水污染控制工程虚实融合教学模式探索与实践*

仉春华，孙红杰，陈兆波，张万筠

(大连民族大学环境与资源学院，辽宁 大连 116600)

“新工科” 概念是在复旦大学2017年举行的综合性高校工程教育发展战略研讨会上提出的，即：以新理念、新模式培养具有可持续竞争力的新型工程人才[1]。工程教育是我国高等教育的重要组成部分，工程实践能力是工程教育的核心所在，也是工程教育成果的重要体现。工程实践能力即把数学、自然科学和工程科学的基本原理应用于实际工程，并能运用现代工具解决复杂工程问题的能力[2]。但是目前工科毕业生工程实践能力普遍薄弱是我国工程教育的共性问题，如何采取有效措施培养和提高我国工科人才的工程实践能力，已成为当前我国工程教育改革和“新工科” 建设面临的重点问题。因此高校要不断深化教育教学改革，将人才培养模式从学习结果(考试成绩)转变为能力养成和提高，培养卓越的工程技术人才，使我国成为工程教育强国。

水污染控制工程是环境工程专业的专业核心课程，主要阐述水污染控制工程的基本原理和方法，培养学生的工程思维和素养以及分析问题和解决问题的工程实践能力[3]。虚拟仿真是“智能+教育”的模拟技术[4]，能使抽象的学习内容具体、生动形象，是一种新的教学模式。文章以大连民族大学环境工程专业的水污染控制工程课程为例，针对目前水污染控制工程课程教学的现状和存在的主要问题，探索将课堂教学与虚拟仿真教学有效融合，构建“以学生为中心、以工程实践能力为引导、虚实融合”的教学模式，培养和提高学生的工程实践能力。满足“新工科”背景下工程教育的需要。

1 课程教学改革背景

水污染控制工程涉及数学、化学、物理、生物、工程等多个学科的交叉与融合，是一门综合性与应用型都非常强的课程[5]，在学生工程实践能力和工程素养培养中占有重要地位。该课程系统介绍了污水处理工艺的基本原理和方法，主要构筑物及其设计计算以及我国污水排放标准等；要求学生能熟练掌握城市污水二级处理的工艺流程、工艺计算，初步了解污水处理厂的运行和管理，为日后从事水污染控制工程的设计以及水环境保护方面的工作奠定基础。我校水污染控制课程包括理论课、课程设计和实验课三部分。理论课在三年级下班学期开课。课程设计和实验课是理论课教学的延伸，要求学生能运用理论知识，开展工程分析，解决特定的水污染问题，旨在全面提升学生的工程实践能力。水污染控制工程理论课内容多且比较抽象，传统的PPT教学模式很难使学生对所学知识透彻理解和掌握，导致学生学习兴趣不高，学习效果不佳。这也体现在学生工程设计能力差，课程设计质量不理想上。此外课程考核方式为期末考试成绩80%、作业15%、考勤5%。由于期末考试成绩占比较大，导致学生忽视有关工程应用能力的学习，只注重期末考试的考点。

2 课程教学改革目标

做好碳达峰、碳中和工作，是中央经济工作会议确定的2021年八项重点任务之一。具有“学术素养、工程能力、创新思维”的环保人才已经成为国家、社会和产业的急需人才。 传统教学的逻辑是教师在有限的时间内以听众易懂的方式，将教学内容讲授清楚，进而让学生学会知识和技能。这种教学模式是以教师为中心，注重的是理论知识学习，忽视了对实践能力的培养。随着时代的发展，社会和企业对工科学生的需求、学生的学习环境和方式等都发生了明显的变换，传统教学的逻辑已满足不了时代发展的需要，特别是培养学生工程实践能力的需要。这就要求必须转变教学逻辑，以适应时代的发展。新时代的教学逻辑应以学生为中心，以能力养成为引导，将能力培养融入到知识传授中，使教师从“单一来源”的“优质”教学资源提供者转变为学生“高效高质量学习”的促进者[6]。在此教学理念下，课程团队秉承以学生为中心，强化工程实践能力为引导，设计了“三位一体”的课程教学目标。“三位”即知识能力、工程实践能力及价值塑造，“一体”即学生工程实践能力的养成和提升，使学生成为合格的工程项目践行者。

3 课程教学改革

3.1 整合教学内容

水污染控制工程理论课的教学内容分为物理处理、生物处理、化学及物理化学处理和污泥处理处置5个模块[7]。每个模块基本按照原理、工序单元、设计计算的顺序进行授课。这样的教学内容组织，虽然有利于学生理解和掌握教学内容和知识点，但是针对具体工程问题时，学生缺乏从整体上认识、分析和解决工程问题的能力。针对这种现状和问题，我们按照“碎、整、减”的方式，对教学内容进行分解、组织和整合，重新构建教学内容模块。“碎”，打碎原有的教学内容模块，重新分解教学内容。“整”，根据专业培养目标和课程目标，采用案例教学的模式，以城市污水典型处理工艺为知识主线对课程内容进行整合，形成新的教学内容模块(表1)。“减”，根据课程内容的难易，精简授课内容，进一步突出重点内容。对内容简单、课堂无暇顾及的非重点的教学内容，发布在智慧教学工具上，安排学生在课外学习，并通过完成相应的练习题，检验学习效果。为了及时了解整合后教学内容学生的接受度，分别在期中和期末组织匿名问卷调查。问卷包括教学内容模块设计是否适应课程的学习、优点和不足，课外学习的方式是否能接受，学习内容是否能理解和掌握，课外学习时间的投入等。此外教师通过智慧教学工具的反馈，了解每一位同学的课外学习时间投入和成效。根据问卷调查及反馈结果适度调整课内教学内容的安排和组织。

表1 教学内容及授课模式

3.2 改革教学模式

水污染控制工程课程内容涉及物理、化学、生物、工程等多学科内容，是工程应用较强的一门课程。课程内容中的工序单元、构筑物结构、设备等，采用单一的课堂教学模式很难达到理想的教学效果。现代计算机信息技术的发展，为多样化教学模式的开展提供了有力支持。虚拟仿真教学软件．通过文本、图形、图像、动画、声音、视频等多媒体信息的组合与优化，构建逼真的二维(2D)和三维(3D)场景，能将课堂教学的理论知识通过具体的处理工艺生动形象的呈现出来，例如介绍工序单元的基本原理、构筑物的结构等，突破时间和空间的限制。将课堂理论教学与虚拟仿真教学有效融合，构建虚实融合的理论课教学模式，可提高学生的参与度、学习热情和实践能力[8]。

我校拥有水污染控制工程3D虚拟仿真教学平台，为虚实融合教学模式的实施提供了支持和保障。其中典型污水处理厂A2/O工艺3D虚拟仿真工艺的工序单元有粗格栅、提升泵房、细格栅、沉砂池、初沉池、生化反应池、二沉池、消毒池、污泥井、污泥浓缩池、离心脱水机、加药机，几乎囊括了理论课讲解的主要工序单元。该虚拟仿真工艺提供了两个模块，分别是正常工况、异常工况(出水总氮超标、出水总磷超标、沉淀池污泥上浮)。每个理论模块学习结束后，用2～4学时在虚拟仿真平台上1人1机进行实训操作(表1)。实训前要求学生自行完成工艺参数设置、异常工况的解决方案和措施。实训时首先要求学生认识处理工艺，通过漫游查看相关工序单元，了解和掌握主要构筑物的结构、原理和特点及主要运行参数。然后在正常工况下输入自行设计的运行参数，通过分析出水水质，观察运行参数的影响。针对异常工况，实施解决方案和措施，验证解决方案和措施的成效性，再根据反馈的结果，进行修正和总结。以脱氮除磷工艺为例，围绕“氮磷危害-脱氮除磷原理-脱氮除磷工艺”的教学内容，通过课前设置滇池水体富营养化的问题情境，学生通过查阅资料，了解原因及危害。教师课堂精讲脱氮除磷基本原理，引导学生提出解决方案，通过虚拟仿真实训验证方案，找出不足之处。这种虚实融合的教学模式，学生通过实训操作(虚—虚拟仿真)加深对理论知识(实—课堂教学)理解；运行具体的工艺流程和解决具体的工程问题，通过理论与实践的融会贯通，培养、锻炼和提升了学生分析问题、解决问题的工程实践能力和创新能力。

育人是高校教师的重要职责，课程思政是塑造学生价值观、立德树人的有效手段。教师对待课程的态度直接影响学生对该课程的学习态度。教师良好的教风、认真的教学态度和有底线的课堂言论行为，是最直接的课程思政，也是潜移默化的课程思政[6]。因此在实施虚实融合的教学过程中，任课教师始终保持认真负责的教学态度。此外采用混合式教学开展课上和课后互动式课程思政。课上教师将科研成果融合到教学内容中，使学生感悟基础知识对学术突破的重要性。课后利用智慧化教学工具讲好中国故事，挖掘与教学内容相关的当代水污染控制技术成果；“蓝天、碧水、净土三大保卫战，建设美丽中国”中，水污染控制工程的重要作用，增加学生对专业、课程的认同感和兴趣。通过润物无声的德育教育，塑造学生的价值观。

3.3 多元化的考核方式

考核既是检验教学质量的重要方式，也是提高学生学习成效的主要抓手。基于能力引导的教学内容的整合以及虚实融合的教学模式的实施，使多样化的考核方式成为可能。建立了强化过程考核和多元化评价的课程考核方式，见表2。课程目标中知识能力考核采用单元测试、课后作业、线上学习以及期末试卷的方式。单元测试考核学生对所学单元理论知识的掌握程度。期末考试主要检验学生对基本概念、基本原理、基本计算能力以及工程思维能力。工程实践能力考核以虚拟仿真实训考核和课后大作业方式为主，虚拟仿真实训考核学生对具体工程问题的分析和解决能力；课后大作业采用项目教学的模式，教师给出题目、学生3～4人一组，自由选题，完成工艺流程设置、主要构筑物设计计算，最后PPT汇报和提交报告。主要考核学生的工艺设计计算能力和学术表达能力。价值塑造采取课后讨论的考核方式，通过针对具体问题的分析讨论，塑造学生价值观、职业观和工程素养。

表2 多元化考核方式

4 教学效果

在知识能力和工程实践能力并重的课程教学目标下，能力引导虚实融合的水污染控制课程教学模式，强化了对学生工程实践能力的培养，提升了学生的工程实践能力，体现在后续课程—水污染控制工程课程设计学生提交的设计成果上。针对同样难易程度的设计任务，在相同的课程设计时间内，教学模式改革后，提交的设计成果中工艺方案呈现多样化，工艺流程设计、设计参数选择以及平面布置等更合理，完成质量明显提高。所构建的能力引导下虚实融合的教学模式，对提高环境工程工科人才培养质量具有积极的意义。