“新工科”理念下给排水科学与工程专业实践教学改革探索

薛英文，方正，李江云，刘子正，王弘宇，邵森林

（武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072）

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》[1]、《教育部办公厅关于推荐新工科研究与实践项目的通知》[2]、《教育部办公厅关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》[3]，先后形成了“复旦共识”[4]、“天大行动”[5]和“北京指南”[6]，并全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。在此背景下，教育部于2017年初提出了“新工科”计划，旨在培养有跨学科能力和创新能力的新型科技人才，以适应未来10～15年新技术、新业态、新产业发展中各工程领域“复杂工程问题”的挑战与需求。要解决复杂工程问题，需要学生参与更多的工程实践，让学生全过程了解工程问题，并培养学生解决复杂工程问题的能力。

《高等学校给排水科学与工程本科指导性专业规范》（以下简称《专业规范》）[7]中除了规定专业理论教学外，对本专业实践教学与创新教学有明确规定。《高等学校给排水科学与工程专业评估认证标准》[8]中明确要求“设置完善的实践教学体系，并与企业合作，开展实习、实训，培养学生的实践能力和创新能力”。因此实践教学是“新工科”建设中人才培养的一个重要环节。实践教学的改革，将专业理论、跨学科知识与实践和创新能力相融会贯通，为复合型人才培养、创新型教学发展提供保障。

一、给排水科学与工程专业实践教学存在的问题

（一）综合实践教学与创新实践教学如何结合

随着我国经济发展，基础设计建设中各类复杂工程不断涌现，其中包含了一些超规范的内容，因此在设计中就需要创新思维。而综合实践教学目前仅包括一般设计、基础性实验等，无法锻炼学生的创新能力。创新实践教学在大多数学校中，主要体现在大学生科研创新项目、各类竞赛项目以及参与教师的科研项目，这些项目以理论研究和基础研究为主，一般创新性要求高，要求学生具有扎实的理论基础知识和宽广的专业知识，本科生在参加这类项目时，多数情况下很难将所负责任务与工程问题进行系统考虑。因此如何将综合实践教学与创新实践教学进行融合，需要深入探讨。

（二）传统实践教学与信息技术应用如何结合

传统实践教学中，学生主要进行实际动手实验、设计绘图、现场观摩等环节的训练，而在实践过程中，由于学分限制、实验条件有限等，教学过程中存在一些难以解决的问题，比如可动手的实验内容不能覆盖本专业要求的全部教学内容；现场观摩无法看清构筑物内部情况；无法深入了解建筑消防灭火过程等。而随着信息技术的发展，部分可视化的编程软件已逐渐在市场上推广应用，如果将这部分信息技术引入课堂教学中，则有助于解决以上问题。如通过BIM技术，可以把建筑信息参数化后以数字建模的方式呈现给学生，使学生更直观地认识水处理构筑物的整体特征与施工现场，让学生以更生动的方式掌握专业知识，深化学习内容[9，10]；通过虚拟仿真软件，模拟水厂内水处理构筑物的结构，模拟给水管网与排水管网等[11]；通过SWMM、Infoworks等软件，使学生紧跟社会需求，掌握海绵城设建设中的相关知识[12-14]。

二、教学实践活动改革举措

根据给排水行业“智慧水务”[15]发展对毕业生具备“新工科”特征的新要求，克服传统社会实践教学环节停留在“课堂演示、现场参观、纸上画画”的肤浅方式，真正做到学生入心入脑，真正能解决复杂工程问题，实现从“认知动手能力、基本工程技能、技术创新与科学探究能力”3个层次的本科生实践能力结构塑造，达到培养兼具技术综合应用能力与科技创新能力的给排水一流工程师的人才培养目标，构建了实践教学创新体系。图1为给排水科学与工程专业实践教学创新体系与本科生能力培养层次结构的相互关系示意图。

图1 给排水学科实践教学创新体系与本科生能力培养层次结构的相互关系

（一）构建“新工科”人才培养体系，加强学生对行业应用信息技术的知识储备

深入行业调查，充分论证，精心制订给排水专业人才培养方案，建设体现给排水工程知识、科研素质和综合能力特征的专业核心课程体系，根据新工科建设要求，编制新版培养方案。

针对土木类大一新生开设新生研讨课，讨论信息化社会的大数据、人工智能、物联网等新科技或新产业对传统工科专业的影响和冲击，扩展给排水专业涉及的知识面，合理架构学生在专业技术、项目管理、综合人文方面的知识体系。

针对高年级本科生，聘请行业知名专家进行学术讲座，使学生了解行业新动向和社会新需求，激发学生自主学习新技术的热情，合理规划专业学习计划，使其专业学习的目的性更强，促使学生加强解决实际工程问题的知识储备。

（二）改革实践教学环节教学模式，提高学生运用信息技术的能力

加强信息技术在设计中的应用。聘请企业专家和行业精英定期进校讲座、指导设计，强化学生对智慧水务、海绵城市等新工科内容的掌握；鼓励学生利用Infoworks、Pipenet、BIM等计算机软件，利用GIS平台[16]，使用Excel表格、matlab等软件自主编制给水管网平差、排水管网设计计算软件，通过与管立得等专业软件进行比对，使学生对管网计算原理与过程有清晰的认识。

整合实验课教学内容，提高综合性、设计性、探究性实验比例。在《专业规范》要求的7类实验基础上，在新版培养方案中增加《水处理综合设计实验》，包含给水综合设计实验、污水处理综合设计实验、超纯水综合设计实验、工业废水综合设计实验与建筑给排水综合设计实验，要求学生利用虚拟仿真软件进行仿真，然后利用实验室的水处理模型进行不同组合，探究不同处理工艺的水处理效果；探究不同排气管设计对建筑内排水管道中水流的影响。

改革毕业设计教学方式，加强过程控制。精心遴选课题，鼓励指导教师与企业导师联合指导毕业设计工作，并提前2个月给学生下达毕业设计、论文题目或任务书，让学生先期开展资料检索等准备工作；加强过程监督检查，在开题报告、中期检查、系列讲座、评阅检查、毕业答辩等5个集中检查环节，分别组织集中检查评估。

（三）重视师资队伍建设，提高教师工程实践能力

建设高水平教师队伍。引进掌握新科技的年轻教师是专业改革的关键环节，对引进教师在课堂教学及工程教学经验方面的不足进行一对一指导，同时聘请国内外著名高校教授为兼职教师；重视青年教师工程能力培养，鼓励青年教师到国内大型企业进行实践锻炼。

充分利用企业教育资源，聘请企业校友担任兼职指导教师。要求每位学生结合毕业设计到生产单位进行实习，安排企业导师全程指导；关键环节由校外企业导师和校内导师对学生进行分组检查，兼职教师参加学生实习、毕业设计指导、评阅及答辩。

（四）调动发挥教师积极性，鼓励学生创新实践活动

制定政策，激励学生自主创新。通过评奖、保研、先进评定等制度鼓励学生开展实践创新活动。近两年武汉大学给排水与工程专业学生参加各类科技创新、竞赛活动接近60人，社会实践活动76人次，本科生获国家级竞赛奖9项，发表SCI收录论文11篇，申请发明专利4项，实用新型专利2项。

三、教学实践改革解决的教学问题与应用效果

（一）解决的教学问题

1.结合行业需求，体现“新工科”特点的培养体系建设问题。通过广泛调研，深入行业第一线，充分论证，重点建设体现给排水工程知识、科研素质和综合能力特征的专业核心课程。通过不断对专业培养方案进行修订，加强信息类课程设置。

2.如何强化实践教学，提高学生解决实际复杂工程问题能力。整合实验课教学内容，提高综合性、设计性、探究性实验比例；鼓励学生参加课外实践活动，参与教师科研项目与各种科技活动；学生生产单位实际工程训练实现全覆盖；鼓励学生在企业导师指导下完成实际工程项目的毕业设计，培养学生独立自主能力及综合素质。

3.如何提高教学效果，创新工程实践教学模式问题。开展以问题为导向，以实际项目建设全过程为背景，建立相应的工程案例库，采取专题研究、文献综述、可研性报告等为载体的探索式学习模式，培养学生从工程全局出发，综合运用多学科知识、各种现代技术与工具解决复杂工程问题的能力，理解和评价复杂工程对环境、社会可持续发展的影响。

4.实践创新活动如何覆盖全体学生问题。充分调动教师积极性，组织学生参加全国大学生科技创新、暑期社会实践等，结合成图、节能减排、土木结构、互联网+、给排水科技创新大赛、给排水论坛等全国性赛事，保证每个学生至少能参加一项创新活动，基本可以做到全覆盖。

（二）教学实践改革应用效果

1.促进了学科及专业发展，多次以优异成绩通过国家专业认证。通过教学实践改革，专业教学质量显著提高，学生创新能力明显加强，教学管理更加规范。武汉大学给排水科学与工程专业分别于2009年、2014年、2019年三次以优异成绩通过全国高等教育给排水科学与工程专业评估（认证），获得进校评估专家一致好评。2019年教育部认证专家来校考察认为，武汉大学给排水毕业生综合素质高、文理交融、学生动手能力强，在科技创新等方面具有显著特色。

2.毕业生的工程创新能力显著提高，得到用人单位普遍好评。通过对2届应届生、5届毕业生及用人单位的调查问卷反馈表明：

（1）毕业生在武汉大学期间个人和团队能力、职业规范能力、沟通能力、终身学习能力等得到显著提高，学生在新产品研发、设计编程、BIM、Infoworks、AutoCAD等软件应用方面具有明显优势，具有极强的自主学习能力，对现代信息技术的领悟与掌握能力明显加强。

（2）用人单位对本专业毕业的员工整体评价较高，特别对毕业生的专业知识能力、职业规范能力、个人和团队能力有较高认可度。用人单位特别对我校学生解决复杂工程问题的应变能力、对新技术的适应能力、编程能力印象深刻。

四、实践教学改革创新点与结论

（一）实践教学改革创新点

1.因材施教，新工科特色逐渐显现。根据不同的人才特质，建立工程师和科研人员两种培养模式，毕业生在信息技术知识方面后劲十足，多数毕业生在单位从事BIM、智慧水务、海绵城市建设等工作。

2.实践创新全覆盖。改革创新实践教学模式，充分调动教师积极性，利用各类创新实践环节，将创新实践教学从过去仅注重个别优秀学生的科研及工程能力培养，逐渐转向面向全体学生的教学培养模式的建立，保证学生在校期间参加各类创新活动1次以上。

3.校内校外协同，教育教学质量全过程控制。通过全过程严把毕业设计质量关，学生工程能力显著提高。充分调动校外企业导师作用，通过校企合作指导和交流，在指导学生进行工程设计的同时，也加强了校内师资的工程实践能力培养，解决了年轻教师工程经验薄弱的问题。

（二）结论

新工科建设在国内方兴未艾，建设过程中仍有诸多问题需要解决，也没有固定的模式可以借鉴。

1.给排水专业学生实践教学应利用给排水专业知识覆盖面广的特点，培养具有跨学科知识能力的综合性人才。

2.新工科建设过程中需要各个学校结合本校与本专业的特点，在发挥学生与老师、校内与校外各种力量的同时，协调理论教学与实践教学之间的关系，制定完善的培养方案。

3.新工科的实践教学需要严把质量关，应严格进行全过程监控管理，不能将实践教学流于形式。