基于OBE的《环境工程原理》教学改革与实践

刘晓阳，任芝军

（河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401）

随着经济的快速发展和工业水平的提高，我国所面临的环境问题日趋严重，社会对于环境工程和环保设备工程等相关专业人才的需求也逐年增加，对其专业技能的要求日益提高。《环境工程原理》课程是环境工程和环保设备工程等专业本科生的重要核心课程和基础课程，通过对环境污染控制基础理论和工程原理的介绍，为学生后续水、气、固废治理技术的学习提供理论基础[1]。该课程特点为理论性强、知识点多、内容广泛，在传统的教学过程中存在着教学内容重理论、轻实践，教学过程重教师、轻学生，教学手段单一、互动较少，考核方式多以终结性评价为主、无法全面考查学生的实际能力和综合素质等问题，难以满足当前国际工程教育专业认证和新工科人才培养的需求。针对该问题，需要积极推动基于成果导向教育（outcome-based education，OBE）理念的教育模式，建立以学生学习成果为导向的教育体系，丰富拓展教学内容，革新教学设计和教学方法，改革课程评价考核方式，以培养学生的综合素质和解决工程实际问题的能力，为学生的终身发展打下更坚实的基础，同时满足新工科建设对卓越创新人才的需求。

1 《环境工程原理》课程教学现状和存在问题

前期，教学团队通过雨课堂调查问卷等形式，对近两年的环保工程设备专业近110名学生进行了调研，结合调研结果、教学团队的教学经验和督导教师的讨论交流，总结了《环境工程原理》课程教学存在的主要问题。

1.1 教学内容重理论、轻实践

该课程主流教材为高等教育出版社出版的《环境工程原理》（第三版），在本专业授课过程中，需要用56学时讲授环境工程原理基础（即动量、热量和质量传递）、分离过程原理（包括沉降、过滤、吸附、吸收、膜分离等）和化学与生物反应工程原理三大部分，学时紧张，内容抽象且理论部分较多，工程知识较少，缺乏科学理论到工程实际的连接，造成学生所学与社会实际需求脱节。因此，需要拓展课程资源，将实际工程案例融入教学过程中，引导学生在“干中学”。

1.2 教学过程重教师、轻学生

由于《环境工程原理》理论性较强且课时紧张，该课程教学过程中，多以“填鸭式”教学为主，学生学习的积极性偏低，这不仅导致学生对于知识的接收、内化能力较差，也严重限制了学生自主学习能力以及发现、分析和解决问题能力的提升。因此，需要根据OBE 理念进行课程改革，将教学过程从以“教”为主转变为以“学”为主，以学生为中心，着重提高学生的学习效果和能力素质。

1.3 教学手段单一、互动较少

该课程主要采用讲授法进行授课，辅以黑板板书和PPT，教学手段较为单一，师生互动较少，学生上课积极性不高，致使教学质量难以达到预期效果，人才培养质量和新工科的发展要求有所差距。

1.4 考核方式不全面

该课程的考核评价方式为平时成绩（40%）和期末考试（60%）相结合。其中，期末考试包括填空题、论述题和计算题三种类型，论述题多为专业术语解释和相关原理阐述，整体题目与实际工程差别较大。平时成绩则主要考核各章节内容的作业完成情况和上课考勤情况。也就是说，目前的考核方式主要考查学生的记忆能力和理解能力，难以全面评估学生的创新能力和解决实际工程问题的能力。因此，学生容易出现应试心理，往往只注意应对考试而忽略了知识的实际应用，学习效果大打折扣。

2 基于OBE理念的《环境工程原理》课程改革框架

OBE 的基本理念是以学生为中心，以学习成果为导向，进行持续改进。其强调教学过程的目标、结果和效果，注重培养学生的能力和素质[2]。OBE 理念在英美等发达国家的工程教育认证和应用型人才培养过程中至关重要。自2014年来，OBE 理念逐步受到中国学者关注，先后应用于《机械原理》《环境工程微生物学》等诸多课程改革[3-4]。基于OBE 理念，从课程目标与内容、教学手段与方法、课程考核评价等方面对《环境工程原理》课程进行教学改革，能够提高学生的学习兴趣和主动性，增强学生的科学素养和工程意识，从而实现教育目标的有效达成。

2.1 教学内容优化

在教学内容方面，需要删减与其他课程相关的重复授课内容，强化课程主线和逻辑顺序，优化内容编排。引入实用性基础教学内容和实际工程案例，突出课程内容与应用的联系，提高学生分析解决复杂工程问题的能力。增加反映学科发展前沿和国内外重大成果的内容，与时俱进，提高课程内容的科学性和高阶性。以科研反哺教学，将实践融入教学。以立德树人为根本原则，精心设计教学案例，着重介绍我国科学家的突出贡献，以正确价值观引导学生，培养学生的科学思维和爱国精神[5]。

2.2 教学方法与手段改革

课堂教学中，改革传统的灌输教学模式，结合问题导向式教学、讨论式教学、案例式教学、项目驱动式等多种教学方法和长江雨课堂等多种信息化手段，提高学生的积极性。建立“案例引入—情感激发—知识夯实—能力提升—素质培养”的渐进驱动式教学进程，形成高阶目标达成机制，提升学生的学习效果。引入理论知识的工程应用案例和科研前沿进展，培养学生的创新精神和工程思维。积极强化沉浸式实践教学，推动专业教师和企业导师联合指导实践教学，多元立体交叉培养学生综合应用理论知识解决工程问题的能力。

2.3 考核方式改革

以灵活多样的过程评价（形成性考核）为主，以期末考试为辅，采用章节测验、课堂问答、课程作业与论文等多样化的形式，采用雨课堂、河工云课堂等多种信息化手段，对学生的学习成果进行动态评价和及时反馈。以考查学生的能力为主，知识点的掌握为辅，采用项目驱动式、参与式等教学方法进行课程教学，增加发散性思维和实际工程问题题目的考核，突出对学生创新能力、科学和工程素养的考核。根据课程目标指标点细化考试内容，根据考试结果，量化课程目标指标点和课程目标达成度，识别学生学习的薄弱环节，结合督导、同行意见，及时调整教学策略，优化教学内容与方法，提高教学质量，最终形成学习成果评价反馈教学的闭环。

3 基于OBE理念的《环境工程原理》课程改革实践探索

3.1 教学内容优化

在教学内容方面，通过集中备课、调查问卷等方式，与《流体力学》《水污染控制工程》《大气污染控制工程》等核心教学团队和所授课学生对象进行交流，删减了重复授课内容，同时，调整了部分知识模块的顺序以优化课程逻辑。例如，发现第一部分环境工程原理基础中动量传递模块与选修课程《流体力学》在伯努利方程、边界层理论等知识点内容重复，学生对该部分内容有印象，但是经过一个假期的间隔后，印象有限，故上课时对该部分进行了简单快速的复习；第二部分分离过程原理中吸收模块与第一部分质量传递模块联系紧密，故而将其提前，在质量传递模块结束后直接进行吸收模块的授课，而该部分的沉降模块与同学期《大气污染控制技术与设备》课程内容重复，故沉降模块仅在第二部分授课结束时进行了略讲。

在教学过程中引入了一些实际工程案例和学科前沿知识，以提高课程内容的实用性、科学性和高阶性。例如，在质量衡算与能量衡算模块，引入了抗生素类新兴污染物在水生态环境中迁移转化过程，树立了学生的生态环境观以及质量衡算的基础地位；在其他分离过程模块，重点讲解了膜生物反应器、纳滤、反渗透等新兴膜法水处理技术，并引入了基于纳滤技术的张家港第四水厂、基于超滤技术的东营南郊水厂等工程实例，介绍了李圭白院士课题组等在水厂建设过程中科研攻关和成果转化方面的突出贡献，以提高学生的工程意识、科学素养和利用专业知识为祖国贡献力量的使命感[6]。

3.2 教学方法与手段改革

在课堂教学中，教学团队尝试了讨论式教学、项目驱动式教学等多种教学方法和长江雨课堂等多种信息化手段，极大地提高了学生的积极性。例如，在讲述吸附模块时，课前将教学PPT、实际工业吸附操作视频和该方向的前沿科研论文提前发送给学生，要求学生按问题清单预习相关知识。授课过程中，从2005年松花江硝基苯水污染事件出发，讲述了活性炭吸附在突发性水污染治理中的重要作用，同时引导学生思考实际工程中需要关注的吸附剂的两个性能：吸附快慢（吸附动力学）和吸附量多少（吸附热力学）。随后，将吸附动力学和热力学相关知识点细化后下达给不同的学生小组，借助课前预习的相关资料，各小组归纳总结，并进行“翻转课堂”的课程汇报。教师综合学生观点，进行纠错答疑、归纳总结和重难点凝练。在该过程中，学生从“教中学”转变为“学中教”，极大地提高了学生们的上课参与度和积极性。此外，为了更好地满足培养目标中提升学生解决复杂工程问题能力的要求，采用了实际实验录播或者虚拟仿真实验，更加生动直接地展现各分离设备和化学、微生物反应器的工作原理和内部工作状态，以便于学生理解所学知识在实际工程中是如何应用的，这也反过来提高了理论部分的学习效果。

3.3 考核方式改革

改革过程后，过程考核更加丰富多样，包括了4部分：课堂出勤（10%），体现在课堂随机点名和雨课堂平台签到；课堂表现（40%），体现在课堂教学实践中学生自主讨论和前测、后测中问答情况；专题讨论（20%），体现在课后发布的讨论题；课后作业（30%），体现在课后习题的计算情况。课堂讨论问题和前测、后测题目在课堂上通过雨课堂等手段实时发布，雨课堂直接给出统计结果，以便于对学生的知识掌握情况进行量化评价。随后，教师结合学生的回答情况进行互动解析，并针对学生学习的薄弱环节及时给予反馈、复习和再讲解，提升学生的学习效果。课后，对学生进行问卷调查，不仅请学生自评学习目标的达成度，评价知识、能力、情感目标是否达成，还请学生对本节课的授课情况进行评价并且提出建议。这有助于掌握各学生各阶段的学习情况，评估学生的进步程度，以及后续授课的持续改进。

在期末考试中，根据课程目标指标点细化考试内容，根据考试结果，具体量化课程目标指标点和课程目标达成度。为了更好地满足新工科人才培养的需求，在试卷简答题和计算题中还设置了一些实际工程中的具体情景，以考查学生解决实际工程问题的能力。例如，在论述题中，提出问题“某发电厂排放的废气中含有大量的SO2气体，目前工厂以水作为吸收剂，采用物理方法吸收尾气，但是废气净化效果较差，能否给出几种措施以提高净化效果？”。综上，通过过程性考核和期末考试的优化，能够从学生的基本理论理解和掌握程度、分析解决复杂工程问题的能力、团队协作的意识、语言表达能力等多个维度进行考查，提升了学习效果。经过历时一年的教学内容优化、教学方法与手段改革和考核方式改革，该课程学生的学习效果显著提升（图1）。相较于2021年未实施时，2022年学生的平均成绩从73分提高至86分，中位数从74分提高至87分。

图1 近两年学生成绩分布

4 结束语

《环境工程原理》课程是环境工程、环保设备工程等专业的重要核心课程和基础课程，可为学生水、大气、固废污染控制技术与设备等课程的学习奠定理论基础。针对《环境工程原理》课程的教学现状和存在问题进行了深入剖析，从教学内容、教学方法和手段、课程考核方式等方面提出了基于OBE 理念的教学改革意见，并进行了教学改革的探索与实践。实践过程表明，将OBE 理念有机融入这门课程后，学生学习的主动性有了极大提高，同时分析和解决复杂工程问题的能力也有一定提升。