摘要：以“給水處理課程設(shè)計(jì)”（大四第一學(xué)期課程）為依托，開發(fā)和實(shí)施將專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)相結(jié)合的流程，以滿足整個(gè)設(shè)計(jì)過程的要求。要求學(xué)生與實(shí)驗(yàn)室管理人員（客戶）、加工人員、材料供應(yīng)商交流，這完全有別于傳統(tǒng)的學(xué)生教師間交流。此外，設(shè)計(jì)須在限制性條件，即資源限制下進(jìn)行，這些條件包括材料供應(yīng)、加工簡(jiǎn)便性、原材料和勞動(dòng)力的有限預(yù)算、項(xiàng)目期限。結(jié)果表明，學(xué)生可取得不斷的進(jìn)步，并能更全面地理解設(shè)計(jì)過程。

關(guān)鍵詞：工程教育;課程設(shè)計(jì);環(huán)境工程;專業(yè)實(shí)踐

中圖分類號(hào)："G"642.0"文獻(xiàn)標(biāo)志碼："A

文章編號(hào)："1009-895X（2019）03-0287-05

DOI："10.13256/j.cnki.jusst.sse.2019.03.016

Incorporating"Professional"Practice"into"the"Course"Design"for"Environmental"Engineering"Undergraduates

ZHOU"Haidong

（School"of"Environment"and"Architecture，University"of"Shanghai"for"Science"and"Technology，Shanghai"200093，China）

Abstract：

Through"the"“Course"Design"for"Water"Treatment”，in"the"first"semester"of"senior"year，the"procedure"of"combining"professional"practice"with"the"design"was"developed"and"implementednbsp;to"meet"the"requirements"of"overall"design"process.Students"were"required"to"communicate"with"lab"managers（customers），constructors，and"material"suppliers.Their"communications"were"quite"different"from"traditional"studentteacher"exchanges.In"addition，the"design"must"be"carried"out"under"restrictive"conditions，i.e.，resource"constraints：supply"of"materials，simplicity"of"construction，the"limited"budget"for"raw"materials"and"labor，and"time"limit"of"project"design.The"results"showed"that"students"could"make"continuous"progress"and"understand"the"design"process"more"comprehensively"in"the"course.

Keywords：

engineering"education;course"design;environmental"engineering;professional"practice

對(duì)于要掌握環(huán)境工程單元處理技術(shù)基本知識(shí)而言，學(xué)生往往只需給出一個(gè)“對(duì)”的答案。這種學(xué)習(xí)模式滿足了初步理解的目的。然而，“只有一個(gè)正確答案的教科書方法”本身不能實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)的課程目標(biāo)[1-2]。設(shè)計(jì)可被視為一系列行為，包括溝通、決策、團(tuán)隊(duì)合作、時(shí)間管理、頭腦風(fēng)暴等。完整的設(shè)計(jì)過程包括需求或問題識(shí)別、約束條件界定、設(shè)計(jì)目標(biāo)制定、設(shè)計(jì)方案測(cè)試比選、最佳方案確定、設(shè)計(jì)文檔準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)全過程管理、設(shè)計(jì)與加工、檢測(cè)的聯(lián)絡(luò)。設(shè)計(jì)課程要有效，須把專業(yè)實(shí)踐的理念與學(xué)習(xí)過程結(jié)合起來，以利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)實(shí)踐問題的全面理解，并為適應(yīng)未來工作做好準(zhǔn)備[3-4]。此外，在工程設(shè)計(jì)課程中，學(xué)生可以通過反復(fù)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化對(duì)工程設(shè)計(jì)流程的理解。

“沒有設(shè)計(jì)的工程教學(xué)是應(yīng)用教學(xué)，不是工程教育。”工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)工程設(shè)計(jì)能力提出了明確的要求;同時(shí)，開展設(shè)計(jì)項(xiàng)目，可在整個(gè)過程中，培養(yǎng)和評(píng)估學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作和交流，這是學(xué)生發(fā)展所必不可少的[5]。因此，工程設(shè)計(jì)過程被視為工程教育認(rèn)證計(jì)劃的關(guān)鍵要素之一。

本文在環(huán)境工程本科生的“給水處理課程設(shè)計(jì)”（大四第一學(xué)期課程）中融入專業(yè)實(shí)踐性進(jìn)行研究，開發(fā)和實(shí)施了將專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)相結(jié)合的流程，以期能提高工程設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)效果，并提高學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力。

一、設(shè)計(jì)課程的目標(biāo)和畢業(yè)要求

在上海理工大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)課程中，將設(shè)計(jì)納入課程表中，提出設(shè)計(jì)要素，設(shè)定設(shè)計(jì)課程目標(biāo)。課程目標(biāo)包括：構(gòu)建多年度連續(xù)設(shè)計(jì)任務(wù)，在反復(fù)的設(shè)計(jì)中不斷進(jìn)步;提供學(xué)生與銷售方、加工技術(shù)人員、需求方進(jìn)行技術(shù)信息交流的機(jī)會(huì);讓學(xué)生能經(jīng)受開放式設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn);允許通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)，并分析設(shè)計(jì)的成功之處。

設(shè)計(jì)課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是學(xué)生畢業(yè)時(shí)滿足相關(guān)畢業(yè)要求的重要保證。與工程教育認(rèn)證中相關(guān)畢業(yè)要求至少包括以下幾方面[6]：

獲得基本的數(shù)學(xué)和自然科學(xué)知識(shí)，通過個(gè)人、團(tuán)隊(duì)成員或多學(xué)科團(tuán)隊(duì)的參與者解決復(fù)雜工程問題，加深和拓寬環(huán)境工程知識(shí);

能夠設(shè)計(jì)針對(duì)環(huán)境復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（構(gòu)筑物）或工藝流程，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)，考慮社會(huì)、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素;

培養(yǎng)在條件受限下解決環(huán)境復(fù)雜工程問題的技能;

通過撰寫和口頭報(bào)告，強(qiáng)化書面和口頭交流技巧。

基于設(shè)計(jì)課程目標(biāo)和相關(guān)畢業(yè)要求，環(huán)境工程專業(yè)調(diào)整了相關(guān)的培養(yǎng)目標(biāo)，其中包括：

能運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程和人文科學(xué)的知識(shí)，分析和解決環(huán)境復(fù)雜工程問題;

能運(yùn)用技術(shù)、社會(huì)、政治和經(jīng)濟(jì)知識(shí)，分析復(fù)雜工程問題;合理運(yùn)用技術(shù)，設(shè)計(jì)、制定有效的、切實(shí)的行動(dòng)方案，并不斷改進(jìn)行動(dòng)方案;推薦或選擇最佳行動(dòng)方案;領(lǐng)導(dǎo)、管理并執(zhí)行所確定的行動(dòng)方案。

二、設(shè)計(jì)課程的專業(yè)實(shí)踐性方法

在“給水處理課程設(shè)計(jì)”中，將設(shè)計(jì)任務(wù)中加入了專業(yè)實(shí)踐方面的要求，為問題解決和溝通方面的成果取得打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在課程中，學(xué)生反復(fù)地設(shè)計(jì)和構(gòu)建各種問題解決方案，這能極大地激勵(lì)他們審視所構(gòu)建和開展的設(shè)計(jì)。

在條件受限下的設(shè)計(jì)能力是設(shè)計(jì)工程師必備的技能[7]。在課程中，條件受限并不是將設(shè)計(jì)任務(wù)與外部隔絕，而是指真正的資源限制，如原材料和勞動(dòng)力的有限預(yù)算、材料供應(yīng)、施工簡(jiǎn)便性、項(xiàng)目期限等。

溝通是所有設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)基本技能[8]。該課程要求學(xué)生與實(shí)驗(yàn)室管理人員、加工人員和材料供應(yīng)商交流和溝通。對(duì)于設(shè)計(jì)而言，須滿足客戶（這里指實(shí)驗(yàn)室管理人員）的需求，并把需求用工程化語言予以表達(dá)。最終，加工人員將工程用語轉(zhuǎn)化為實(shí)物產(chǎn)品。每個(gè)對(duì)象（實(shí)驗(yàn)室管理人員、加工人員和材料供應(yīng)商）間的交流對(duì)于生產(chǎn)滿足所需求的產(chǎn)品，都必不可少。這種交流完全有別于傳統(tǒng)的學(xué)生與教師間的交流。團(tuán)隊(duì)合作也是工程師的另一項(xiàng)基本技能。學(xué)生被分成設(shè)計(jì)組以及小組，要求參與制定實(shí)施計(jì)劃并進(jìn)行上述溝通;在加工階段參與修改設(shè)計(jì)、測(cè)試設(shè)計(jì);參與編寫操作指南及撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。

三、設(shè)計(jì)課程的專業(yè)實(shí)踐性實(shí)施

專業(yè)實(shí)踐性的實(shí)施分為兩個(gè)階段，第一階段是在2015年下半學(xué)期的“給水處理課程設(shè)計(jì)”中進(jìn)行。三組學(xué)生設(shè)計(jì)并構(gòu)建了三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，用于在后面的學(xué)期中對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)。有6名學(xué)生作為第一組，設(shè)計(jì)了一個(gè)模型沉淀池;7名學(xué)生作為第二組，設(shè)計(jì)了一個(gè)模型過濾池;另12名學(xué)生作為第三組，設(shè)計(jì)制作以地表水為水源的給水處理廠模型（簡(jiǎn)稱給水處理廠模型）。在此情況下，客戶就是環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室管理人員。為了簡(jiǎn)潔起見，本文只對(duì)第三個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)（給水處理廠模型）進(jìn)行詳細(xì)討論。此組中的學(xué)生被分成四小組，并承擔(dān)相應(yīng)的任務(wù)分工，如表1所示。

針對(duì)第三組的設(shè)計(jì)任務(wù)，給定了限制條件，包括：所有處理單元能按理論課參考書中的典型設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行縮放;必須設(shè)計(jì)成以聚合氯化鋁作為混凝劑的傳統(tǒng)處理工藝，處理黃浦江水;必須利用現(xiàn)有的泵輸送原水和混凝劑;絮凝池、沉淀池、濾池、清水池須合理設(shè)計(jì)，每個(gè)處理單元必須合理縮放以適應(yīng)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，并加以集成以最大限度地保證工藝處理效率;絮凝池設(shè)計(jì)必須使用現(xiàn)有的槳軸密封;沉淀池須設(shè)計(jì)成斜板式，并有入口和出口區(qū)，斜板可更換，且沉淀池必須有出水堰，讓水通過重力作用進(jìn)入濾池;絮凝池和沉淀池應(yīng)建為一個(gè)整體，通過適當(dāng)?shù)那婪蛛x;處理廠的坡度必須由水通過重力作用經(jīng)由每一處理單元來確定;濾池須根據(jù)可接受的濾速來確定，須有一個(gè)設(shè)有隔離閥的反洗水槽;清水池需采用二氧化氯作為消毒劑，并布有余氯量探頭;所有容器必須采用有機(jī)玻璃搭建。

為了培養(yǎng)學(xué)生的時(shí)間安排與管理，要求學(xué)生提供一個(gè)完成設(shè)計(jì)任務(wù)目標(biāo)的計(jì)劃，如表2所示，學(xué)生需在第5周項(xiàng)目結(jié)束時(shí)提交設(shè)計(jì)規(guī)范，以確保加工人員能有足夠的時(shí)間建造模型。定時(shí)提交也可使一些小組能進(jìn)行即時(shí)學(xué)習(xí)。此外，學(xué)生需自學(xué)一些必要的設(shè)計(jì)材料，以學(xué)會(huì)如何獨(dú)立發(fā)現(xiàn)問題，這是培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)能力的第一步。

設(shè)計(jì)的總成績(jī)主要由教師的評(píng)價(jià)決定，并參考學(xué)生的評(píng)價(jià)。但是，每一個(gè)小組成員的工作和工作質(zhì)量都由組內(nèi)其他同學(xué)評(píng)價(jià)，并根據(jù)他們的評(píng)價(jià)進(jìn)行調(diào)整。

第二階段在2016年下半學(xué)期的“給水處理課程設(shè)計(jì)”中進(jìn)行。在這次課程中，同樣人數(shù)的學(xué)生被分成小組，重復(fù)進(jìn)行“第二次”的常規(guī)地表水為水源的給水處理廠模型的設(shè)計(jì)和加工。這一次要求與之前的環(huán)境實(shí)驗(yàn)室管理人員、加工人員、材料供應(yīng)商進(jìn)行交流。此次課程中學(xué)生需慎重地考慮采用先進(jìn)的飲用水處理過程，如溶解空氣氣浮，多介質(zhì)、高負(fù)荷過濾。更重要的是，學(xué)生有機(jī)會(huì)更全面地思考環(huán)境工程設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)過程。

四、結(jié)果與評(píng)價(jià)

（一）第一階段

下頁(yè)表3列出了約20名學(xué)生和教師對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)的評(píng)價(jià)。其中撰寫任務(wù)包括最終設(shè)計(jì)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告概述了設(shè)計(jì)的理論和構(gòu)筑物計(jì)算方面問題，實(shí)驗(yàn)室報(bào)告描述了模型測(cè)試的結(jié)果，以及概述之后的學(xué)期中使用該模型教學(xué)的程序。學(xué)生平均成績(jī)是期末進(jìn)行匿名調(diào)查獲得的。學(xué)生和教師的分?jǐn)?shù)基于0～100的分值范圍，100是最高的評(píng)價(jià)。教師評(píng)分乘以一個(gè)適當(dāng)?shù)臋?quán)重，得到每一類別加權(quán)教師評(píng)分，其總和在0～100區(qū)間。

總體上看，盡管本次設(shè)計(jì)任務(wù)中學(xué)生總成績(jī)沒有評(píng)定為優(yōu)秀（即A級(jí)），但學(xué)生經(jīng)過本課程后，設(shè)計(jì)能力有了明顯的提高。設(shè)計(jì)的受限條件得到滿足，但在設(shè)計(jì)中也存在不足，特別是各分組間明顯缺乏足夠有效的交流，未能解決設(shè)計(jì)過程中教師提出的意見，且與加工人員交流不充分。例如，沉淀池的尺寸與過濾池不匹配。這些不足與其他文獻(xiàn)報(bào)道中的相類似[9]。給水處理廠模型在測(cè)試時(shí)，在一些構(gòu)筑物中出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，大部分學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到這些問題。如表3所示，學(xué)生們對(duì)交流的打分遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)過程的其他方面，這表明他們意識(shí)到缺乏有效溝通會(huì)影響設(shè)計(jì)的產(chǎn)品性能。

（二）第二階段

在2016年下半學(xué)期的“給水處理課程設(shè)計(jì)”中，學(xué)生首先得認(rèn)真弄明白之前設(shè)計(jì)的過程及加工的模型，汲取經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。針對(duì)第一階段存在的交流方面的問題，在這一階段進(jìn)行重點(diǎn)交流，并加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)的管理。為了確保設(shè)計(jì)組內(nèi)的充分交流，加強(qiáng)了外部監(jiān)督，讓學(xué)生在學(xué)期內(nèi)多次向?qū)嶒?yàn)室管理人員簡(jiǎn)要介紹設(shè)計(jì)進(jìn)展，并在設(shè)計(jì)任務(wù)完成時(shí)總結(jié)匯報(bào)。此外，進(jìn)行多次檢查和協(xié)調(diào)，以使教師的指導(dǎo)意見在設(shè)計(jì)中被采納。學(xué)生們雖然意識(shí)到設(shè)計(jì)的重復(fù)性特點(diǎn)，但在第一階段這沒有得到足夠的重視。增加實(shí)驗(yàn)室管理人員和學(xué)生之間的接觸，可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到重復(fù)性在設(shè)計(jì)中的重要地位。學(xué)生還需要與加工人員定期交流（在加工階段每周都進(jìn)行）。為了提高學(xué)生的時(shí)間管理能力，幫助其確定優(yōu)先事項(xiàng)，將每個(gè)任務(wù)評(píng)定等級(jí)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)提供給學(xué)生，讓其認(rèn)識(shí)到提交特定任務(wù)的“關(guān)鍵”環(huán)節(jié)。表4所示為提供給學(xué)生的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

在第二階段設(shè)計(jì)任務(wù)完成后，最大限度地減少了沉淀池、濾池的堵塞以及從絮凝池到沉淀池間絮體的破碎。學(xué)生們還將改進(jìn)的濾池反沖洗系統(tǒng)融入設(shè)計(jì)修訂中。此外，設(shè)計(jì)的受性條件均可滿足，技術(shù)層面上取得了更好的結(jié)果。每一工藝流程單元的大小現(xiàn)在可以與縮放的常規(guī)水處理裝置相媲美。學(xué)生和教師對(duì)交流方面的評(píng)價(jià)在第二階段更為一致，這主要是教師評(píng)價(jià)交流方面的積極性明顯提高。評(píng)分準(zhǔn)則還有助于學(xué)生關(guān)注設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

另外，在完成設(shè)計(jì)任務(wù)后，要求學(xué)生總結(jié)收獲。如表5所示，他們認(rèn)為已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，并且認(rèn)可開放式設(shè)計(jì)，贊同按設(shè)計(jì)來進(jìn)行產(chǎn)品構(gòu)建。此外，有些學(xué)生認(rèn)可有重新審視設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，這是本設(shè)計(jì)課程的主要目的之一。

五、結(jié)論

本文以兩個(gè)階段的“給水處理課程設(shè)計(jì)”（大四第

一學(xué)期課程）為依托，開發(fā)和實(shí)施將專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)相結(jié)合的流程，評(píng)價(jià)結(jié)果表明這一流程效果良好，學(xué)生們從許多新的方面理解設(shè)計(jì)過程，在這一重復(fù)性設(shè)計(jì)的經(jīng)歷中增加技能。在這過程中，學(xué)生與實(shí)驗(yàn)室管理人員、加工人員、材料供應(yīng)商的交流，完全有別于傳統(tǒng)的師生間交流，這對(duì)提高他們的工程設(shè)計(jì)能力非常重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]"Montoya"L"D，Komisar"S.Introduction"to"engineering"design"through"environmental"projects[C]∥Proceedings"of"the"2006"ASEE"Annual"Conference"and"Exposition.Chicago，Illinois：American"Society"for"Engineering"Education，2006：841-853.

[2]"柴春鏡.環(huán)境工程專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）教學(xué)改革的探討[J].山東化工，2017，46（2）：85-87.

[3]"Dewoolkar"M，Hayden"N，Rizzo"D.Incorporating"servicelearning"projects"within"the"civil"and"environmental"engineering"capstone"design"course[C]∥Proceedings"of"the"ASEE"Northeast"Section"Conference.Norwich：Norwich"University，2013.

[4]"凌琪.結(jié)合工程實(shí)際，改革環(huán)境工程本科專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)[J].中國(guó)西部科技，2010，9（16）：78-79.

[5]"韓嚴(yán)和，陳家慶.工程教育認(rèn)證下環(huán)境工程專業(yè)建設(shè)改革探索[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2017（9）：48-50.

[6]"李寧杰，解慶林，黃亮亮.基于2015版工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對(duì)環(huán)境工程專業(yè)畢業(yè)要求的制定與評(píng)價(jià)過程的思考[J].教育教學(xué)論壇，2017（8）：205-206.

[7]"閔敏，孫新華，丁成.應(yīng)用型本科環(huán)境工程專業(yè)課程設(shè)計(jì)初探[J].科技信息，2012（28）：47，50.

[8]"秦曉海.環(huán)境工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)方法探討[J].中國(guó)冶金教育，2012（5）：15-17.

[9]"馬萬征，鄒海明，汪建飛，等.基于卓越工程師計(jì)劃的環(huán)境工程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)教學(xué)改革的研究[J].廣東化工，2015，42（19）：228，230.

（編輯："程愛婕）