趙姍姍 呂慧 孫連鵬 趙晴 李若泓

[摘 要] “水污染控制工程”是環(huán)境工程專業(yè)的基礎(chǔ)課。隨著復(fù)雜環(huán)境問題的日益突出，水污染控制新技術(shù)和新理論也在快速發(fā)展，傳統(tǒng)的基本理論授課方式已經(jīng)不能滿足學(xué)科發(fā)展的需求和人才培養(yǎng)的目標(biāo)。在理論教學(xué)過程中，通過引進PBL研究性教學(xué)模式，以問題為導(dǎo)向、以項目為依托，使學(xué)生積極參與科研項目，以科研實踐促進學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握，并且以最新科研成果對教學(xué)內(nèi)容進行更新、完善，以科研成果提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。通過這一教學(xué)改革與實踐，激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實驗實踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，取得了較好的效果，為理論型、科研型、實踐型并重的復(fù)合型人才培養(yǎng)提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] PBL;教學(xué)改革;水污染控制工程;科研能力;實踐能力

[基金項目] 2020年度教育部第二批新工科研究與實踐項目“智能時代環(huán)境工程‘新工科智慧教學(xué)’的創(chuàng)新與實踐”（E-HJFZQG20202426）;2020年度廣東省教育廳本科高校在線開放課程建設(shè)項目“水污染控制工程”（粵教高函〔2020〕19號）;2020年度廣東省教育廳線下一流本科課程立項項目“水污染控制工程”（粵教高函〔2020〕16號）

[作者簡介] 趙姍姍（1983—），女，河北唐山人，博士，中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水污染控制技術(shù)研究;呂 慧（1982—），男，黑龍江七臺河人，博士，中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，院長助理（通信作者），主要從事水污染控制技術(shù)研究;孫連鵬（1973—），男，遼寧丹東人，博士，中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院院長，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水污染控制技術(shù)研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）24-0144-04 [收稿日期] 2021-06-29

“水污染控制工程”是環(huán)境工程、給排水、市政工程等專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課程，內(nèi)容包括污水防治的各種技術(shù)和理論，涉及物理、化學(xué)、生物學(xué)及系統(tǒng)工程學(xué)等多學(xué)科的原理和方法。隨著復(fù)雜環(huán)境問題的日益突出，各個交叉學(xué)科技術(shù)的迅猛發(fā)展，水污染控制技術(shù)也在不斷更新，新的技術(shù)和理論層出不窮，知識點越來越多，課程也越來越呈現(xiàn)出學(xué)科交叉融合的特色，具有很強的理論性、科學(xué)性、應(yīng)用性、時代性和綜合性[1]。因此，課堂上僅講授水污染控制技術(shù)的基本原理，已經(jīng)不能滿足學(xué)科發(fā)展的需求和人才培養(yǎng)的目標(biāo)。此外，根據(jù)學(xué)?！暗虏偶?zhèn)?、領(lǐng)袖氣質(zhì)、家國情懷”的人才培養(yǎng)目標(biāo)，以及“雙一流”建設(shè)目標(biāo)，中山大學(xué)擬實現(xiàn)80%以上本科生升學(xué)率[2]。因此，在講授專業(yè)基礎(chǔ)理論的同時，如何提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)是專業(yè)課、主干課授課中需要關(guān)注的議題。圍繞這一議題，基于“水污染控制工程”這一主干課程，進行了探索和嘗試。在課程教學(xué)的過程中，基于PBL（Project-based Learning）研究性教學(xué)模式，對基礎(chǔ)課程的內(nèi)容不斷更新完善;鼓勵學(xué)生課外積極參與學(xué)院各個課題組的科研活動，以科研實踐促進對基礎(chǔ)知識的掌握與升華;在講授基礎(chǔ)理論的同時，加入最新的科研成果，以科研成果推進本科的教學(xué)效果，進而實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)：學(xué)習(xí)能力提升，能夠掌握最新水污染控制技術(shù)原理及工藝;實踐能力提升，具有從事水污染控制工程設(shè)計和運行管理的實踐能力，具有解決實際工程問題的能力;創(chuàng)新能力提升，能夠開展創(chuàng)新性科學(xué)研究活動，激發(fā)創(chuàng)新意識，提升科學(xué)素養(yǎng)。

一、PBL研究性教學(xué)模式概述

（一）PBL研究性教學(xué)模式的內(nèi)涵

PBL，專題式學(xué)習(xí)，又稱研究性學(xué)習(xí)，是近年來興起的以項目為基礎(chǔ)、以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)模式。PBL研究性教學(xué)法強調(diào)學(xué)生要把知識和技術(shù)的學(xué)習(xí)設(shè)置于復(fù)雜的、有意義的問題和項目研究情境中[3]。通過讓學(xué)習(xí)者以團隊合作的方式解決實際的科學(xué)技術(shù)問題，并且主動學(xué)習(xí)實際問題背后的知識，從而培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，提高其解決問題和創(chuàng)新的能力。在PBL研究性教學(xué)模式下，學(xué)生需要針對具體的研究項目，整合不同學(xué)科的知識，與團隊成員進行配合以解決各種問題。在學(xué)習(xí)與實踐的過程中，學(xué)生所激發(fā)的熱情、創(chuàng)造力、行動力及進行的探索、創(chuàng)新和協(xié)作，是傳統(tǒng)教學(xué)模式難以企及的。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為學(xué)習(xí)的過程是一個意義建構(gòu)的過程，學(xué)生通過主動學(xué)習(xí)，來形成和豐富自己認知結(jié)構(gòu)的過程，才是最為有效的學(xué)習(xí)過程[4，5]。通過PBL研究性教學(xué)模式，可以有效提高學(xué)生自我學(xué)習(xí)和認知能力，提升解決問題的能力，從而全面提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

（二）PBL研究性教學(xué)模式的特點

區(qū)別于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，PBL研究性教學(xué)模式以科學(xué)問題為導(dǎo)向、以科研項目為實施基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，學(xué)生在完成項目、解決問題的過程中強化對基礎(chǔ)知識的掌握與靈活運用[6]。PBL研究性教學(xué)模式具有如下特點：（1）理論與實踐相結(jié)合：PBL研究性教學(xué)通過理論知識結(jié)合實際科研項目，在項目實施的過程中建立起知識體系，引導(dǎo)學(xué)生通過協(xié)作來解決問題，對于學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)和理論知識的掌握大有裨益;（2）綜合性學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)：科研實踐項目開展過程中，會涉及多學(xué)科知識。學(xué)生為了解決實際問題，往往需要跨學(xué)科的基礎(chǔ)理論和綜合應(yīng)用，有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，以及跨學(xué)科、跨領(lǐng)域完成復(fù)雜工程問題的能力;（3）自主學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)相結(jié)合：在PBL教學(xué)過程中，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下提出問題，獨立收集資料、整理與研究，最后在團隊中進行討論和總結(jié)，并匯報與分享成果。這些過程將充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，他們在解決問題的過程中，通過主動學(xué)習(xí)獲取知識，并將知識進行運用。同時，在教學(xué)與學(xué)習(xí)過程中進行團隊協(xié)作，有利于學(xué)生形成創(chuàng)新、合作的價值觀;（4）多元化培養(yǎng)模式：通過設(shè)計一系列課題，將大量的知識融入具體的項目中，提供多元化的教學(xué)資源，優(yōu)化“教”與“學(xué)”過程[7，8]。PBL研究性教學(xué)不僅關(guān)注教學(xué)大綱下基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，同時也注重學(xué)生批判性思維能力、解決問題能力、團隊協(xié)作的能力和自我管理能力的培養(yǎng)。

二、PBL研究性教學(xué)模塊的設(shè)計與應(yīng)用

（一）教學(xué)設(shè)計

本門課程理論課54學(xué)時，安排在大二第一學(xué)期，授課時間為1～19周。教學(xué)內(nèi)容主要包括：水體的污染和自凈，污水的物理處理、化學(xué)處理及物理化學(xué)處理技術(shù)，污水的好氧和厭氧生物處理技術(shù)，污水的生物脫氮除磷技術(shù)，污水的土地處理技術(shù)，污水處理前沿技術(shù)及原理，污水的深度處理與回用，污泥的處理與處置技術(shù)，以及污水處理廠的設(shè)計等。PBL研究性教學(xué)模塊主要包括兩個階段：第一階段，在理論課授課的學(xué)期，鼓勵學(xué)生參與學(xué)院各課題組的科研項目研究，邊學(xué)習(xí)理論知識邊進行科研實踐。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)意愿和興趣，成立研究性學(xué)習(xí)小組，每組3～5人，加入學(xué)院各導(dǎo)師現(xiàn)有科研項目，并由課題組1～2名研究生對研究性學(xué)習(xí)小組進行指導(dǎo)。本科生從參加實驗室的安全培訓(xùn)開始，學(xué)習(xí)如何查閱文獻、各種儀器的基本操作，熟悉并掌握各種水質(zhì)指標(biāo)的測試原理及測試方法等。學(xué)生在參與科研項目過程中遇到的各種問題，除了自己查閱文獻、與研究生討論外，還可積極與指導(dǎo)教師進行討論，或者與課程授課教師進行探討，以科研促進教學(xué)。第二階段（大二第二學(xué)期和大三第一學(xué)期），依托學(xué)院研究性學(xué)習(xí)項目和“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目”，進一步培養(yǎng)本科生獨立思考、探究科學(xué)問題的能力。中山大學(xué)環(huán)境學(xué)院的永鑾學(xué)社每年都設(shè)置研究性學(xué)習(xí)項目，至今已舉辦15年，各年級學(xué)生自由組隊，在導(dǎo)師指導(dǎo)下開展科研項目。同時，中山大學(xué)每年都有“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”，項目分為國家級、省級和校級，學(xué)校會對項目給予一定科研支持[2]。通過鼓勵學(xué)生申請和參與這些科研項目，激發(fā)學(xué)生的科研興趣、提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并使學(xué)生在完成科研項目過程中，對所學(xué)的基礎(chǔ)理論加深理解，并且可以靈活運用。此外，學(xué)院還有其他實驗實踐活動，例如“實驗技能大賽”和“虛擬仿真大賽”等各類水污染控制工程專業(yè)知識和技能比賽，通過指導(dǎo)學(xué)生參加專業(yè)競賽，也有效推動了PBL教學(xué)模式的實踐。

（二）以科研成果促進教學(xué)內(nèi)容更新

隨著環(huán)境問題的日益復(fù)雜，各個交叉學(xué)科技術(shù)的迅速發(fā)展，“水污染控制工程”的教學(xué)內(nèi)容也與時俱進，不斷更新。在PBL研究性教學(xué)模式驅(qū)動下，課程教學(xué)融入學(xué)科前沿，以科研成果作為案例分析，使學(xué)生更加形象地學(xué)習(xí)和掌握基本理論知識。在案例的選取上，優(yōu)先選擇本科生參與的科研項目及本科生參與發(fā)表的文章。例如，在講授高級氧化技術(shù)時，以學(xué)院某課題組發(fā)表在Environmental Science & Technology Letters上的封面文章為例，講解羥基自由基在微污染物降解過程中的作用。以本科生參與的項目為案例，更易激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動力和興趣。例如，講授到光催化技術(shù)時，請參與項目的本科生介紹光催化原理，一方面學(xué)生通過科研實踐，預(yù)先學(xué)習(xí)了光催化的相關(guān)知識;另一方面，學(xué)生通過課堂分享，獲得了成就感，鞏固了所學(xué)的基礎(chǔ)知識。

三、PBL研究性教學(xué)模式的效果

在PBL研究性教學(xué)模式下，學(xué)生表現(xiàn)出了較高的學(xué)習(xí)熱情，積極參與科研訓(xùn)練。學(xué)生主動查閱文獻、收集資料、設(shè)計并開展項目研究，從知識的被動接受者轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲗W(xué)習(xí)者、合作者和研究者，并且主動參與課堂討論，大幅提高了課堂教學(xué)的活躍度。同時，學(xué)生對PBL模式促進實踐能力提升上有較高的認可度。通過對學(xué)生的隨機采訪，學(xué)生表示：“通過科研訓(xùn)練，了解了科研的過程，學(xué)會了查找文獻、寫項目申請書、科研畫圖，這些都是課本上學(xué)不到的，同時感覺自己還有好多內(nèi)容需要學(xué)習(xí)，要加倍努力！”“自己對脫氮技術(shù)很感興趣，參與到老師的項目中，了解了厭氧氨氧化的最新研究進展，希望自己也能在脫氮技術(shù)方面有所貢獻”。以研究項目為主體的學(xué)習(xí)方式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，顯著提升了學(xué)生的實踐能力，訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)和邏輯思維，增強了學(xué)生的團隊意識、溝通表達能力和合作的精神。

以2018級環(huán)境工程專業(yè)為例（共46人），在大二第一學(xué)期，學(xué)生進實驗室率在90%以上。第二學(xué)期，學(xué)生積極申請學(xué)院的研習(xí)項目及學(xué)校的“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”，獲批研習(xí)項目9項，大創(chuàng)項目7項。有一名學(xué)生從大一開始便參與了厭氧氨氧化項目的研究，對多個反應(yīng)器進行了近兩年的研究工作，成功申請到了廣東省攀登計劃研究項目，研究成果受到了導(dǎo)師的好評。有兩名學(xué)生參與到膜耦合工藝用于高鹽有機廢水零排放與資源回收項目，開展了為期一年的研究工作，獲得了“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”國家級項目的資助，并撰寫英文論文1篇。

結(jié)語

基于PBL教學(xué)法，開展以學(xué)生為主體的新型研究性教學(xué)模式，密切結(jié)合水污染控制行業(yè)理論與技術(shù)發(fā)展前沿，促進專業(yè)知識學(xué)習(xí)與科研實踐鍛煉的結(jié)合。在教學(xué)內(nèi)容上，以最新科研成果為案例切入點，極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)實踐上，依托學(xué)院優(yōu)秀的教學(xué)科研團隊及科研平臺，以科研項目和科學(xué)問題為驅(qū)動，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生進行獨立思考，提升了他們分析問題、解決問題的能力及實驗實踐能力，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和邏輯表達能力，培養(yǎng)了團隊協(xié)作精神。同時，以科研促教學(xué)，真正做到科教相長，科教融合，全面提升了人才培養(yǎng)質(zhì)量。此外，PBL教學(xué)模式在應(yīng)用過程中，仍存在部分需要解決的問題與不足。例如，科研項目周期比較長、如何建立有效的追蹤和評價體系尚需要系統(tǒng)思考。

參考文獻

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Teaching Promotion Based on Scientific Research and Teaching Quality Improvement by Project-based Learning： Taking the Course of Waste Pollution Control Engineering as an Example

ZHAO Shan-shan1， LYU Hui1， SUN Lian-peng1， ZHAO Qing2， LI Ruo-hong1

（1. School of Environmental Science and Engineering， Sun Yat-sen University， Guangzhou， Guangdong 510006， China; 2. School of Civil Engineering， Guangzhou University， Guangzhou，

Guangdong 510006， China）

Abstract： Waste Pollution Control Engineering is the basic courses of environment engineering major. With the increasingly prominent complex environmental problems， the new technologies and theories of water pollution control are also developing rapidly. Thus， the traditional theory teaching methods cannot no longer meet the needs of discipline development and the targets of student training. Introducing the project-based learning（PBL） teaching mode into theory teaching is a promising choice for improving the training quality. In the PBL training process， students can participate in the research projects and master the basic knowledge through scientific research practice. Meanwhile， the research achievements can replenish the teaching contents. Through PBL， students’ research interest has been stimulated， their self-learning ability and experiment practical ability have been improved， and their innovation consciousness has been cultivated. Thus， the teaching quality has been improved. Our teaching reform provides a basis for the cultivation of interdisciplinary talents with equal emphasis on theory， research and practice.

Key words： PBL; teaching reform; Waste Pollution Control Engineering; scientific research ability; practical ability