OBE理念下给排水科学与工程专业实验教学体系探讨

-----以广东工业大学给排水科学与工程专业为例

杜  星，宋  伟，王志红   

（广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州 510006）

[摘  要]：给排水科学与工程专业实验教学是工程教育认证的重要环节，是高校本科教学体系的重要支撑，是培养学生分析问题、解决问题和提高动手能力的重要途径。构建完善的专业实验教学体系是给排水科学与工程专业基于OBE理念提升大学生专业知识和专业技能的关键途径，且有利于加强对大学生创新意识、创新能力、协助精神的培养。本文通过近3年来广东工业大学给排水科学与工程专业的实验教学改革为例，探讨了地方院校基于OBE理念进行专业实验教学体系。

[关键词]：OBE理念；给排水科学与工程；专业实验教学体系；改革思路

[基金项目]：2021年广东工业大学普通教改项目“新工科背景下基于OBE模式的给排水科学与工程专业实验教学改革与实践”,“基于持续改进的给排水专业核心课程‘水质工程学’课程建设研究与实践”（广工大教字〔2021〕71号）；2021广东省教育厅本科高校教学质量与教学改革工程建设项目“‘工程教育认证+新工科’背景下应用研究型工科大学给排水科学与工程专业核心课程群构建策略和实现方法”（粤教高函【2021】29号）；2022年度教育部高等学校给排水科学与工程专业教学指导分委员会教学改革项目【名称无】（GPSJZW2022-43）。

[作者简介]：杜星，(1989-)，男，汉族，甘肃天水人，博士，广东工业大学土木与交通工程学院副院长，副教授，研究方向为膜法水处理技术。

［中图分类号］G642.0      ［文献标识码］A    

Discussion on the Experimental Teaching System for Water Supply and Drainage Science and Engineering Based on OBE Concept

Xing Du, Wei Song, Zhihong Wang

(School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006, P.R. China)

Abstract: The experimental teaching in Water Supply and Drainage Science and Engineering is an important part of engineering education certification, which serves as an important support for undergraduate teaching system in colleges. And the experimental teaching is also regarded as the crucial approach to train the ability to analyze and solve problems and improve the manipulative ability of students. It is a critical approach of the professional experimental teaching system development to improve the professional knowledge and skills of college students in Water Supply and Drainage Science and Engineering based on OBE concept. This perfect system is conducive to strengthen the cultivation of college students' innovative consciousness, innovative ability and collaborative spirit. In this work, based on the experiment teaching reform of Water Supply and Drainage Science and Engineering in Guangdong University of Technology in the past three years, the professional experimental teaching system in local colleges and universities based on OBE concept has been discussed.

Keywords: Outcomes based Education; Water Supply and Drainage Science and Engineering; Professional experimental teaching system; Reform thinking

“基于结果导向（Outcomes based Education，简称OBE）”工程教育理念起源于美国和澳大利亚的基础教育改革，是当今风行的高等工程教育模式^[1]。因此，践行本科教学国家质量标准，全面提高给排水专业人才的培养质量至关重要^[2]。对缓解水危机和建设生态文明负有历史责任的给排水科学与工程专业，已开始围绕国家重大需求和国民经济发展，从水的社会循环角度观察和研究问题。给排水科学与工程专业是工学门类土木类专业，对应学科为市政工程。其主要服务于国民经济建设和发展中与给水排水工程相关的领域。本专业是城乡建设的重要基础设施，是城乡水系统循环的实施主体，是实现水资源可持续利用和城乡可持续发展的重要保障。其主要为城乡及工业提供相关服务，主要涉及水的开采、加工、输送、回收及利用等，满足城乡生活和工业生产的用水需求，并将生活污水和工业废水收集、净化与再生利用等，实现水的良性社会循环^[3]。我国给排水专业历经近70年的发展，专业规模不断壮大，截止到2019年底，全国高校共有187个给排水专业办学点，全国给排水专业每年的招生人数、毕业生人数均达到了1.1万人左右，在校生人数达到了4万余人^[2]。

给排水科学与工程专业实验教学是高校本科教学体系中一个非常重要的环节，是培养学生分析问题、解决问题和提高动手能力的重要途径^[4]。引导高等学校在本科教学过程中加强对大学生创新意识、创新能力、协助精神培养，可提升大学生综合运用所学知识解决复杂工程问题的能力，且强化大学生对给排水专业知识的理解。参照国际通行的工程教育认证标准，通过优化给排水科学与工程专业培养目标和培养计划，构建持续改进的专业质量保障制度和检查措施，大力提高给排水专业工程性应用技术人才培养水平，对于我国新时期的高等教育具有重要的现实意义^[5]。

因此，实验教学体系建设是保障地方高校工科专业创新人才培养质量的重要抓手，也是工科专业实践教学改革的重要方向^[6]。

一、给排水科学与工程专业实验教学体系综述

以广东工业大学给排水科学与工程为例，以应用为导向的实验教学体系如图1(a)所示，图1(b)是实验现场照片。给排水科学与工程专业目前实验课程主要有基础实验课程(如大学物理实验、电子电工实验、普通化学实验)、专业基础实验课程 (如水微生物实验、水分析化学实验、水力学实验、水泵与水泵站实验)、专业实验课程 (如水质工程学实验、建筑给水排水工程实验)。 “分层递进贯穿式”实验课程教学体系进行我校给排水科学与工程专业实验教学体系的完善。知识体系上应该按照“由低到高、由浅入深、循序渐进、分层实现”的原则进行设置建立了“基础实验、验证演示实验（大学一、二年级本科生）”“综合设计试验、开放创新实验（大学二、三年级本科生）”和“创新训练实验、科学研究（大学三、四年级本科生）”３个逐层递进的实验课程体系^[6]。然而，广东工业大学本身拥有完善的创新创业教育体系，在此基础上构建了如下适于本校专业特色的“分层递进贯穿式”专业实验教学体系。

图1 广东工业大学给排水科学与工程专业实验教学体系（a）和学子实验现场（b）

根据给排水教指委2019年在全国179所给排水专业开办高校的问卷调查显示，各高校

给排水专业的实验室面积大多数500-5000 m²，共有120所，但仍有43所在500 m²以下，最小的仅有40m^{2 [6]}。如图2所示，广东工业大学给排水科学与工程实验示范中心实验室面积1000平方米，主要用于开展水力学实验、水泵与水泵站实验、水质工程学实验、建筑给水排水工程实验，而相关微生物、化学实验在对应的全校公用的国家级实验教学中心完成。给排水科学与工程实验中心各实验室仪器设备完好，场地面积和设备台套数满足实验教学的分组要求，本科实验开出率为100%。2010 年与中山环宇公司合作申报获批建设“国家级工程实践教育中心”（全校第一个以学院建设为主获批的单位），这是专业工程实践教育的有力推动，为学生提供了丰富多彩的课外实践机会，成为培养创新性人才的摇篮，为广东省大学生创业创新项目提供了科研场所，为大学生挑战杯竞赛提供了实习基地。

二、广东工业大学给排水科学与工程专业实验教学体系持续改进

专业核心课程对应的实验有水力学实验、水泵与水泵站实验、水质工程学实验具体如表1所示。以水质工程学实验为例，教学目标主要包括：1）通过实验，加深对水处理基本理论的理解；2）培养实验操作能力，掌握水处理实验的方法与技能，能够根据实际需要设计实验，并正确进行实验操作；3） 培养正确记录、收集并处理实验数据的能力，培养解释实验数据并总结归纳得到实验结论的能力；4）培养严谨踏实的科学作风和融洽合作的共事态度以及爱护国家财产的良好风尚。教学目标对毕业要求指标点的支撑关系。毕业要求4.2掌握专业实验、测试的方法与技能，能够根据工程问题设计实验，并正确进行实验操作，正确收集、处理、解释实验数据。毕业要求9.1 在解决给排水科学与工程专业的复杂工程问题时，能够在多学科环境中具有主动与他人合作和配合的意识，具有奉献精神。

表1 广东工业大学给排水科学与工程专业设置的主要专业实验项目表

然而，现有的教学模式导致学生被动地按照实验讲义简单完成实验，产生实验验证理论、重理论知识、轻实践操作的观念，出现工程意识淡薄、整体专业知识系统学习出现偏差等倾向。传统实验教学主要关注各个课程单个知识点的教学，没有形成基础实验课程、专业基础实验课程、专业实验课程层层递进的关系，是学生失去对实验课程的兴趣和求知欲望。因而无法重现实验，达到预期的目标。可见，现有的实验教学模式缺乏以工程应用为导向来培养学生的综合素质。为了引导高等学校在本科教学过程中加强对大学生创新意识、创新能力、协助精神培养，如表2所示，广东工业大学给排水科学与工程专业构建了一门创新创业训练课，1项校级竞赛和一项列入教学大纲的《创新能力提升项目》。

表2 构建创新创业课程清单

三、OBE理念给排水科学与工程专业实验设计案例

广东工业大学给排水科学与工程专业紧密围绕粤港澳大湾区发展长期战略，服务广东经济发展。坚持“重基础、强实践、宽适应、严质量”的治教方略，以国际教育认证为抓手，聚焦华南地区水环境质量持续改善和饮用水供应安全保障，培养专业素养高、创新精神强、国际化视野宽且具有良好团队协作能力和专业服务意识的高水平人才。

表3 基于工程认证理念给排水科学与工程专业实验设计案例

以学科前沿研究热点引发学生参与创新性实验的积极性。从应用性出发，将授课方式转变成以实践为主，理论为辅的授课形式，培养学生从实际生活、工作、学习中发现问题，提出问题。为了基于工程认证体系，设计了包含工程知识，问题分析，设计/开发解决方案，研究，使用现代工具，工程与社会，环境和可持续发展，职业规范，个人和团队，沟通，项目管理，终身学习等要求的实验。具体实验设计如表3所示，设计了南方湿热环境下混凝-气浮除藻实验。其中，实验训练可结合知识单元、知识点，融入创新的教学方式，强调学生创新思维、创新方法和创新能力的培养，提出创新思维、创新方法、创新能力的训练目标，构建形式多样的实验训练单元。对整个过程的对学生在整个学习过程中的表现进行跟踪与评估，并通过形成性评价保证学生实验能力的要求。

四、实验教学体系改革思路

（1）注重基础实验与水质工程学实验的关联度设计。必须掌握静水压强、静水总压力计算分析和水动力学三大基本方程，只有精通水静力学和水动力学的基本知识，才能在后续水头损失、有压管道、明渠恒定流、堰流、渗流等内容学习过程中游刃有余，水到渠成地完全掌握各种典型水处理单元的设计。

（2）注重实验的“综合性”，加强学生综合应用能力的训练。鼓励将全国及广东省“大学生挑战杯”、“大学生创新创业项目”、“广东工业大学千苗计划项目”、“深水杯全国给排水科技创新大赛”及各种自主创新性项目引入实验中心，在实验中心的实验实践平台上、在实验中心老师的指导下完成，培养学生综合应用能力，提高学生综合素质。

（3）采取开放型管理模式，实现中心实验实践资源的共享，提升学生自主创新。鼓励学生进入水质模型开放实验室，自主完成验证项目，学生自主进入水质模型开放实验室实践操作相关给水排水模型，转变教学模式，与净水除污集成化设备创新创业课紧密关联。主导创办全国范围内的验项目设计大赛，以扩大影响力与示范辐射功能。

（4）构建虚拟仿真平台，通过沉浸式教学熟悉水处理构筑物。拟仿真实验平台可以弥补由于场地、实验装置和时间等限制导致的传统实验教学方式内容和形式单一的问题。需要将传统实验课程教学方式与虚拟仿真实验相结合，充分发挥两种教学方式的优势，进行优势互补，使得学生在学习过程中得到充分的锻炼，提升学生的实践能力。

（5）实验教学体系改革中思政元素设计，推动教研融合实验的设计。推动教师将研究成果及时转化为教学内容，向学生介绍学科研究新进展、实践发展新经验，积极探索综合性课程、问题导向课程、交叉学科研讨课程，提高课程兴趣度、学业挑战度。促进学生的全面发展，把握新工科人才的核心素养，强化工科学生的家国情怀、全球视野、法治意识和生态意识，培养设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，提升创新创业、跨学科交叉融合、自主终身学习、沟通协商能力和工程领导力。

（6）加强实验室管理，实验设计与时俱进。实验室是当前各个高校均具备的硬件设施， 有利于培养学生的科研能力。须完善现场管理制度。 相关人员进入实验室后，应登记详细信息，登记的项目包含时间、人员职责、所用仪器名称等，让实验室实现规范化管理。同时，定期派遣专业人员检查实验室内的管理状态，若发现损坏仪器及时予以上报维修。同时实验设计注重与时俱进步，如可以在实验大纲中设计膜法水处理实验，基于此，购置合适的膜法水处理实验系统。

五、结语

给排水科学与工程实验教学是本专业的重要课程内容，也是体现行业新发展新需求的主要教学环节。实验教学对培养学生的专业基本操作技能、严谨治学的工作态度、探索研究的创新精神、独立工作的创业意识和适应社会需求、增强社会服务意识等有着特别重要的意义。

（1）建设学科专业大类学生自主创新实践平台、发挥学科与科研优势、搭建多级、多类学科竞赛平台、加强校企协同，引导工程实践模式改革、改革实习模式、建立中试规模的实习基地。搭建多级、多类学科竞赛平台。

（2）实验教学转型升级：以提高学生的实践创新能力为导向，改革实验教学内容和管理模式，加大综合型、设计型实验的比例和深度。

（3）发挥学科与科研优势：各级教学科研基地对本科生开放；鼓励教师结合科研工作和取得的成果，设计新的教学实验；学生参与教师的科研课题，参加论证、设计、施工、开车和运行。

（4）加强校企协同，引导工程实践模式改革：产学研合作，优势互补，实现双赢：完善多主体协同育人机制，突破社会参与人才培养的体制机制障碍，深入推进科教结合、产学融合、校企合作。建立多层次、多领域的校企联盟，深入推进产学研合作办学、合作育人、合作就业、合作发展，实现合作共赢。

[参考文献]

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