基于培养解决“复杂工程问题”能力的《环境工程原理》教学改革*

2022-08-16黄碧捷

广州化工 2022年14期

张丽，张艳，黄碧捷

(江汉大学环境与健康学院，湖北武汉 430056)

按照2017年11月修订的中国工程教育认证通用标准[1]，“专业必须有明确、公开、可衡量的毕业要求，毕业要求应能支撑培养目标的达成”，“课程设置能支持毕业要求的达成”。华东理工大学教授、教育部教育中心高级培训师乐清华教授指出毕业要求是专业认证5大内容体系的重要关节点，向上支撑专业的培养目标，向下引导课程体系、课程教学和考核评价的制定。通读通用标准中12条毕业要求，不难发现其中有8个都直接提到了解决“复杂工程问题”(分别是第1、2、3、4、5、6、7、10条)，可以说解决“复杂工程问题”的能力是毕业要求的核心内容。

环境工程原理是环境工程专业9大核心课之一，是一门超越污染介质的界限，从理论上系统、深入地阐述环境净化与污染控制基础理论及其工程原理的专业基础课程[2]，为后续水、气、固的治理净化技术的学习提供理论基础。然而，《环境工程原理》课程内容抽象、概念众多、公式繁杂、原理偏难，多数同学对本课程的学习兴趣不大，接受程度不高。同时，由于课时有限，采用传统的教学方式很难达到理想的效果，更谈不上达到培养解决”复杂工程问题“能力的课程目标。

本文从分析“复杂工程问题“的内涵入手，讨论如何设置课程目标、优化课程内容、整合课程资源、更新教学手段和丰富考核形式，以期为专业论证背景下的环境工程原理课程教学改革提供参考。

1 “复杂工程问题”的内涵

解决“复杂工程问题”是“华盛顿协议”的实质核心，这一核心使得工程教育本科专业认证不同于遵循“悉尼协议”和“都柏林协议”的其他类型工程教育认证[3]。《华盛顿协议》和我国《工程教育认证标准》对“复杂工程问题”都有着明确的界定。不难看出我国的专业认证对“复杂工程问题”的界定基本参照了《华盛顿协议》中关于“复杂工程问题”的界定[4]。首先，“复杂工程问题”①必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决，同时具备下述特征②～⑦的部分或全部： ②涉及多方面的技术、工程和其它因素，并可能相互有一定冲突；③需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性；④不是仅靠常用方法就可以完全解决的；⑤问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中；⑥问题相关各方利益不完全一致；⑦具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题[1]。由此可见，复杂的工程问题不单单从技术层面考量，还需要超越技术层面和单一学科知识领域平衡可能与技术目标冲突的标准、利益等制约因素，不能用“复杂技术问题”代替“复杂工程问题”[5]。

2 与“复杂工程问题”相关的毕业要求

我国《工程教育认证标准》中明确说明毕业要求是对学生毕业时应该掌握的知识和能力的具体描述，包括学生通过本专业学习所掌握的知识、技能和素养。在具体的12条要求中，有8条直接出现了“复杂工程问题”的文字表述。杨毅刚等[5]将这8条分为三个层次：其中1、6、7、10是知识、素质层，是解决“复杂工程问题”的前提；2、4、5是分析、研究“复杂工程问题”的方法，属于方法论层面；而第3条是解决“复杂工程问题”的方法论和能力核心。参考林健[4]的分类方式，还可以将1、2、3、4、5归为专业能力要求；6、7归为综合素质要求；而第10条则是社会能力要求。无论何种分法都可以看出，毕业生毕业时应该具备解决“复杂工程问题”的知识、能力和素质。

3 《环境工程原理》课程目标

综合7月19日～20日在郑州召开的“全国高等学校‘环境工程原理’课程教学与资源建设”研讨会上交流的学校情况，有些学校采取知识、能力和素质三个层次分解了《环境工程原理》具体承担的毕业要求，包括知识贡献、能力贡献和素质贡献，即第1、2、4、10条涉及的内容，而有的学校则主要聚焦在第2条和第4条涉及的内容。概况而言，第2条问题分析(能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论)和第4条研究(能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论)是该课程目标主要支持的毕业要求。对上述两条毕业要求进行分解，可以得到对相应毕业要求的强支撑或中等支撑的支持指标，再根据各校具体的培养目标，可进行相应扩展。

4 《环境工程原理》课程内容及资源

目前《环境工程原理》课程的主流教材是由胡洪营、张旭、黄霞、王伟和席劲瑛合编的，高等教育出版社出版的《环境工程原理》(第三版)。授课教师普遍反应该门课程内容抽象、理论公式繁多、学生工程知识储备不足，而学时又有限，是同学们一致认为的“最难的一门专业课”。要破解这一难题，首要任务就是按照毕业要求分解指标整合课程内容。

北京航空航天大学的李晓敏老师提出以知识主线贯穿教学内容，建立不同内容间有机联系的观点。根据笔者多年授课经验总结，该门课的主线是污染物的高效、快速的去除，需要从技术和装置两个方面来实现去除目标。从技术层面上最主要的是分离技术和转化技术，分离技术包括沉降、过滤、吸收、吸附及离子交换、萃取和膜分离过程，转化技术包括化学反应和生物转化技术。对技术的讲解又包括原理讲授、“量”和“速率”计算以及反应器设计等。不同技术原理及反应器设计又均包含“衡算”的思想，而衡算的对象是各种“量”以及由此得到的各种“速率”。根据主线思想，各个学校可以根据具体学时分配情况、先修后续课程安排和学生实际情况，来进行内容和学时的安排。

笔者所在的学校是一所地方性应用型高校，学生基础和学习能力相对较弱。目前专业培养方案中，《环境工程原理》课程包括54个的理论学时和16个的实验学时。根据笔者所在专业的课程安排和学生实际情况，笔者对《环境工程原理》课程的毕业要求和教学内容进行了整合。具体见表1所示。

5 《环境工程原理》课程教学形式和手段

笔者在之前的教学中尝试采用启发提问、专题讨论、学生授课和案例教学等教学形式[6]，极大地促进了学生的学习热情和兴趣。然而，这些形式和手段还是无法完全满足培养解决“复杂工程问题”能力的要求的需要。而且对于涉及到多种因素影响的“复杂工程问题”，学生很难在课堂上几个学时的时间内分析清楚各种影响因素。

《环境工程原理》很多内容借鉴于化工原理，所以对于一些重难点章节，可以要求学生提前在网上学习相关化工原理的优秀在线课程资源，帮助学生更好理解相关概念和过程。

去实际工厂参观实习也是一个很好的方式，然而有限的学时，不能完全自控的教学内容和缺乏实操环节决定了参观实习在教学过程中无法实行或取得理想的成效。而实验环节由于条件的限制，多以验证性实验为主，对于学生综合能力的培养有限。虚拟仿真实验突破了实验操作的时空限制，能够更加生动直观地展现设备在不同工作状态下内部发生的反应或工艺中各部分具体所起到的作用，便于学生理解整个工艺过程。因此，可以逐步引入虚拟仿真实验，将实验教学引入到理论教学，提高理论课教学效果。

6 《环境工程原理》课程考核

课程考核是检验课程效果的一个重要环节，课程考核的形式设计也必须以课程目标为指导。闭卷考试整体来说还是相对客观真实检验学生知识掌握情况的一种形式，但是题型的选取上要能更好地与解决“复杂工程问题”能力相关，名词解释、填空等题型占比不宜过大，可适当在简答题中设置情景，模拟工程中的情况考察学生判断、分析关键因素，提出解决方案的能力。当然，单一凭闭卷考试考核学生成绩和能力是不全面也不科学的，过程性考核包括课堂的专题讨论、课后的作业、期中的考核都是很好的补充形式，也能及时了解学生的掌握情况，避免学生堆积问题过多无法应对期末考试。虚拟仿真实验是发展趋势，要逐步引入仿真实验，合理设置考核项目和比例，充分解决智能化考试、考核的问题。