“雙碳”背景下“泵與泵站”課程改革實踐與思考

［摘 要］ 以當(dāng)前的“泵與泵站”課程教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，結(jié)合國家提出的“雙碳”目標(biāo)需求，對課程內(nèi)容進(jìn)行了剖析，發(fā)現(xiàn)了以往教學(xué)實施過程中存在的顯著問題，如理論過多、實踐有限、學(xué)生難以準(zhǔn)確理解課程定位、前沿技術(shù)方法未涵蓋等，據(jù)此提出了課程改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括以學(xué)代教、進(jìn)行泵站現(xiàn)場實習(xí)等。在教育改革過程中，將關(guān)鍵環(huán)節(jié)實施于“泵與泵站”教學(xué)工作中，豐富課堂教學(xué)模式，提出建立“雙導(dǎo)師制”，充分挖掘?qū)W生的科研潛力，并分析在實踐過程中發(fā)現(xiàn)的問題，對相關(guān)工程類課程的改革提出建議和指導(dǎo)。

［關(guān)鍵詞］ “雙碳”；泵與泵站；課程改革

［基金項目］ 2021年度哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）教改項目“‘雙碳’目標(biāo)背景下專業(yè)課程教學(xué)設(shè)計與實踐——以‘泵與泵站’課程為例”（HITSZERP21003）

［作者簡介］ 張小磊（1980—），女，吉林乾安人，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）土木與環(huán)境工程學(xué)院副教授，主要從事水與廢水處理、有機(jī)廢棄物資源化研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）35-0053-04 ［收稿日期］ 2023-05-15

科技的不斷進(jìn)步和社會發(fā)展需求的變化必然帶來技術(shù)與產(chǎn)品的迅速更新及迭代，工科院校專業(yè)課程如不能與時代發(fā)展保持同一脈絡(luò)，將失去其存在的意義和真正價值。我國高等教育質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)普遍要求，經(jīng)過四年的本科教育，多數(shù)工科專業(yè)學(xué)生應(yīng)接受工程師素養(yǎng)和技能訓(xùn)練，成長為有較強(qiáng)創(chuàng)新能力的工程技術(shù)型人才［1］?！氨门c泵站”課程是給水排水工程和環(huán)境工程專業(yè)的必修課，雖然整體學(xué)時并不是很多，但具有十分重要的串聯(lián)作用［2-3］，是學(xué)生從基礎(chǔ)學(xué)習(xí)向?qū)I(yè)學(xué)習(xí)的過渡性課程。傳統(tǒng)上，本門課程主要講授水泵的主要工作原理和特性、選泵的原則、泵站設(shè)計等知識，核心是使學(xué)生掌握不同需求條件下泵站內(nèi)水泵的選擇。另外，我國將力爭在2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)［4］。這就將我國生態(tài)文明建設(shè)的重點轉(zhuǎn)向了減污降碳相協(xié)同、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展綠色轉(zhuǎn)型等戰(zhàn)略方向。泵站作為城鎮(zhèn)供排水體系中的能耗大戶，水泵選擇及水泵站設(shè)計是影響耗能的關(guān)鍵因素，在國家“雙碳”目標(biāo)需求下，“泵與泵站”授課內(nèi)容及重點須與時俱進(jìn)，進(jìn)一步契合總體需求，提高課程的實用性。因此，亟須對課程進(jìn)行改革，以順應(yīng)時代發(fā)展和國家需求。

一、“泵與泵站”課程體系的剖析

“泵與泵站”作為給水排水工程和環(huán)境工程的重要專業(yè)課程，具有極強(qiáng)的實用性與實踐性，是一門既包含寬廣的理論知識體系，又涉及工程應(yīng)用的技術(shù)課程，通常安排在大學(xué)的第4～5學(xué)期進(jìn)行。任課教師須將理論知識與實踐開展相結(jié)合，幫助學(xué)生更好地理解課程內(nèi)容。該課程的教學(xué)質(zhì)量直接影響到后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果［5］。筆者通過自身的講授感受及調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，“泵與泵站”課程教學(xué)存在以下幾個關(guān)鍵問題。

（一）教學(xué)內(nèi)容理論過多，實踐內(nèi)容有限

“泵與泵站”課程的主要目標(biāo)是使學(xué)生掌握常用水泵的基本原理、基本構(gòu)造和基本計算方法，能夠根據(jù)實際工藝條件正確地進(jìn)行水泵機(jī)組的選型，具備對給水泵站、污水泵站進(jìn)行設(shè)計、維護(hù)和管理的能力，并能解決生產(chǎn)實際中存在的問題。可見，基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)、綜合能力的提升等都是培養(yǎng)給排水及環(huán)境工程人才的重要環(huán)節(jié)。通過學(xué)習(xí)該課程，學(xué)生能夠運用所學(xué)知識進(jìn)行給水泵站、污水泵站設(shè)計是重中之重。但是，目前課程講授內(nèi)容偏重理論部分，其中一個不容忽視的原因是課時量的縮減。根據(jù)減負(fù)要求，很多高校對該門課程的總學(xué)時進(jìn)行了壓縮。由于理論部分是課程理解的關(guān)鍵，往往理論部分并未壓縮，壓縮主要集中在實踐及實例部分。實踐及實例部分的不足，必然導(dǎo)致課程的實用性下降，從而影響畢業(yè)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)。

（二）課堂講授使學(xué)生難以真正理解課程定位

傳統(tǒng)課程以講解為主，只有少部分內(nèi)容會輔以實驗開展幫助學(xué)生理解。但學(xué)生對于泵及泵站在實際工程中的作用及功能并不十分清楚，只是通過教師的反復(fù)強(qiáng)調(diào)表面上知道“如何重要，如何重要”……并不真正理解其在城鎮(zhèn)供排水體系中的地位。因此，一些學(xué)生無法理解課程設(shè)置的意義，只能泛泛地跟隨教師的講解，難以深入思考和提出問題。

（三）學(xué)生無法掌握泵站的操作規(guī)程及所面臨的實際問題

在通常情況下，“泵與泵站”課程教學(xué)體系的大部分為理論授課，僅包含4～8學(xué)時的實驗課。實驗課主要包括水泵拆卸、（繪制）水泵特性曲線、管路特性曲線、水泵并聯(lián)工作曲線等。實驗課程能夠幫助學(xué)生更好地理解理論課的內(nèi)容，對水泵的特性、工作條件、并聯(lián)工作的作用有更深入的理解。但在實際水泵站中，水泵的選擇、啟閉、運行工況調(diào)配，以及泵站內(nèi)布設(shè)、尺寸等如何確定都僅停留在書面上，無法直觀明了地呈現(xiàn)給學(xué)生，難免會導(dǎo)致學(xué)生對水泵及泵站的理解不全面。另外，學(xué)生主要通過被動聽課和完成作業(yè)等形式進(jìn)行學(xué)習(xí)，這就會導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)“泵與泵站”課程時往往死記概念知識，無法靈活使用課程中的推導(dǎo)學(xué)習(xí)公式和原則進(jìn)行創(chuàng)新性應(yīng)用。

（四）現(xiàn)代化手段實現(xiàn)節(jié)能降耗未被涵蓋

泵站電耗占城市供水系統(tǒng)總電耗的90%左右，占城市總電耗的20%左右［6］，可見其直接影響著水費的價格。近年來，節(jié)能降耗意識已深入城市用水用電等多個方面，很多學(xué)者據(jù)此開展了泵站節(jié)能優(yōu)化的相關(guān)研究，并提出了諸多現(xiàn)代化手段，達(dá)到了很好的節(jié)能效果。但對于泵站節(jié)能降耗意識以及節(jié)能手段的相關(guān)內(nèi)容在課程中涉及較少，主要是通過經(jīng)驗和計算優(yōu)化泵站機(jī)組的運行狀態(tài)，幾乎不涉及現(xiàn)代化智能手段，這不利于“雙碳”理念的植根，也不利于勇于探索、與時俱進(jìn)精神的培養(yǎng)。

二、“泵與泵站”課程改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

基于上述提出的關(guān)鍵問題，筆者認(rèn)為，課程改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)主要從薄弱環(huán)節(jié)和缺失環(huán)節(jié)著手，采取針對性的手段，提高課程的實用性，發(fā)揮其在培養(yǎng)體系中的作用，具體應(yīng)從以下幾個方面開展。

（一）凝練理論知識，以學(xué)代教

在整體教學(xué)課時有限的前提下，調(diào)整課堂講授內(nèi)容，突出重點、難點知識是重中之重?；A(chǔ)概念部分是識記類學(xué)習(xí)內(nèi)容，教師在做好入門導(dǎo)學(xué)、為學(xué)生搭建起知識框架后，學(xué)生完全可自行學(xué)習(xí)并不斷充實知識框架內(nèi)的具體內(nèi)容。這一構(gòu)想的前提是激發(fā)學(xué)生對泵與泵站的學(xué)習(xí)興趣，若學(xué)習(xí)興趣薄弱，無論教師多么認(rèn)真負(fù)責(zé)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也不盡如人意。同時，由于課本知識體系龐雜，學(xué)生難以快速找到重點，易導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低、對課程的理解不全面。因此，教師須要對課本中的理論知識進(jìn)行凝練，告訴學(xué)生課下學(xué)習(xí)的范圍和重點，分享一些高質(zhì)量的多媒體教學(xué)視頻。隨后，教師在課上以抽查等方式對重點、難點知識進(jìn)行檢查和補(bǔ)充，以達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。這樣不僅可以節(jié)約課堂時間，還能提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，以多樣的方式隨時隨地進(jìn)行“泵與泵站”課程學(xué)習(xí)，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力。

（二）進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)

正所謂“實踐出真知”“百聞不如一見”，工科課程的學(xué)習(xí)更是如此。課上反復(fù)強(qiáng)調(diào)遠(yuǎn)不及帶領(lǐng)學(xué)生親眼所見、親身體會，讓學(xué)生印象深刻。如果說，課堂教學(xué)可以讓學(xué)生對泵與泵站產(chǎn)生二維認(rèn)識，那么現(xiàn)場學(xué)習(xí)就可以讓這個知識體系升為三維體系，讓學(xué)生對泵站的認(rèn)識更立體、更飽滿、更真實，更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。去泵站現(xiàn)場教學(xué)不僅僅是課本知識的延續(xù)，還可以了解具有多年實操經(jīng)驗的泵站工程師對泵站設(shè)計理念、泵站運行的核心、泵站升級改造的需求、泵站調(diào)度關(guān)鍵影響因素等的深入理解，根據(jù)實際遇到的問題與學(xué)生進(jìn)行探討交流，讓學(xué)生的理論學(xué)習(xí)真正落地生根，真實地理解泵的構(gòu)型、安裝過程以及運行狀態(tài)，以便對課本知識有深入的認(rèn)識和掌握。除了泵站現(xiàn)場之外，還可聯(lián)系設(shè)計單位進(jìn)行實習(xí)，結(jié)合以往的設(shè)計案例，對學(xué)生進(jìn)行泵站設(shè)計指導(dǎo)，拓寬學(xué)生的眼界，讓學(xué)生在設(shè)計之初就養(yǎng)成規(guī)范化的好習(xí)慣。當(dāng)然，外出實習(xí)前要對學(xué)生進(jìn)行安全教育，在實習(xí)全過程落實好安全防護(hù)措施，確保學(xué)生的人身安全。

（三）介紹和學(xué)習(xí)泵站學(xué)科前沿科學(xué)研究

課堂教學(xué)主要圍繞課本展開，課本使用的是2007年出版的第一版《泵與泵站》，其后雖有修訂更新版，但基本內(nèi)容與第一版相差不大。因此，課本講授內(nèi)容主要是傳授基本的理論方法，對泵與泵站相關(guān)的前沿理論、熱門研究鮮少提及。隨著近幾年來節(jié)能降耗理念以及“雙碳”目標(biāo)的普及和推廣，科研人員將泵站運行與現(xiàn)代化的智能優(yōu)化手段相結(jié)合，如基于機(jī)器學(xué)習(xí)、仿真算法等［7］，提出了多種泵站節(jié)能降耗方法。因此，在課堂講授與泵站現(xiàn)場實習(xí)之外，可就當(dāng)前泵站節(jié)能的前沿方法進(jìn)行介紹和講解，鼓勵學(xué)生不局限于本學(xué)科的知識體系，以多學(xué)科融合的視角與時俱進(jìn)，借助跨學(xué)科的新興工具解決本學(xué)科的現(xiàn)實問題。

三、“泵與泵站”課程改革實踐的思考及建議

在實施上述“泵與泵站”改革關(guān)鍵環(huán)節(jié)的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)仍存在一些限制因素，妨礙了“泵與泵站”教學(xué)改革的實施。對此，筆者有如下的思考和建議。

（一）增加課時

筆者所在單位“泵與泵站”課程的總學(xué)時為24學(xué)時，其中實驗課為4學(xué)時，講課學(xué)時為20學(xué)時。在這20個學(xué)時中，筆者利用2學(xué)時帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行泵站現(xiàn)場實習(xí)，因此，課堂學(xué)時僅為18學(xué)時。然而，“泵與泵站”共五章內(nèi)容，知識框架嚴(yán)謹(jǐn)、結(jié)構(gòu)清晰，須掌握的重點及難點知識較多，僅“葉片式泵”部分就有12節(jié)內(nèi)容，包含大量公式推導(dǎo)計算，講授過程耗時較長。且由于學(xué)生消化重點及難點知識的時間過少，學(xué)生內(nèi)化的知識儲備遠(yuǎn)達(dá)不到這門課程對專業(yè)能力的要求。顯然，知識講授的覆蓋面和講解深度本就難以兼顧，再想設(shè)計更多的教學(xué)內(nèi)容更是難上加難。因此，若想發(fā)揮教師的主觀能動性，激發(fā)教師進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新，從學(xué)生的角度出發(fā)設(shè)計出高效、與時俱進(jìn)的教學(xué)模式，還應(yīng)適當(dāng)增加學(xué)時，給予教師更多的發(fā)揮空間。

（二）豐富課堂教學(xué)模式

在課堂講授方面，筆者嘗試使用多種方式豐富教學(xué)模式，提高學(xué)生對“泵與泵站”課程的興趣。例如，在最初的泵的基本結(jié)構(gòu)講授中，筆者通常會帶著多種泵的模型上課，結(jié)合多媒體幻燈片中的圖片對泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解，將泵模型傳遞至每名學(xué)生手上，讓學(xué)生對泵的第一印象是“看得見、摸得著”的具象物體。同時，在知識講解過程中，筆者盡可能地借助動畫視頻資源。例如，讓學(xué)生直觀地觀察水在離心泵內(nèi)的流動過程，理解水泵工作的原理。通過動畫演示，學(xué)生能很好地理解離心泵在初次使用時充水啟動的重要性，若葉輪中心沒有水，葉片難以推動空氣產(chǎn)生負(fù)壓，從而將水吸入葉輪中。另外，在課程教學(xué)中，筆者會針對重點及難點內(nèi)容設(shè)置一些問題，引導(dǎo)學(xué)生分組討論并主動尋求答案，加深學(xué)生對重點及難點知識的理解，促使學(xué)生深入交流與溝通，養(yǎng)成團(tuán)隊意識。在實驗教學(xué)模塊中，設(shè)置課程競賽，制定明確的考核標(biāo)準(zhǔn)，激發(fā)學(xué)生的求知欲、好勝心，督促每名學(xué)生參與課程實驗，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。從多個維度豐富課堂的教學(xué)模式，有助于激發(fā)學(xué)生對“泵與泵站”課程的興趣，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

（三）建立課堂教學(xué)“雙導(dǎo)師制”

實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生去泵站現(xiàn)場實習(xí)會普遍表現(xiàn)出熱情和新奇感，對工程師講解的泵站實際運行情況充滿好奇，在通過提問的方式查缺補(bǔ)漏課本知識的同時，對泵和泵站有更具體的認(rèn)識，還會通過實習(xí)日記撰寫鞏固和加深實習(xí)收獲。學(xué)生表示，實習(xí)極大地提升了對泵站這門課的興趣，并且對工程師講解的實際案例意猶未盡。因此，筆者思考，能否建立“雙導(dǎo)師制”聘請工程師上講堂，在前期以教學(xué)導(dǎo)師為主，為學(xué)生介紹和講解泵與泵站的基礎(chǔ)概念及課本知識，為學(xué)生構(gòu)建完整的知識脈絡(luò)；在教學(xué)后期，以實踐導(dǎo)師為主，讓其依據(jù)多年的生產(chǎn)運行經(jīng)驗，為學(xué)生講授更符合實際的問題、案例及解決方案。實際上，“泵與泵站”課程以解決實際工程問題為主要目標(biāo)，通過對生活和工程中遇到的現(xiàn)實問題進(jìn)行分析，在實踐中充分借助理論知識尋找解決問題的方法。因此，“雙導(dǎo)師制”更有助于促成學(xué)生綜合能力與素質(zhì)的提升。

（四）挖掘?qū)W生的科研潛力

對于前文提到的泵站學(xué)科前沿理論科學(xué)研究的介紹與學(xué)習(xí)，因課時不足，筆者在實施時主要依托于學(xué)校面向本科生的科研挑戰(zhàn)項目展開。為主動響應(yīng)國家“雙碳”目標(biāo)，筆者利用課余時間帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)深度強(qiáng)化算法學(xué)習(xí)，并將其應(yīng)用于水泵組的智能調(diào)控，以實現(xiàn)泵站節(jié)能降排的目標(biāo)。這次實踐取得了不錯的效果，項目小組成員收獲頗多。在研究過程中，團(tuán)隊成員合理分工，對研究的不同模塊進(jìn)行了從無到有的學(xué)習(xí)，快速提升了學(xué)習(xí)能力，并拓寬了與水泵相關(guān)的專業(yè)視野。同時，小組的形式更便于發(fā)揮每名學(xué)生的主觀能動性。因此，筆者認(rèn)為，可鼓勵對學(xué)科前沿科學(xué)研究感興趣的學(xué)生積極申報學(xué)校的科創(chuàng)項目，以“課外延伸”的模式協(xié)助學(xué)生主動學(xué)習(xí)“泵與泵站”課堂知識以外的前沿科研理論和手段，激發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識、跨學(xué)科交流合作意識。在學(xué)時充足的情況下，也可在課上設(shè)置與泵站相關(guān)的前沿科學(xué)命題，讓學(xué)生自發(fā)組建研究團(tuán)隊，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)前沿研究動態(tài)并將其用于解決實際問題。

結(jié)語

“雙碳”目標(biāo)倡導(dǎo)綠色、環(huán)保、低碳的生產(chǎn)與生活方式，這一目標(biāo)的實現(xiàn)需要各行各業(yè)的共同努力。在進(jìn)行“泵與泵站”教學(xué)時，高校應(yīng)從教學(xué)實際出發(fā)，深刻剖析教學(xué)工作的關(guān)鍵問題和改革方向，制訂與時俱進(jìn)的課程教學(xué)計劃，適當(dāng)增加課程實踐，注重培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的工程實踐能力。另外，要挖掘?qū)W生的科研潛力，鼓勵學(xué)生借助現(xiàn)代化手段開展泵站的節(jié)能降排研究，為助力泵站行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

［1］教育部高等學(xué)校教學(xué)指導(dǎo)委員會.普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京：高等教育出版社，2018：242-247.

［2］劉忻，潘楊，李勇，等.新時期“泵與泵站”課程教學(xué)改革探索［J］.教育教學(xué)論壇，2022（32）：80-83.

［3］劉宏遠(yuǎn)，方程冉，頡亞瑋，等.再談“泵與泵站”課程教學(xué)體系的設(shè)計［J］.中國給水排水，2022，38（20）：27-30.

［4］力爭2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實現(xiàn)碳中和：打贏低碳轉(zhuǎn)型硬仗［EB/OL］.（2021-04-02）［2023-04-15］.https：//www.gov.cn/xinwen/2021-04/02/content_5597403.htm.

［5］曾曉嵐，謝安，陳瑤，等.“泵與泵站”理論與實踐環(huán)節(jié)一體化教學(xué)新模式［J］.教育教學(xué)論壇，2021（43）：25-28.

［6］趙瀟然，汪力，李闊，等.供水系統(tǒng)水泵機(jī)組節(jié)能改造方法與工程實例［J］.給水排水，2022，58（2）：1-5+12.

［7］譚祺鈺，賴喜德，陳小明，等.基于人工蜂群算法的供水泵站多目標(biāo)優(yōu)化與決策［J］.水電能源科學(xué)，2022，40（7）：124-127+92.

“Pump and Pump Station” Curriculum Reform Practice and Thinking under the Background

of “Dual-carbon”

ZHANG Xiao-lei， WANG Zhuo-yue， YUAN Yi-xing

（School of Civil and Environmental Engineering， Harbin Institute of Technology， Shenzhen， Shenzhen， Guangdong 518055， China）

Abstract： Based on the current teaching content of “Pump and Pump Station”， combined with the dual-carbon target in China， the content of the course is analyzed， including too many theories， limited practice， difficult course positioning for students to accurately understand， and lack of cutting-edge technology methods. The key points of curriculum reform are proposed （“l(fā)earning instead of teaching”， on-site training at pumping stations， etc）， and through the analysis of the problems found in the practice process， the reform of related engineering courses are proposed and guided， including enriching the teaching mode， establishing a “dual-tutor system”， and discovering the scientific research potential of students.

Key words： dual-carbon; pump and pumping station; curriculum reform