仉春華，孫紅杰，陳兆波，張萬筠

(大連民族大學環(huán)境與資源學院，遼寧 大連 116600)

“新工科” 概念是在復旦大學2017年舉行的綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會上提出的，即：以新理念、新模式培養(yǎng)具有可持續(xù)競爭力的新型工程人才[1]。工程教育是我國高等教育的重要組成部分，工程實踐能力是工程教育的核心所在，也是工程教育成果的重要體現(xiàn)。工程實踐能力即把數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理應用于實際工程，并能運用現(xiàn)代工具解決復雜工程問題的能力[2]。但是目前工科畢業(yè)生工程實踐能力普遍薄弱是我國工程教育的共性問題，如何采取有效措施培養(yǎng)和提高我國工科人才的工程實踐能力，已成為當前我國工程教育改革和“新工科” 建設面臨的重點問題。因此高校要不斷深化教育教學改革，將人才培養(yǎng)模式從學習結果(考試成績)轉變?yōu)槟芰︷B(yǎng)成和提高，培養(yǎng)卓越的工程技術人才，使我國成為工程教育強國。

水污染控制工程是環(huán)境工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，主要闡述水污染控制工程的基本原理和方法，培養(yǎng)學生的工程思維和素養(yǎng)以及分析問題和解決問題的工程實踐能力[3]。虛擬仿真是“智能+教育”的模擬技術[4]，能使抽象的學習內(nèi)容具體、生動形象，是一種新的教學模式。文章以大連民族大學環(huán)境工程專業(yè)的水污染控制工程課程為例，針對目前水污染控制工程課程教學的現(xiàn)狀和存在的主要問題，探索將課堂教學與虛擬仿真教學有效融合，構建“以學生為中心、以工程實踐能力為引導、虛實融合”的教學模式，培養(yǎng)和提高學生的工程實踐能力。滿足“新工科”背景下工程教育的需要。

1 課程教學改革背景

水污染控制工程涉及數(shù)學、化學、物理、生物、工程等多個學科的交叉與融合，是一門綜合性與應用型都非常強的課程[5]，在學生工程實踐能力和工程素養(yǎng)培養(yǎng)中占有重要地位。該課程系統(tǒng)介紹了污水處理工藝的基本原理和方法，主要構筑物及其設計計算以及我國污水排放標準等；要求學生能熟練掌握城市污水二級處理的工藝流程、工藝計算，初步了解污水處理廠的運行和管理，為日后從事水污染控制工程的設計以及水環(huán)境保護方面的工作奠定基礎。我校水污染控制課程包括理論課、課程設計和實驗課三部分。理論課在三年級下班學期開課。課程設計和實驗課是理論課教學的延伸，要求學生能運用理論知識，開展工程分析，解決特定的水污染問題，旨在全面提升學生的工程實踐能力。水污染控制工程理論課內(nèi)容多且比較抽象，傳統(tǒng)的PPT教學模式很難使學生對所學知識透徹理解和掌握，導致學生學習興趣不高，學習效果不佳。這也體現(xiàn)在學生工程設計能力差，課程設計質量不理想上。此外課程考核方式為期末考試成績80%、作業(yè)15%、考勤5%。由于期末考試成績占比較大，導致學生忽視有關工程應用能力的學習，只注重期末考試的考點。

2 課程教學改革目標

做好碳達峰、碳中和工作，是中央經(jīng)濟工作會議確定的2021年八項重點任務之一。具有“學術素養(yǎng)、工程能力、創(chuàng)新思維”的環(huán)保人才已經(jīng)成為國家、社會和產(chǎn)業(yè)的急需人才。 傳統(tǒng)教學的邏輯是教師在有限的時間內(nèi)以聽眾易懂的方式，將教學內(nèi)容講授清楚，進而讓學生學會知識和技能。這種教學模式是以教師為中心，注重的是理論知識學習，忽視了對實踐能力的培養(yǎng)。隨著時代的發(fā)展，社會和企業(yè)對工科學生的需求、學生的學習環(huán)境和方式等都發(fā)生了明顯的變換，傳統(tǒng)教學的邏輯已滿足不了時代發(fā)展的需要，特別是培養(yǎng)學生工程實踐能力的需要。這就要求必須轉變教學邏輯，以適應時代的發(fā)展。新時代的教學邏輯應以學生為中心，以能力養(yǎng)成為引導，將能力培養(yǎng)融入到知識傳授中，使教師從“單一來源”的“優(yōu)質”教學資源提供者轉變?yōu)閷W生“高效高質量學習”的促進者[6]。在此教學理念下，課程團隊秉承以學生為中心，強化工程實踐能力為引導，設計了“三位一體”的課程教學目標。“三位”即知識能力、工程實踐能力及價值塑造，“一體”即學生工程實踐能力的養(yǎng)成和提升，使學生成為合格的工程項目踐行者。

3 課程教學改革

3.1 整合教學內(nèi)容

水污染控制工程理論課的教學內(nèi)容分為物理處理、生物處理、化學及物理化學處理和污泥處理處置5個模塊[7]。每個模塊基本按照原理、工序單元、設計計算的順序進行授課。這樣的教學內(nèi)容組織，雖然有利于學生理解和掌握教學內(nèi)容和知識點，但是針對具體工程問題時，學生缺乏從整體上認識、分析和解決工程問題的能力。針對這種現(xiàn)狀和問題，我們按照“碎、整、減”的方式，對教學內(nèi)容進行分解、組織和整合，重新構建教學內(nèi)容模塊?！八椤?，打碎原有的教學內(nèi)容模塊，重新分解教學內(nèi)容?！罢保鶕?jù)專業(yè)培養(yǎng)目標和課程目標，采用案例教學的模式，以城市污水典型處理工藝為知識主線對課程內(nèi)容進行整合，形成新的教學內(nèi)容模塊(表1)。“減”，根據(jù)課程內(nèi)容的難易，精簡授課內(nèi)容，進一步突出重點內(nèi)容。對內(nèi)容簡單、課堂無暇顧及的非重點的教學內(nèi)容，發(fā)布在智慧教學工具上，安排學生在課外學習，并通過完成相應的練習題，檢驗學習效果。為了及時了解整合后教學內(nèi)容學生的接受度，分別在期中和期末組織匿名問卷調(diào)查。問卷包括教學內(nèi)容模塊設計是否適應課程的學習、優(yōu)點和不足，課外學習的方式是否能接受，學習內(nèi)容是否能理解和掌握，課外學習時間的投入等。此外教師通過智慧教學工具的反饋，了解每一位同學的課外學習時間投入和成效。根據(jù)問卷調(diào)查及反饋結果適度調(diào)整課內(nèi)教學內(nèi)容的安排和組織。

表1 教學內(nèi)容及授課模式

3.2 改革教學模式

水污染控制工程課程內(nèi)容涉及物理、化學、生物、工程等多學科內(nèi)容，是工程應用較強的一門課程。課程內(nèi)容中的工序單元、構筑物結構、設備等，采用單一的課堂教學模式很難達到理想的教學效果?，F(xiàn)代計算機信息技術的發(fā)展，為多樣化教學模式的開展提供了有力支持。虛擬仿真教學軟件．通過文本、圖形、圖像、動畫、聲音、視頻等多媒體信息的組合與優(yōu)化，構建逼真的二維(2D)和三維(3D)場景，能將課堂教學的理論知識通過具體的處理工藝生動形象的呈現(xiàn)出來，例如介紹工序單元的基本原理、構筑物的結構等，突破時間和空間的限制。將課堂理論教學與虛擬仿真教學有效融合，構建虛實融合的理論課教學模式，可提高學生的參與度、學習熱情和實踐能力[8]。

我校擁有水污染控制工程3D虛擬仿真教學平臺，為虛實融合教學模式的實施提供了支持和保障。其中典型污水處理廠A2/O工藝3D虛擬仿真工藝的工序單元有粗格柵、提升泵房、細格柵、沉砂池、初沉池、生化反應池、二沉池、消毒池、污泥井、污泥濃縮池、離心脫水機、加藥機，幾乎囊括了理論課講解的主要工序單元。該虛擬仿真工藝提供了兩個模塊，分別是正常工況、異常工況(出水總氮超標、出水總磷超標、沉淀池污泥上浮)。每個理論模塊學習結束后，用2～4學時在虛擬仿真平臺上1人1機進行實訓操作(表1)。實訓前要求學生自行完成工藝參數(shù)設置、異常工況的解決方案和措施。實訓時首先要求學生認識處理工藝，通過漫游查看相關工序單元，了解和掌握主要構筑物的結構、原理和特點及主要運行參數(shù)。然后在正常工況下輸入自行設計的運行參數(shù)，通過分析出水水質，觀察運行參數(shù)的影響。針對異常工況，實施解決方案和措施，驗證解決方案和措施的成效性，再根據(jù)反饋的結果，進行修正和總結。以脫氮除磷工藝為例，圍繞“氮磷危害-脫氮除磷原理-脫氮除磷工藝”的教學內(nèi)容，通過課前設置滇池水體富營養(yǎng)化的問題情境，學生通過查閱資料，了解原因及危害。教師課堂精講脫氮除磷基本原理，引導學生提出解決方案，通過虛擬仿真實訓驗證方案，找出不足之處。這種虛實融合的教學模式，學生通過實訓操作(虛—虛擬仿真)加深對理論知識(實—課堂教學)理解；運行具體的工藝流程和解決具體的工程問題，通過理論與實踐的融會貫通，培養(yǎng)、鍛煉和提升了學生分析問題、解決問題的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

育人是高校教師的重要職責，課程思政是塑造學生價值觀、立德樹人的有效手段。教師對待課程的態(tài)度直接影響學生對該課程的學習態(tài)度。教師良好的教風、認真的教學態(tài)度和有底線的課堂言論行為，是最直接的課程思政，也是潛移默化的課程思政[6]。因此在實施虛實融合的教學過程中，任課教師始終保持認真負責的教學態(tài)度。此外采用混合式教學開展課上和課后互動式課程思政。課上教師將科研成果融合到教學內(nèi)容中，使學生感悟基礎知識對學術突破的重要性。課后利用智慧化教學工具講好中國故事，挖掘與教學內(nèi)容相關的當代水污染控制技術成果；“藍天、碧水、凈土三大保衛(wèi)戰(zhàn)，建設美麗中國”中，水污染控制工程的重要作用，增加學生對專業(yè)、課程的認同感和興趣。通過潤物無聲的德育教育，塑造學生的價值觀。

3.3 多元化的考核方式

考核既是檢驗教學質量的重要方式，也是提高學生學習成效的主要抓手?；谀芰σ龑У慕虒W內(nèi)容的整合以及虛實融合的教學模式的實施，使多樣化的考核方式成為可能。建立了強化過程考核和多元化評價的課程考核方式，見表2。課程目標中知識能力考核采用單元測試、課后作業(yè)、線上學習以及期末試卷的方式。單元測試考核學生對所學單元理論知識的掌握程度。期末考試主要檢驗學生對基本概念、基本原理、基本計算能力以及工程思維能力。工程實踐能力考核以虛擬仿真實訓考核和課后大作業(yè)方式為主，虛擬仿真實訓考核學生對具體工程問題的分析和解決能力；課后大作業(yè)采用項目教學的模式，教師給出題目、學生3～4人一組，自由選題，完成工藝流程設置、主要構筑物設計計算，最后PPT匯報和提交報告。主要考核學生的工藝設計計算能力和學術表達能力。價值塑造采取課后討論的考核方式，通過針對具體問題的分析討論，塑造學生價值觀、職業(yè)觀和工程素養(yǎng)。

表2 多元化考核方式

4 教學效果

在知識能力和工程實踐能力并重的課程教學目標下，能力引導虛實融合的水污染控制課程教學模式，強化了對學生工程實踐能力的培養(yǎng)，提升了學生的工程實踐能力，體現(xiàn)在后續(xù)課程—水污染控制工程課程設計學生提交的設計成果上。針對同樣難易程度的設計任務，在相同的課程設計時間內(nèi)，教學模式改革后，提交的設計成果中工藝方案呈現(xiàn)多樣化，工藝流程設計、設計參數(shù)選擇以及平面布置等更合理，完成質量明顯提高。所構建的能力引導下虛實融合的教學模式，對提高環(huán)境工程工科人才培養(yǎng)質量具有積極的意義。