基于“山水林田湖草生命共同体”理念的“水工艺仪表与控制”课程案例式教学的探索——以北京林业大学为例

杜子文 张立秋 封 莉 党 岩

(北京林业大学环境科学与工程学院，北京 100083)

“水工艺仪表与控制”是北京林业大学给排水和环境工程专业的一门基础课程，其教学目的是帮助学生正确认知水工艺仪表，掌握水处理过程中仪表的基本控制技术，了解各类水处理工艺中仪表的应用方法和控制系统的设置方法。“水工艺仪表与控制”课程教学以生活饮用水处理、废水处理、城市生活污水处理以及给水排水系统工艺设置流程为核心内容，课程教学与我国生态文明建设倡导的“山水林田湖草生命共同体”理念中的“水”密切相关。

目前，高等林业院校围绕“山水林田湖草生命共同体”的理念，将与生态环境密切相关的学科和专业都纳入了建设的范畴。“水工艺仪表与控制”课程教学虽然缺少与林业相关的内容，但林业建设离不开“水”，“水”也离不开“林”。因此，“水工艺仪表与控制”课程教学应以“山水林田湖草生命共同体”的生态理念为指导，增加与“林”相关的课程教学内容，引导学生树立环境保护意识，为生态建设培养专业人才。

一、“水工艺仪表与控制”课程教学面临的问题

(一)学生缺乏对林业生态环境的认知

笔者对“水工艺仪表与控制”课程教学现状进行了科学分析后发现，学生在学习过程中缺少对生态环境整体概念的认知。他们认为“水工艺仪表与控制”课程知识就是将自动化技术应用到水处理工艺当中，与生态环境关联不紧密，这导致了学生对专业知识的理解不够深入，仅停留在对水处理专业技术方面的学习，当面对实际生态环境问题时则无法从生态环境的整体角度提出完善的解决方案。此外，“水工艺仪表与控制”课程教学增加了过渡过程控制、双位逻辑控制等内容，由于这些内容属于自动化范畴，与水处理专业技术和林业生态知识的关联性不强，学生对新增课程内容的学习较为懈怠，甚至产生抵触情绪[1]。究其原因，正是由于缺少对林业生态环境的认知，导致学生自身知识体系单一且综合知识储备不足[2]。

(二)课程教学内容的侧重点不符合专业技能培养的要求

在“水工艺仪表与控制”课程教学中，教学内容的安排缺少科学性也是影响教学效果的原因之一。担任“水工艺仪表与控制”课程教学任务的教师通常是给排水或环境专业的教师，缺少自动化专业背景，因此在教学过程中对水处理工艺的介绍较为全面，而有关自动化技术的讲授较为浅显，教师对生态环境领域自动化的应用需求了解得不深，无法较好地指导学生将自动化知识与水处理技术的实际应用相结合。例如，在教学内容安排上，多数教师将大部分学时用在自动化概念和理论的讲授上，如自动化控制原理、模型和算法等，而水处理技术需要的是选择合适的自动化控制方式和逻辑控制系统，并不需要对理论进行深入的剖析。课程教学内容对学生的指导意义有限，导致给排水和环境专业学生的自动化相关知识储备不足，学生在面对实际环境问题时无从下手，在一定程度上影响了学生实际工作能力的培养，也无法有效激发学生的学习兴趣[3]。

(三)课程教学方法单一

“水工艺仪表与控制”现有的教学方法比较单一，主要采取的是教师讲、学生听的灌输式教学方法，缺少调动学生自主学习的环节[3]。单向知识传递的模式，使课堂教学缺少了讨论和互动，导致课堂气氛沉闷，学生注意力分散，难以用心学习，无法有效地培养学生独立获取知识和剖析问题的能力。同时，教师的教学手段也较为单一，主要是通过文字和图片介绍自动化理论知识，而仪表和自动控制是一个动态的、三维的过程，这种单一的教学手段很难让学生形成立体的感官认识。因此，如何改变当前教学中教学方法单一的问题，已经成为当前“水工艺仪表与控制”课程急待解决的问题[4-8]。

二、“水工艺仪表与控制”课程实施案例式教学的具体做法

(一)选取与“林”相关的教学案例

废水处理工艺中的仪表与自动控制是“水工艺仪表与控制”课程教学的重点，笔者在讲授这一章节时选取了造纸废水处理的教学案例，这一案例可以较好地将理论知识与实际应用相结合。造纸是林木工业生产中的典型行业，也是容易造成环境污染的重点行业。在造纸过程中，由于制浆方法、林木原料以及制浆率的不同，其废水中的污染物有着较大区别，但共同点是都含有大量的难降解的木质素等大分子物质。因为林业院校学生在大一阶段的学习中，已经较好地掌握了植物学和林学等相关知识，所以他们可以对造纸废水组分的特点进行较为准确的分析，并能选择适宜的水处理工艺和控制仪表以解决造纸废水的处理问题。通过这一教学案例，可以使学生结合林业基础知识加深对水工艺仪表与控制专业知识的理解和掌握程度。

在案例教学实施前，笔者通过教学平台上传了不同造纸工艺的背景知识和相关文献资料，让学生在课前快速了解造纸废水的来源和性质，为案例教学的开展做好准备。同时将学生分成几个小组，对典型造纸废水处理工艺流程进行预习。学生通过网络收集相关资料，并结合林业相关知识，分析造纸废水的性质和配套处理工艺的特点；之后各组学生还要根据废水性质和处理后的达标要求，对比筛选合适的仪表，将仪表信息进行整理；最后基于造纸废水处理工艺，设计简略的控制系统，画出控制框图，用于课上讨论。

在课上，笔者首先讲授每个工艺环节可采用的仪表及其安装位置和适用条件，给出不同仪表的性能和经济适用性以及评价和筛选的原则。再根据选用的仪表类型和工艺控制要求，讲授设计配套控制系统的方法和系统运行的调节手段。在课堂的剩余时间，笔者让学生以小组为单位进行交流讨论，每个小组根据课前准备的相关资料，将自己小组选用的用于处理造纸废水的仪表和控制系统展示给其他同学。最后，教师对每个小组的展示内容给予建议和评价。

案例教学结束后，笔者将课上的教学案例资料上传到教学平台，供学生课下学习。学生也可以通过教学平台，反馈对案例教学的意见和建议，以帮助教师进一步改进教学方法。

(二)通过典型教学案例丰富课程教学内容

污泥是水处理过程中产生的有机固体物质，既可被视为污染物，又可被视为可资源化的有机养料。现阶段污泥处置方法有填埋、焚烧、建材、土地利用等，其中污泥的土地利用是我国应用最为广泛的一种资源化利用方式。园林绿化、森林用地、苗圃等都是污泥再利用的场所，而水中的有机物也可以污泥有机肥的形式回归于土壤，污泥的利用正是“山水林田湖草生命共同体”理念的最好体现。

但是，在传统“水工艺仪表与控制”课程教学中，有关水处理的内容讲授得较多，对污泥的处理工艺讲授得较少。因此，为了丰富课程教学内容，笔者引入了污泥产品林地利用的教学案例，引导学生从生态环境的宏观角度去思考问题。污泥产品林地利用的教学案例涉及了污泥浓缩、脱水、热水解、厌氧消化到最终成为有机肥产品等污泥处理的所有工艺，这些工艺过程又涉及了加药设备与仪表、压力仪表、泵与风机控制系统、热水解和厌氧消化控制系统等自动化内容，有助于学生建立完善的仪表与控制的知识体系。

(三)采取多种教学组织形式开展案例教学

1.以专题的形式

在每个章节的理论知识讲授完成后，笔者都会针对所讲内容以专题的形式向学生介绍一项有关治水、治山、治林典型案例中的仪表应用与控制技术，通过案例现场录制的视频，再辅以三维动画，将实际案例中相关理论知识生动地展现给学生。在视频动画播放过程中，教师可以实时讲解有关的知识点，帮助学生了解理论知识在工程实际中的应用方法。同时根据专题内容，设计相关问题，通过提问的方式启发学生自主思考，以此加深对课程知识的深入理解，提高学生课堂的参与度。

2.以网络第二课堂的形式

笔者将“水工艺仪表与控制”课程涉及的教学案例及其自动化专业相关的国家精品课程资源上传到网络教学平台，将其作为网络二课堂的教学内容。学生可自主下载并学习网络二课堂教学内容。这些教学内容不作为考试内容，但可将学生网络学习的学时数作为平时成绩，以此督促学生开展自主学习。

3.以工程实践的形式

“水工艺仪表与控制”作为一门应用性较强的课程，单纯的理论教学不能让学生完全理解实际工程中控制系统和仪表的运行情况。因此，在开展案例教学的同时，还应增设实践环节，让学生接触到真实的工程案例，提高学生的实践能力。例如，在讲解污泥林地资源化处理案例时，笔者带领学生参观了相关污泥有机肥生产单位或污泥资源化处理单位，现场考察各类仪表在实际工程中的应用方法和控制系统的实操方式。通过工程实践，学生可以将理论知识与实际应用相结合，培养了学生的实际工程能力。

三、“水工艺仪表与控制”课程实施案例式教学的成效

(一)激发了学生的学习兴趣

课程教学结束后，笔者针对北京林业大学环境学院给排水专业已完成了“水工艺仪表与控制”课程学习的大三学生进行了问卷调查，结果显示，73%的学生对案例式教学给予肯定，50%的学生认为案例式教学提高了他们对课程知识的理解程度，激发了他们对课程学习的热情。尤其是通过林业工程案例的学习，提高了学生理论联系实际的能力，增强了学生的专业使命感。

(二)提升了学生解决实际工程问题的能力

课程教学结束后，82%的学生表示对课程学习的意义有了更深的理解。教学案例使他们将所学的林业基础知识与课程专业知识相结合，并将其应用到实际工程中，培养了学生解决实际工程问题的能力。同时林业教学案例加深了学生对“山水林田湖草生命共同体”理念的理解，使他们能从多维度思考专业问题。