jié)語(yǔ)

在新工科建設(shè)的新時(shí)代背景下，應(yīng)充分重視實(shí)踐類課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程能力、銜接理論教學(xué)與工程實(shí)踐的重要作用[14]。水污染控制工程課程設(shè)計(jì)堅(jiān)持以學(xué)習(xí)效果為中心，以培養(yǎng)學(xué)生工程能力為導(dǎo)向，通過(guò)優(yōu)化案例選題、突出行業(yè)特色、引進(jìn)外部資源、改進(jìn)教學(xué)方法、創(chuàng)新評(píng)價(jià)考核等改革措施，培養(yǎng)具有良好工程素養(yǎng)、具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的復(fù)合型專業(yè)人才。