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摘要：“新工科”教育目標的引導下，在對“水污染控制工程”課程教學改革的實踐中，有機地結合了凱勒教學理論的團隊學習，輔以學習制度、評定方法、課程單元化等措施，加大實踐的內容，并對設計環節和進行了改革和實踐，滿足“新工科”培養人才目標，達到以設計促進學生掌握理論，解決實際問題的能力，并與實際就業接軌，效果良好。
一引言
工科人才培養一方面要契合行業發展，甚至走在行業變革的前列。我國“水十條”的頒布，水處理行業的發展日新月異，將導致行業需求大量擁有較強創新、掌握新技術、會設計的工程師。同時，我國連續頒布的《國家中長期人才發展規劃綱要(2010—2020年)》、《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》顯示“新工科”理念與行業改革的勢在必行[1]。大學“新工科”的目標就是：突出培養造就創新型科技人才,大力開發經濟社會發展重點領域急需緊缺專門人才,培養卓越的工程師，這成為適應本世代時代工科教育的新命題[2]。講過調查研究，我們發現本校工科教育需要解決以下問題：（1）教育目標方面，需要培養學生的自主性與創新能力；（2）在課程設置方面，存在理科和工科教育模式趨向與同質化，教育知識內容與實踐脫節；（3）在知識結構與能力發展方面，行業技術與知識日新月異，在有限的培養時間內，如何兼顧理論知識、新技術與實踐能力培養的三方同步推進有較大的困難。以上困難導致目前工科所培養的學生與企業大量需要的實用型和技術型人才之間有較大的差別[3,4]。從心理學、教育學的角度，大學生是人生發展的第三階段，知識體系、創新能力以及自主意識已經進入人生的巔峰期，傳統的講授式教育對其發展與學習是十分不利的。因此，有不少教育、教學理論一直關注工科實踐教育的發展。其中凱勒教學理論，又稱個人化教學系統理論是應用于工科教育、培養創新型人才的重要理論之一。凱勒教學理論又稱為個人化教學理論，是根據斯金納操作反射原理而設計的一套教學理論。該套理論核心是塑造個更人性化的教學學習模式，鼓勵學生自主與團隊學習的模式。從教學目的、教材、教育模式等方面均與經典講授式教學模式差別相當大[5]。其強調實踐、團隊學習的方法，非常適合應用于“新工科”教育的需求。然而，該理論與模式應用于水污染控制工程課程，還需要我們進行具體課程的探索。
二《水污染控制工程》存在問題
在水污染控制工程課程教育的開展過程中，存在一系列具體的問題。
（一）《水污染控制工程》成效需要多個專業課的支持
《水污染控制工程》是環境工程專業的核心課程，前期需要包括城市給水、排水管道、環境工程學原理、泵房與泵站、環保設備，工程制圖等先導課程的支持。學生對先導課程掌握的深度影響污染控制工程的設計能力的培養。但由于涉及的課程較廣泛，存在學生對先導課程知識掌握深度不夠，基礎知識不能轉化實際設計應用等現象，如學生在給水管道計算、泵的計算選配，處理單元的初步設計與設備選擇環節出現不少問題。因此，先導課程是否合適影響到學生實際掌握課本知識的效率，教學推進的效率。
（二）有限課時內，水污染控制課程需要以設計實踐為核心的教學模式
水污染控制課程涉及理論教學、工程設計與實踐環節，充分的設計訓練才能使學生真正掌握、知識，領會工程感覺。有三方面因素影響本課程以設計與實踐教學的開展。（1）有限的課時與師資力量，容易導致設計時間不足，比重過少的情況，目前在課時比較緊張的現實條件下，講授模式難以完成實踐設計為主導的課程；此外，老師有限的精力也無法兼顧超過60人以上的大班設計的指導工作。（2）新設備、新技術沖擊傳統設計理念與訓練模式；環境工程技術與設備日新月異，公司在實際設計時采用的經驗算法與在課本所設計的實踐內容差異較大，既不能完全按照實際情況講授，也不能脫離實際情況開展，如何開展這方面教育，難度較大。（3）在學習流程上，學生需要課程以實際污水廠構筑物、工藝設計實踐為支撐，實踐、觀摩與動手設計才能落實水處理工藝設備基本知識的掌握，流程較復雜，需要多維度授課模式才能完成。以上三點顯示水污染控制課程的培養模式一定強化實踐教學，打造以設計為核心，新工科培養計劃為導向，培養掌握實際設計基礎知識的理論-實踐教學體系。
（三）實際設計、工程經驗與課堂教學有較大的距離
為了適應未來工作的需要，學生需要掌握基本設計知識、了解實際設計與工程經驗，水污染控制課程是既有工程設計又有新型處理技術內容的課程。原有課程中無法完全對學生從工程設計、擴大設計、施工、工程概預算、設備選配等方面較全面的培養。此外，隨著技術的發展，實際設計、工程經驗已經與課本知識產生較大差異，而且變化較快且不講求原理計算，完全按市場情況培養與按教材進行講授是不適當的。另一方面，該課程在師資方面的要求較高，尤其是對實際工程案例的解讀與關鍵參數選擇，影響到學生掌握設計與實踐知識的難點。針對上述存在問題，通過學習合適凱勒教學理論，結合本校的基礎與教學經驗，我們認為需要新舊理論融合，對教學模式、實踐環節設計與評價三個方面，開展了以新工科工程師培養計劃為導向的《水污染控制工程》實踐教學改革與探索，從而使畢業生具有扎實的水處理技術基礎知識，較熟練工程設計技能與應對未來未知技術發展挑戰的能力，滿足新工科教育的目標。
三改革目標及方法
凱勒教學理論強調學生學習能力的個體差異性，強調團隊學習、實踐對學生掌握知識的優勢，通過團隊學習的方式可以大大提高教學與學習的效率。因此，我們認為指導完成水污染控制工程的教學目標是非常有意義的。本課程改革目標分為三個層次。第一是達到人才培養的目標，以學生為主體，根據學生的個人能力差異與教學需求，建立適合團隊學習教學模式，在項目管理-團隊學習的模式下讓學生盡快掌握水污染控制課程理論與實際設計技能，獲得未來水處理工程師的基本素質與解決實際技術問題的能力。第二是建立一種配合該項目-團隊學習管理模式，并配以教學指導書、條例、方法、評分制度的建立；第三，編制一套不斷與實際技術接軌，同時兼有基本原理教導的指導性授課材料，支持課程的改革。
四改革思路、內容與實施方案
（一）改革思路
我們從凱勒教學理論為指導，該套理論核心是塑造個更人性化的教學學習模式，鼓勵學生自主與團隊學習的模式。具體包括：（1）以學生為主體，確定學習進度，強調按學生個人情況自主學習，又強調成績與學習效率、學習進度掛鉤；（2）精煉課程內容，課程內容單元化，配合自主學習；（3）教師精講化，以團隊引導學生鉆研與自主學習，相互學習；（5）使用指導性教材，實踐教學為主，理論僅作為引導，強調學生參與教材的完善；（6）設計團隊學習模式，鼓勵學生之間組隊，以團隊互助，團隊競爭為教學主要模式等。總而言之，在實踐過程中，我們認為團隊學習、教師精講、實踐指導等環節比較適合實現水污染控制工程新培養模式。這正是與我們的教育目標、教學經驗所知相一致。其次，課程要求、培養目標以及實際企業需求構成了課程改革的技術動力與保證。針對改革的目標與以上存在的問題，本校對水污染控制課程以下四方面進行了一系列的改進（圖1）。
（二）改革內容
針對以上的改革目標，我們實踐了以下四方面圍繞項目制管理-團隊學習的課程教學模式改革。1.改進教學模式：打造團隊學習的模式是核心，激發學生自主學習，培養團隊意識，共同解決設計中的問題。團隊學習是本課程改革的重點之一，之所以選擇團隊學習的模式存在以下幾方面因素。首先，學生的能力差異會導致學習效率的差別，但對于設計課程而言，維持統一的進度與一定的深度是課程推進的條件，團隊學習通過組長、組內互助，解決學生個性與同步前進的矛盾；其次，團隊學習有利于在有限的課時內，學生間的互助，有利于激發主動性，維持一致的步調；最后，在實際設計工作中，小團隊的協作、溝通十分頻繁，如總設計、單體設計以及建筑結構等領域人員的交流，是完成設計工作的關鍵。團隊學習有利于培養團隊合作的精神。具體在教學中，第一，我們安排學生干部商議，可以采用分配組隊、自由組隊與競爭組隊等方式，形成學習團隊，制定與修改學習規則、管理規則。第二，上課時，下達每一組的設計任務給組長，組長上課前帶領組員完成預習、資料準備，課后帶領組員分階段的設計任務，并組織組內互助學習；授課過程采用“理論→設計→理論→設計貫穿進行”的教學模式。同時開設綜合實驗課，增加課程設計的力度。第三，我們在課程中引入團隊競爭的機制，在不同階段，通過不同組間設計成果的對比，得出團隊成績，強化團隊競爭的意識。組長、班委組成管理小組，反饋在授課、設計過程中的問題。2.改進教學內容：課程單元化，提高教學效率，通過理論講解與單元設計交替強化實踐。水污染控制課程內容豐富，需要回顧的知識點較多，因此優化課程內容十分重要。我們采用凱勒教學模式，根據學生的能力，將水處理的課程分為7-10個單元，使之實現課程單元化的目標。內容主要圍繞污水總泵站設計，引水渠/格柵、沉砂池、一/二沉淀池、好氧生化池、厭氧生化池，鼓風機、污泥泵、厭氧消化等環節開展。單元化的同時采用多維度教學的模式，以理論講授、圖片、視頻與現場認知等途徑達到掌握知識，同時通過一個單元學習，一個單元單體設計達到應用目標，而且在教學中努力以設計實踐帶動理論學習，設計以小組開展討論與設計，并在設計作業中要求按市場實際設備的參數進行設計選型，繪制大樣圖，提高設計難度，激發學生自主解決問題的能力。通過課程設計與總設計完成知識與技能雙成長，保證設計在教學中的比重超過60%。如在格柵設計課程中，我們將格柵的類型、組成、分類等知識分拆至單元設計的課程中講解，并將格柵部分課程分拆為格柵前及引水渠設計部分，格柵/過柵參數選擇，格柵選定后設備、渠型參數修改與校驗等單元，圍繞設計講透格柵設計的多個關鍵參數與設計點。3.改進教學形式：編制團隊學習教材，課程的內容動態變化，教材多維度展開，滲透團隊學習過程根據凱勒教學理論，為支撐項目制-團隊學習，需要編制指導性的教材。教材分為三部分，第一部分以水處理教材為核心的課本與選讀材料，內容為排水工程下冊、水污染控制工程等書籍，配合影片、實物、ppt與微信平臺的展示，以小組開展學習；第二部分為國家頒布的室外排水規范與給排水設計手冊，此部分需要學生參與以團隊為單位主動查閱最新規范與手冊，配合自編設計指導書，設計任務書的講解，在動手中了解設計過程與參數選擇；第三部分為實際案例、設備與裝置樣品說明書，在設計過程中采用實際設備與材料的參數，對設計進行匹配，同時完成詢價與局部大樣的設計。以上工作均以團隊為單位展開，并運用至設計作業中。同時，還利用校精品課程的課題建立的全課程的數字化教學平臺：包括課程介紹、教學大綱、教案或演示文稿、重點難點指導、作業、參考資料目錄和課程主要教學內容的音視頻資料等反映教學全過程必需的資源。該平臺可以協助、反饋學生學習的進度與效率，并通過分階段數據適時分析學習情況，提高教學效率。4.改進教學延申模式：強化學生與校外企業的技術人員相互聯系。為配合“水污染控制工程”的實踐環節，首先建立微信平臺，加入有經驗的設計工程師為顧問，教師定期回答團隊提出的技術問題，工程師協助回答工程技術問題與經驗；在設計周邀請企業技術人員，或者帶領同學參加企業的設計指導課程與項目，還組織學生參加水處理相關的技術展，獲得現實產品、管道材料、技術的新趨勢與參數。以16級為例，學習過程中提出的問題超過80條，加快教師-學生間的溝通與交流。
五結語
（一）已經完成內容
通過凱勒教學理論與“新工科”教育的融合，從教學模式、教學內容改進、模式補充等四方面，將《水污染控制工程》課程改造為本院培養具有創造力、適應就業市場的特色本科專業課程之一。目前已經完成以下工作：（1）編寫與應用適應性模塊化教育組成的理論教材、實驗指導書、設計指導書等支持課程的開展；（2）建立多維度教育模式，從線上平臺、微信群管理/交流、組長群學習拓展學生課后持續學習；（3）設計學習制度、團隊學習組織制度、全過程評判標準，推進團隊學習、競爭的機制；（4）重視理論與實踐交叉的教學方案，利用設計手冊、規范為指導，結合書本的知識點，突出實際工藝參數與設備的真實選型，使學生具有污水處理領域的工程設計、設備選擇等方面的技能。
（二）反饋結果
通過本課程的教學改革，對上交超過（14級-16級）300份學生作業情況分析，獲得以下成果，（1）在比較短的時間內，學生在團隊學習中掌握了水污染控制工程的好氧、厭氧處理的基礎知識，污水廠平面、高程布置，掌握了市政污水廠從總泵站到消毒池的一系列單體設計計算過程與參數選擇；（2）團隊學習有助于調動學習積極分子對基礎薄弱同學的幫助，組內交流頻繁，達到共同學習的目的；（3）組間競爭激烈，互相評比設計時可以加深學生的再次學習；（4）引入實際設備的限制，增加貼近實際工程狀況。課程改革與實踐在傳統理論與新模式碰撞下，創造了一系列新的教學條件，提升了教師的教學水平，培養了數批實基礎的工科學生，而且得到學生的好評。同時，利用課程改革與教學制度的創新，配合國家可持續發展與環保事業大發展的形勢，獲得教學制度創新與實踐教育中獲得多個教學成果獎及校級教研項目的支持。在教師與學生的共同努力下，相信經過一系列課程改革，該課程會得到進一步的發展，逐步實現“新工科”與創新人才培養的宏偉目標。
作者:鐘玉鳴 劉暉 童英林 李義勇 孫彥富 周康群 錢偉 單位:仲愷農業工程學院
