环境工程学课堂教学方法改革探索——以生物脱氮为例

王艳锦, 宋阿娟, 张倩倩, 王小艳

(河南财政金融学院 环境经济学院,河南 郑州 450046)

环境工程学是环境科学专业必修的一门专业核心课程,本文在课程特点和学情分析的基础上,对其教学内容、教学设计、教学方法及教学考核等4个方面进行探讨,以期为应用型人才的培养方式提供有益参考。

1 教学分析

我校本课程使用的教材是高等教育出版社出版的《环境工程学》(3版),内容覆盖面广,包括水、气、固、噪声及其他污染等4个方面的内容。授课对象是环境科学专业大三学生,在学习本课程之前,学生已学习了环境工程原理、环境生物学等专业基础课程,具备一定的专业基础知识,但自主学习能力欠缺,不能把前后课程进行有机结合,系统性思维和高阶能力不足。所以,在教学内容安排上注重与相关课程内容进行协调整合,避免重复讲授,采用模块化单元化教学,将教学内容项目化,结合多元化的教学方法,做到精讲要点、突出重点、解释难点,重在理论知识的内化和工程应用实践能力的发展,同时培养学生的专业兴趣,实现课程知识、技能和素养的三维教学目标[1-2]。

2 教学设计

人民教育家于漪曾说“一堂课要备一辈子”,可见教学设计是教学行为实施中非常重要的环节。教学设计是一个全面规划教学系统的过程,包括教学目标和教学对象的分析、教学内容和方法的选择以及教学评估等内容,各部分内容既相互独立,又相互依存、相互制约,是一个有机的整体。不仅要设计教师如何讲,还要设计学生如何学,对实施高效课堂具有提纲挈领的作用[3]。对于应用型本科院校的教师而言,只有从学生的主观能动性的角度设计教学模式,才能最大程度地激发学生对课程的学习兴趣[4]。学生不是盛装知识的容器,教师也不是知识的灌输者,而是学生学习的组织者、引导者和参与者,将教师教与学生学有机统一起来,使知识、生活、生命在课堂上达到共鸣,真正焕发课堂的活力,力争每一个45分钟都是一节高效课堂。因此,课堂教学设计应遵循OBE(outcome based education)教育理念,在教法和学法的最优化方面精心设计,引导学生树立正确的价值观,激发学生的学习兴趣和主动性,贯彻理论和实践相结合的原则,以有效帮助学生达成预期学习效果。

环境工程学涉及工程工艺较多,以生物脱氮单元为例,教学目标是掌握废水脱氮工艺,在教学设计上,如果直接从工艺入手,学生往往知其然而不知其所以然,可能还会抱怨工艺甚多。其实,任何工艺都是基于不同功能微生物的生理生化特性而开发出来的,不同工艺的侧重点有所不同,但都是为了适应承担具体功能微生物的生理生化特性的,所以生物脱氮单元从最基础的生化机理入手,要求学生掌握脱氮微生物的生理生化特性,然后再理解具体工艺怎么使这些微生物发挥脱氮功能的,这样才能充分理解各种各样的工艺流程,并能根据排放标准进行工艺的设计计算。

3 教学方法

课堂是实现教学目标的主阵地,是师生双方感情和思想交流的过程。在教学过程中,首先创设一个教与学和谐融洽的教学氛围更加有意义。轻松愉悦的学习环境对学生的精神面貌、学习效果等都会产生积极的影响,课堂教学效果就会有显著的提高。2019年,教育部发布了《2019年教育信息化和网络安全工作要点》,提出要加快推动教育信息化转段升级,以教育信息化支撑和引领教育现代化[5],所以在课堂教学过程中,除了采取板书形式进行教学外,还结合现代多媒体教学方式给学生展示部分动画素材,比如利用Flash等软件构建水、气、废等构筑物模型和处理工艺流程,使抽象复杂的教学内容动态化和形象化,使学生更加直观、鲜明地了解、认识一些反应器的结构及其工作原理,多元化的教学手段和丰富的教学能够资源吸引学生的注意力,也是高效课堂的重要保障[6]。

教无定法,教必有法。科学合理的教学方法应该有自己的个性特点,符合自己学生的实际,既能提高学生的学习效果,又能激发学生学习的主动性和积极性。在教学过程中,打通线上线下,联结课堂内外。课前在学习通发布视频资源和自主学习任务单,了解富营养化相关内容,进行基础知识的自主学习,教师负责收集学习反馈。课中灵活应用问题教学法、案例分析、小组讨论、自主探究等教学方法,用于实现以学生为主体的参与式教学,使学生在提出问题、思考问题、解决问题的动态过程中,完成从脱氮微生物生化机理到具体工艺流程的学习。课后设计需要独立学习或者小组学习的不同学习任务,锻炼学生文献检索能力,助力学生深度学习,同时培养学生创新思维和高阶能力,提高学生综合素质。以下是生物脱氮案例教学法的具体实施过程[7]。

1)案例介绍。教师将准备好的2个有关生物脱氮的案例,一个是富营养化的案例,另一个是城镇污水处理厂案例,通过运用多媒体等方式向学生全面介绍案例。

2)分组分析案例。将全班40名学生分成8组,每组都对上述2个案例进行分析,要求每小组推荐一名代表作好记录,代表小组陈述分析意见。教师提出的问题为:①造成水体富营养化的原因是什么?②水体中氮的存在形态有哪些?它们之间是如何转化的?③污水处理生物脱氮微生物种类有哪些?它们的生理特征是什么?

3)观察与启发。各组分析案例时,教师到各小组中巡视,观察讨论情况,不发表任何意见。教师在准备案例时估计到,学生有可能对污水处理厂出水氮含量超标的原因分析存在困难。所以,在学生讨论中引导学生从脱氮微生物生理生化特性入手,结合硝化反应和反硝化反应影响因素对生物脱氮工艺进行分析,让学生明白工艺设计的理论基础即脱氮机理,厘清工艺的重要控制参数对出水水质的影响。在该过程中,教师要做好引导者角色,引导学生自己去发现问题、解决问题,而不是告诉学生答案。在讨论过程中的任何时间,学生都可以对其发现的疑问或者感兴趣的问题进行提问和讨论。

4)陈述意见。学生对教师提出的问题进行阐述,在阐述过程中,指导学生认真听取别人的意见,取长补短,相得益彰,同时教师要注意对学生发言时间的控制。

5)知识整理。案例中会涉及相关专业知识要点,比如氨化作用、硝化作用、反硝化作用、传统活性污泥法脱氮工艺(图1)等,教师指导学生把案例中的要点进行归纳整理并进行展示。

图1 传统活性污泥法脱氮工艺

6)评价总结。教师对各小组观点中存在的问题进行简短点评与总结,要重视学生分析问题的逻辑思维过程,表述层次和结构,专业术语的使用等方面的问题,以小组为单位进行案例讨论的记录和整理并形成案例分析报告,加深学生对案例的认识,帮助学生将所学的知识与实践进行有机结合。

7)作业。根据学生的思维水平,布置多样化的作业,按小组查阅资料,对不同的污水处理要求,改进传统脱氮工艺,每组编写一套生物脱氮工艺流程,并了解生物脱氮工艺的最新进展,巩固和延伸课程内容,促使学生及时、彻底掌握所学内容。

在上述案例教学过程中,教师不仅要做好准备,并且还要提前将案例交给学生,学生也要查阅相关书籍、标准、文献等资料,全面了解案例。只有教师和学生双方都进行了充分准备,才能实现案例教学的效果。生物脱氮单元学习结束后,教师向学生发放了匿名调查问卷,内容包括学习兴趣、参与主动性、专业知识掌握、课堂氛围、综合素质提升等5方面,分为“认同”“一般”和“不认同”3个选项,问卷发放40份,回收40份。调查结果如图2所示,案例教学能使学生从被动学习转变为主动学习,充分调动了学生的学习兴趣,既锻炼了学生独立学习的能力,又考察了学生的团队合作能力,还提高了学生的语言表达能力等。

图2 调查问卷结果

4 教学考核

教学考核是教育评价的重要组成部分,是客观、公正地评定学生学业成绩和评价教师教学效果的重要过程,也是提高教育教学质量、促进学生发展和教师成长的重要手段。课程考核采用考试形式,课程考核改革主要体现在两方面:其一是时间安排。该课程之前采用的是集中学习,最终进行期末考试,这样考试前复习内容较多,导致学生疲于应付考试,因此,在每个模块内容学习完就安排对该模块的考试,这样更有利于学生及时复习,每个模块的考试成绩作为总成绩的一部分[8]。其二是之前课程总成绩包括期末考试成绩和平时成绩两部分。由于平时成绩的主观影响因素较多,难以给出十分客观公平的评价,尤其是采用小组讨论时,准确客观地对每位学生的参与度进行评价至关重要。针对小组活动中学生参与度评价,采取了以下对策:一是在分组讨论中,由于学生之间存在一定的差异,依照“组内异质,组间同质”的原则有效进行分组,以达到优劣互补的效果;二是在学生评价方面,建立过程性评价机制,从团队评价和个体评价两方面细化评价标准,既能激发学生参与的积极性,又能让学生认识到合作的重要性,从而能够客观评价每位学生在小组活动中的表现。通过考试方式改革,学生学习的主观能动性和学习效率得到了大幅度提高。同时,教师基于成绩分析报告、学生反馈意见等多种渠道及时对自己教学行为进行分析与反思,进一步提高课堂教学质量和教学效果。

为进一步培养学生创新能力和激发学生创业激情,考查学生课程学习效果,近年来鼓励学生结合专业理论知识,参加创新创业大赛等各种各样的活动,其中2021年5位学生参加了省级大学生创新创业训练计划项目。让学生在实践中学习,在创新中成长,完善学生的理论知识和实践技能,增强学生的创新创业意识和能力,达到了良好的教学效果[9]。

5 小结

环境工程学作为环境科学专业最基础的课程之一,课程内容丰富,必须持续不断地进行课堂教学改革,才能实现应用型人才的培养目标。教师是教学的组织者和管理者,是学生的领路人,在宝贵的课堂教学时间里,学生到达什么样的预期,主要取决于教师对课堂的组织和管理。因此,作为课程教师,要始终遵循教学理念时代化,教学内容模块化,教学方法多元化,教学手段信息化,以学生为中心,成果导向逆向设计课堂教学,达到教学相长的目的。课堂教学改革永无止境,在今后的教学过程中,要主动适应高等教育数字化转型发展趋势,进一步提高课堂教学质量和教学效果,同时开展各种形式的课外活动,培养学生创新能力,增强学生的社会适应能力和社会竞争力,塑造学生服务于美丽中国建设的家国情怀和使命担当。