《水质工程学Ⅰ》课程“三融合”教学模式初探

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  摘要:《水质工程学Ⅰ》是给排水科学与工程专业的主干核心课程,在给排水专业教学体系中占有重要地位。目前该课程在理论、实验、实践课程中存在课程内容多、但学时少;实验项目设置偏少,类型单一、时间安排不妥、考核方式较为单一;实践教学方式和理论教学结合不紧密等问题。因此,构建《水质工程学Ⅰ》理论、实验、实践“三融合”的教学模式,提升教学效果,提高学生兴趣,培养学生能力,有利于培养富有创新精神的高素质应用型人才。
  关键词:水质工程学Ⅰ,理论,实验,实践
  水是生命之源,水质安全问题一直是人们关注的重点。《水质工程学Ⅰ》是给排水科学与工程专业的主干核心课程,在给排水专业教学体系中占有重要地位。该课程教学效果的好坏,与给排水专业学生的就业、科研能力的培养密切相关。目前在以《水质工程学Ⅰ》理论课程为主线,辅以水质工程学实验、课程设计、实习的实践教学中,存在着课程内容多、但学时少;实验项目设置偏少,类型单一、时间安排不妥、考核方式较为单一;实践教学方式和理论教学结合不紧密等问题。四川轻化工大学土木工程学院作为以培养应用型人才为主的地方高等院校,在保证理论教学效果的同时也特别重视实验与实践,重视培养学生的应用能力。因此,如何将理论、实验、实践这三者有机融合起来,是急需教学改革的重点。
  1 《水质工程学Ⅰ》在教学中存在的问题
  1.1理论课程内容多,但学时少
  《水质工程学》的课程内容多,涉及到水质概况、水的物理处理、化学处理、生物处理以及给水处理和特种水源处理工艺,要求掌握的知识点多,理论性也非常强。本校拟采用《水质工程学》(李圭白、张杰主编)教材,但在使用过程中发现,如果理论授课不分成给水处理和排水处理两部分,学生在概念上容易混淆,不利于后面给水厂和排水厂课程设计的开展,所以经过综合考虑,我校的水质工程学课程分为了Ⅰ和Ⅱ两部分,分别进行给水处理和排水处理的讲授,选用的教材沿用了《给水工程(第四版)》(严煦世、范瑾初主编)和《排水工程(下册)(第五版)》(张自杰主编),而《水质工程学》(李圭白、张杰主编)作为补充。水质工程学Ⅰ和水质工程学Ⅱ两门课同时开设在大三下学期,为了响应国家“厚基础、宽口径”的总体方针,高等学校给排水科学与工程专业指导委员会提出要缩减水质工程学课程的总课时,所以,目前水质工程学Ⅰ和Ⅱ的理论学时由56减少为40学时,这样就造成了授课内容多和学时短的矛盾,不妥善处理将会极大地影响教学效果。
  1.2 实验项目设置偏少,类型单一、时间安排不妥
  实验教学是高等教育教学中衔接理论知识与工程实際的重要环节,是培养学生实践技能和创新能力的重要途径[1]。在本院2018年之前的培养方案中,为了跟当时的理论课程《给水工程》、《排水工程》设置相配套,实验课程的设置也分为《给水工程实验》和《排水工程实验》,后来随着理论课程设置的变化,实验课程的名称也更改为了《水质工程学实验》,之前的给水工程和排水工程实验项目也进行了有机地合并。水质工程学实验在实施过程中出现的问题主要如下:1)实验项目设置偏少,主要包括过滤与反冲洗实验、絮凝实验、水厂构筑物和污水厂构筑物演示实验,在这些实验项目中,演示性实验为主,综合性和设计性基本没有,学生就是跟着老师看看,不能锻炼学生的动手能力。2)为了便于实验准备等原因,《水质工程学实验》常常安排在《水质工程学Ⅰ》和《水质工程学Ⅱ》理论课所在的同一学期的最后一周,这样导致理论和实验不能很好的衔接,一方面理论课上的内容不能很好的通过试验验证、直观地展示,另一方面实验时学生已经忘了相应的理论,实验课之前需要花费相当的时间和精力来回顾理论课中的原理,导致实验教学效果不佳。3)考核方式较为单一。目前,实验课程的考核主要以实验报告为主,考核标准主要是看学生的书写内容及形式是否规范、实验结果是否正确、实验图表绘制是否规范美观、实验结果是否有进行分析,总体来说,这些考核指标不够量化,没有体现出对学生实验过程的考核。在评阅实验报告的过程中会发现,有时学生明显在实验过程中玩手机、聊天,不动手参与,但是知道投机取巧好好整理实验报告,评分标准中如果不关注实验的过程,这部分学生的实验成绩往往会比较好。而另一部分学生实验态度非常认真,动手能力很强,但是实验图表不能好好绘制,实验数据也不会好好分析,只会机械地照抄照搬实验指导书中的实验目的、实验原理、实验步骤;
  1.3实践教学方式和理论教学结合不紧密
  水质工程学Ⅰ相关的实践教学主要包括给水厂课程设计和水厂实习。给水厂课程设计在实施过程中发现,由于《水质工程学Ⅰ》理论课时间短,内容多,课堂讲解过程中多强调水处理的原理、技术,但给水厂课程设计需要学生锻炼设计计算能力,这造成课程设计的重点与课堂教学的重点不是很契合,最后表现为部分学生不知道课程设计从何入手,阻碍了学生工程设计能力的培养。而水厂实习主要体现在生产实习和毕业实习环节两个环节,主要是要求学生进入制水企业,从理论到实践,从抽象到直观,深入理解给水处理方法、水厂的平面和高程布置、了解水厂的运营和管理。同给水厂课程设计类似,这两个实习过程都是独立进行的,没有和理论授课同步进行,造成学生理论知识和问题不能及时通过实践进行巩固和加深,学生在实习过程中往往不知道要去看什么,要去学习什么,而理论学习的过程中很多涉及具体构筑物的内容又觉得太过空泛和抽象。
  2《水质工程学Ⅰ》教学改革的措施
  2.1 教学形式多样化,教学内容重新组建,重点突出,提高学生实际运用能力
  针对课程教学内容多,学时短的矛盾,在教学过程中采用了多种教学形式。传统的“粉笔+黑板+挂图”的教学方式比较抽象,教学速度慢,学生理解吃力,不利于《水质工程学Ⅰ》的顺利讲授,所以在授课过程中,充分利用信息化手段,包括课件ppt、网上的图片和视频、教师出差过程中收集的水厂资料来扩展教材横向的信息。同时,也考虑到给排水科学与工程专业是一个与时俱进的专业,随着新技术、新理论、新材料的发展,在授课过程中也注意把与本专业相关的前沿科研成果嵌入本课程,比如新型水处理絮凝剂的发展与应用、膜技术的规模化应用、水源突发污染应急技术、后三峡问题融入到课程当中,以弥补教材滞后的局限性。由于教学内容多而杂,在教学过程中突出重点,以各处理工艺的原理和应用为主线,比如给水工程常规处理工艺中的“絮凝、沉淀、过滤、消毒”工艺为主线,介绍各工艺的原理、设计要点、构筑物构造,坚持理论联系工程实践,强化教学内容的理论性、系统性和实践性的统一,努力构建“理论-分析-应用”相协同的立体的课程体系,注重提高学生的创新思维、分析问题及至解决复杂工程问题的能力。   2.2 合理安排实验课程时间和内容,增强实验内容的综合性和设计性、构建多元化的实验成绩考核体系。
  针对实验教学中存在的问题,可采取如下措施改进:
  1)由于课时所限,之前的实验课程项目设置偏少,按照给排水专业指导委员会的要求,完善了实验项目,把实验项目增加为8个,课时不够的情况下,利用学生空闲等时间灵活地增加一些实验时间。8个实验分别是:混凝实验、颗粒自由沉淀实验、过滤及反冲洗实验、活性炭吸附实验、树脂总交换容量和工作交换容量的测定实验、污泥沉降比和污泥指数的测定与分析实验、鼓风曝气系统中的充氧实验、加压容器气浮的运行与控制实验。不仅对实验项目进行了增加,而且改变了基本都是演示性实验的情况,增设了创新性实验和综合性实验。综合性实验是根据教师自己的科研项目,将一个综合性科研项目分解为若干个基础实验项目,鼓励学生自己分组,通过查阅资料、讨论、确定方案、分工合作最后完成实验。而创新性实验则提倡学生自愿组队,通过查阅文献提出自己的设想,教师在关键步骤给与适当的指导,学生自主设计方案、完成操作、处理数据、撰写论文和研究报告、参与结题。整个过程的参与能让学生初步得到系统的科研训练。比如2019年学生立项的省级大学生创新创业训练计划项目“新型壳聚糖-聚丙烯酰胺类絮凝剂的制备及絮凝性能研究”就是基础实验项目中的絮凝实验的综合运用。
  2)要更合理地安排实验时间。虽然水质工程学实验和对应的理论课《水质工程学Ⅰ》和《水质工程学Ⅱ》都在同一学期,但是间隔的时间比较久,所以采用理论课讲授到相应的部分,就准备学生对应的实验,这样可以加深学生的理解,也能让理论和实践更好的衔接。比如已经讲授到絮凝的理论部分,可以随后马上开展絮凝实验,实践证明,这种理论和实践的及时融合能极大地促进教学效果。
  3)构建多元化的实验成绩考核体系。在这个系统的构建过程中,需要摒弃传统的仅以实验报告为主的考核方式,增加以学生为中心的全过程考核,在这个过程中包括学习态度(包括出勤率、学习纪律等,占20%)、实验理论(能够明确所做实验项目的理论,占15%)、实验报告(实验报告撰写的规范性、实验数据处理的正确性、实验结果分析的合理性,占15%)、实验技能(需要教师观察记录学生考查学生实验操作的规范性和熟练程度,占50%)。除此之外,为了鼓励学生多思考、多创新,对在实验过程中善于思考和提出创新性想法的学生,可以适当加分予以鼓励。此外,在大创项目的实施过程中,也经常出现学生在申报环节非常积极,申报成功之后,学生面对繁复的实验、整理数据、撰写论文以及后续的各种竞赛积极性越来越低,意愿不强,甚至项目拖延不能结题的情况,因此,同普通的实验一样,可以把大学生创新创业大赛的完成情况和参与学科竞赛的情况都纳入检查体系,规范此类实验和竞赛的初期、中期、后期检查,从而督促学生得到从此类实践中得到系统的训练。
  2.3改进实践教学模式,理论与实践及时、充分融合
  实践教学环节对培养工科学生的工程实践能力、综合素质和创新意识起着非常重要的作用,有助于学生由课堂到社会的顺利过渡[2]。怎样能将实践和理论做到时间和内容上更好的结合,是本次课程改革的重点和难点。课程设计是训练学生工程设计能力、培养学生工程意识的重要环节,在教学中起着承上启下的作用[3]。为了更好地开展课程设计,可以采取如下的措施:1)在理论课的教学中加强水厂设计部分内容,特别是水处理工艺流程、单体构筑物和水处理设备的设计计算等案例分析,通过典型案例讲解,提高学生的自学能力,提升学生的学习兴趣,让他们体会和理解相关设计规范、标准、手册、图集是进行设计必备的工具,可以理论讲授中辅以《给水排水设计手册(第3册)-城镇给水》、《给水排水快速设计手册(第1册)-给水工程》、《室外给水设计规范(GB50013-2018)》等相关资料,讲授到相应理论部分时,查阅手册和规范中相应的章节进行补充,让学生逐步熟悉课程设计的方法。2)教师在拟定课程设计的题目时,要注意与时俱进,要让课程设计与时俱进,反应给排水专业技术发展的新要求和当前水处理技术领域发展的新動态。在课程设计的过程中,要鼓励学生在基础设计资料的前提下,提出一些创新性设计思路,将新工艺新技术多融入课程设计的环节。比如水源水质为微污染水应该如何设计工艺流程,出厂水需要达到直饮水又如何设计工艺,引导学生多思考,而不仅仅只会照搬照抄别人的设计思路。3)在指导设计的过程中,尝试采用“校企双师制”的实践教学模式,与多家设计院,如自贡远建建筑工程设计有限公司、自贡市城市规划设计研究院合作,融合共享实践教学资源,以案例为导向,让学生参与到实际的工程设计实例中。4)要强化学生识图绘图的基本功,并能熟练运用CAD类绘图软件的能力。自从CAD类软件代替了手工制图后,大大解放了劳动力,但在课程设计过程中,也发现学生过多的依赖电脑,识图绘图能力都有所下降。所以我院除了开设土木工程制图强化学生的绘图基本功,还在大三上学期开设了《城市水工程计算机应用Ⅰ》、《城市水工程计算机应用Ⅱ》,利用学院的机房,通过课堂上教师先演示讲解、然后学生自己动手绘制,有问题随时沟通的方式来强化学生的计算机绘图能力。
  此外,针对实习过程中的问题,采取的措施主要包括:
  1)我院与一些水处理厂建立了长期、可持续发展的校外实践教学基地,采取多种方式加深校企合作。目前我院已经建立的校外实践教学基地包括自贡水务集团、自贡天源水务集团、内江水务集团,这些实践教学基地能为学生搭建工程实践锻炼的平台,并尽可能使理论课程的同时穿插实践教学,使学生能够及时形成理论和实际工程的对照。
  2)高水平的实践教师队伍是提高实践教学质量的关键。目前,我院市政工程系教师博士的比例是40%,硕士的比例为60%;注册设备工程师所占比例为40%。博士教师理论水平高,在科研、实验、大创等方面具有相当重要的引导作用,但是在实习教学过程中,却不免存在着实践实验不足的问题;即使有些老师考过了注册设备工程师,但纸上谈兵终觉浅,在具体指导水厂实习时,也存在水厂运行管理经验不足的情况,因此,各高校都在强调双师型教师,或者倾向于引进一定具有企业背景的教师,然而,要构建双师型教学系统或者强调教师的企业北京,就需要将现有教师放到企业进行培训,这需要不少时间和精力,效果较慢。而且企业的运行管理情况也是变化的,教师一旦脱离企业回归学校,有些实习知识储备又会滞后。基于这些考虑,可以构建一支校内理论教师、校外企业专家、岗位技术专家、基层技术能人组成的多元化实习教师队伍。后面三种老师(包括校外企业专家、岗位技术专家、基层技术能人)在理论方面的理解和掌握不一定很深刻,但是他们每天在自己的岗位中面对具体的工程问题,具有解决复杂技术工程问题的清晰的思路,掌握了解决实际工程难题的技巧和方法,他们到底分析问题、解决问题的能力能让学生提早接触工程环境,给学生起到良好的示范和启迪作用。
  3 结语
  将《水质工程学Ⅰ》从理论、实验和实践结合在一起的“三融合”教学模式,能够帮助学生更深入地掌握给水工程的理论知识,提高学生的学生兴趣,促使学生积极思考、主动创新,开拓了学生的视野,从而有助于培养学生在工程设计、科研、运营方面的能力,有利于培养富有创新精神的高素质应用型人才。
  参考文献
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  [3]苏冰琴,宋秀兰,陈启斌. 基于一流专业建设的“水质工程学”教学改革探索[J].黑龙江教育(理论与实践),2021(1368):54-57
  基金项目:四川轻化工大学教学改革项目(JG-19-49,JG2028,JGJ-1802,JGJ-1901)资助。
  作者简介:廖熠(1980-),女,四川隆昌人,博士,副教授,研究方向为环境保护及水处理技术领域。
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