張瑞君，吳曉波，張志強，田家宇

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074；3.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

中國作為全世界唯一擁有聯(lián)合國產(chǎn)業(yè)分類中所列全部工業(yè)門類的國家［1］，系統(tǒng)而完善的工業(yè)體系保證了社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，有力地維護了國家安全，其中工業(yè)水處理技術(shù)對于當代工業(yè)體系的安全運轉(zhuǎn)與穩(wěn)步發(fā)展發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

在國內(nèi)高校的人才培養(yǎng)體系中，給排水科學(xué)與工程專業(yè)為我國水處理行業(yè)提供了核心人才支撐［2］。然而，國內(nèi)高校的人才培養(yǎng)方案目前仍然將傳統(tǒng)的市政給水處理和市政污水處理作為學(xué)習(xí)的重點內(nèi)容，并未對工業(yè)水處理這一契合時代發(fā)展的議題予以足夠的重視［3］。以筆者所在的河北工業(yè)大學(xué)為例，給排水科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)于2007年，但從專業(yè)開設(shè)之初至2019年的12年間一直沒有設(shè)置“工業(yè)水處理”這一課程，難以滿足新時代產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級對給排水專業(yè)人才的知識結(jié)構(gòu)與能力需求。滿足行業(yè)人才需求是給排水科學(xué)與工程專業(yè)的責(zé)任與使命［2］，因此，筆者從2019年開始著手講授“工業(yè)水處理”這一課程，經(jīng)過三年的探索與實踐，首次提出了“CUEMC”人才培養(yǎng)理念，并以此為指導(dǎo)推進了“工業(yè)水處理”課程教學(xué)改革，將教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置、教學(xué)組織的安排和實際應(yīng)用需求作為一個有機的整體進行綜合考慮，取得了良好的教學(xué)效果。本文將在回顧現(xiàn)實問題的基礎(chǔ)上系統(tǒng)介紹該人才培養(yǎng)理念的內(nèi)涵與教學(xué)模式的實施方式。

一、國內(nèi)“工業(yè)水處理”課程教學(xué)的現(xiàn)實問題

（一）缺乏契合時代發(fā)展要求的高質(zhì)量教材

傳統(tǒng)的高校課程內(nèi)容設(shè)置依照于教材的選用，筆者在調(diào)研之后發(fā)現(xiàn)目前市場上與工業(yè)水處理這一主題相關(guān)的教材主要包括朱月海主編的《工業(yè)給水處理》、周本省主編的《工業(yè)水處理技術(shù)》、楊敏等主編的《工業(yè)廢水處理與資源化技術(shù)原理及應(yīng)用》和趙慶良主編的《特種廢水處理技術(shù)》，然而前兩本只涉及工業(yè)給水處理技術(shù)，而后兩本則僅涵蓋部分門類工業(yè)廢水處理技術(shù)。王文東等在2017年編撰出版了同時包含工業(yè)給水處理和工業(yè)廢水處理的《工業(yè)水處理技術(shù)》一書，但該書目前并未得以推廣。

（二）課程的教學(xué)目標不夠準確

安徽建筑大學(xué)的教學(xué)大綱將“工業(yè)水處理”定義為一門研究工業(yè)廢水處理方法的課程［4］，但事實上，工業(yè)水處理不僅包括工業(yè)廢水的處理，還應(yīng)該覆蓋工業(yè)用水的處理，特別是在現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展的今天，以半導(dǎo)體/芯片加工為代表的諸多行業(yè)用水標準遠高于生活飲用水衛(wèi)生標準，工業(yè)給水的水質(zhì)直接影響著工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量與成品率。此外，筆者在參閱多所高校的課程目標后發(fā)現(xiàn)，具有運行設(shè)計、施工調(diào)試、維護管理等方面的能力被列為“工業(yè)水處理”課程的教學(xué)目標之一，但從目前的高校教學(xué)過程來看，這一目標的實現(xiàn)顯然是不現(xiàn)實的，有限的課程學(xué)時和傳統(tǒng)的校內(nèi)教學(xué)顯然無法在運行設(shè)計、施工調(diào)試、維護管理等方面給予學(xué)生足夠的歷練。

二、“CUEMC”人才培養(yǎng)理念的提出

基于上述國內(nèi)“工業(yè)水處理”教學(xué)的現(xiàn)實問題，為了滿足新時代產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級對給排水專業(yè)人才的知識結(jié)構(gòu)與能力需求，筆者以解決實際工程問題的工具為核心，首次提出了“認識工具（to recognize the tools）—理解工具（to understand the tools）—使用工具（to employ the tools）—改良工具（to modify the tools）—創(chuàng)造工具（to create the tools）”的5層次遞進式人才培養(yǎng)理念（如圖1所示），并將其簡稱為“CUEMC”。其中第1層次（認識工具）是指要確保學(xué)生明確不同工業(yè)水處理技術(shù)能夠解決的問題；第2層次（理解工具）則要求教學(xué)過程可以確保學(xué)生理解不同工業(yè)水處理技術(shù)的工作原理；第3層次（使用工具）意為能夠保證學(xué)生可以學(xué)會使用現(xiàn)有的工業(yè)水處理技術(shù)去解決不同的工業(yè)水質(zhì)問題；第4層次（改良工具）意味著學(xué)生能夠?qū)ΜF(xiàn)有的水處理技術(shù)提出改進建議，以提高其處理效能；第5層次（創(chuàng)造工具）則是要學(xué)生能夠提出全新的水處理技術(shù)，以更好地解決工業(yè)水處理問題。上述5個層次呈現(xiàn)進階關(guān)系，主張實際的教學(xué)過程要確保學(xué)生達到前3個層次，并力爭向后2個層次演進發(fā)展。

圖1 “CUEMC”人才培養(yǎng)理念

三、基于“CUEMC”理念的“工業(yè)水處理”教學(xué)設(shè)計

（一）構(gòu)筑工業(yè)水處理技術(shù)“工具箱”

部分高校的教師認為工業(yè)水處理中所采用的多數(shù)處理技術(shù)在“水質(zhì)工程學(xué)”中已有涉及，但這些舊的知識理論在新的工業(yè)水處理中具有不同的應(yīng)用特征，圍繞這些區(qū)別和聯(lián)系，由學(xué)生展開討論與分析正是高階性教學(xué)所追求的目標。例如，目前的市政污水處理廠主要以好氧和厭氧生物處理技術(shù)為核心，因此有關(guān)物化和化學(xué)處理技術(shù)容易在“水質(zhì)工程學(xué)”的授課過程中被教師和學(xué)生所輕視，筆者在教學(xué)中也確實發(fā)現(xiàn)學(xué)生對物化和化學(xué)技術(shù)的相關(guān)知識原理掌握情況較差。然而，物化與化學(xué)處理技術(shù)卻在工業(yè)用水凈化與工業(yè)廢水處理中發(fā)揮著極其重要的作用。

此外，近10年我國高校的新入職教師幾乎全部為博士畢業(yè)生，這些青年科研工作者同時肩負著科研與教學(xué)任務(wù)，工業(yè)水處理過程涉及膜分離技術(shù)、高級氧化技術(shù)等前沿水處理理論與技術(shù)，與諸多水處理行業(yè)青年科研人員的課題研究均有內(nèi)容交叉，這為科研進展引入本科生教學(xué)提供了便利條件，有望實現(xiàn)以科研反哺教學(xué)并拓寬本科生的學(xué)術(shù)視野。例如，筆者的研究領(lǐng)域為膜法水處理技術(shù)，在講授膜分離技術(shù)時就可以帶領(lǐng)學(xué)生前往實驗室進行實地參觀，并把各種不同功能的膜材料樣品真實地展示給學(xué)生，同時還可以通過講述某一科研成果的發(fā)現(xiàn)過程來激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。事實證明，這一過程極大地加深了學(xué)生對膜分離技術(shù)的理解。因此，篩選關(guān)鍵知識工具，構(gòu)建工業(yè)水處理技術(shù)“工具箱”是優(yōu)化“工業(yè)水處理”課程的首要任務(wù)。

基于上述考慮，筆者以工業(yè)水處理中的主要水質(zhì)問題為導(dǎo)向，在梳理經(jīng)典教材中有關(guān)工業(yè)水處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過緊扣行業(yè)發(fā)展趨勢與水處理技術(shù)最新科研進展來拓展教學(xué)內(nèi)容，將近5年科研論文中所涉及的新型、實用技術(shù)理論與之結(jié)合，形成了囊括預(yù)處理技術(shù)、常規(guī)分離技術(shù)、膜分離技術(shù)、生物處理技術(shù)、高級氧化技術(shù)和化工分離技術(shù)共計6類關(guān)鍵技術(shù)的“工具箱”（如圖2所示），確保該“工具箱”中的知識工具能夠解決工業(yè)水處理中面臨的諸多水質(zhì)問題。此外，還將行業(yè)期刊（《工業(yè)水處理》《水處理技術(shù)》《中國給水排水》等）作為教學(xué)內(nèi)容的有益補充，在每一次課結(jié)束時向?qū)W生推薦一篇與本課內(nèi)容高度相關(guān)的科研論文作為課后學(xué)習(xí)材料，以體現(xiàn)知識的應(yīng)用價值和前沿特性。

圖2 工業(yè)水處理技術(shù)“工具箱”

（二）搭建工業(yè)水質(zhì)問題場景

隨著京津冀一體化戰(zhàn)略的持續(xù)推進，首都的大量工業(yè)企業(yè)遷移進入了河北省與天津市［5］，而河北工業(yè)大學(xué)作為一所坐落于天津的三方共建高校，理應(yīng)為這一時代變遷過程中的人才需求提供強力支撐，工業(yè)水處理正是一個關(guān)鍵的著力點。實際的工業(yè)水處理項目設(shè)計通常出自設(shè)計院或環(huán)保公司的設(shè)計部門之手，設(shè)計的過程體現(xiàn)著相關(guān)設(shè)計人員的思維特征與工藝偏好。因此，通過對典型水處理工程案例進行研討與分析，可以更為深入地理解其設(shè)計思路。一方面學(xué)習(xí)其所長，由此啟發(fā)學(xué)生解決實際工業(yè)水處理問題的設(shè)計思維；另一方面亦可指出其不足，從而提出相應(yīng)的改進措施，并可將此改進措施反饋給企業(yè)，切實做到從工程案例中來、到工程案例中去。因此，構(gòu)建面向京津冀地區(qū)不同行業(yè)的工業(yè)水質(zhì)問題場景是推進“工業(yè)水處理”課程質(zhì)量提升的另一關(guān)鍵舉措。

為此，筆者通過對京津冀地區(qū)包括鋼鐵、制藥、采油、石化、電力、食品、煤化工、半導(dǎo)體行業(yè)相關(guān)的8家不同企業(yè)進行調(diào)研（如圖3所示），總結(jié)其工業(yè)給水和工業(yè)廢水處理中面臨的問題以及目前的解決方案，隨后將這8個行業(yè)的工業(yè)水處理案例構(gòu)建為8個水質(zhì)問題場景，具體包括3個工業(yè)給水處理問題場景（電子級純水制備、鋼廠冷卻水處理與電廠循環(huán)水處理）和5個工業(yè)廢水處理問題場景（啤酒廢水處理、煤制氣廢水處理、抗生素廢水處理、海上采油廢水處理以及丙烯合成廢水處理）。在實際的教學(xué)過程中，將這8個水質(zhì)問題場景逐次呈現(xiàn)給學(xué)生，使其扮演水質(zhì)工程師的角色，引導(dǎo)并輔助其利用上文所述的工業(yè)水處理技術(shù)“工具箱”對各類問題進行解決。通過實際的工程案例來讓學(xué)生切實理解課題所學(xué)知識是如何在實際的工業(yè)水處理中發(fā)揮作用的，這樣既可以促進抽象的理論知識形象化，做到學(xué)以致用，又可以讓學(xué)生意識到自己所學(xué)知識的重要性，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高其學(xué)習(xí)積極性。

圖3 工業(yè)水質(zhì)問題場景及企業(yè)地點分布

四、基于“CUEMC”理念的“工業(yè)水處理”教學(xué)過程與考核

教學(xué)設(shè)計以教師為主體完成，但如何在不同的水質(zhì)問題場景下選用恰當?shù)墓ぞ呷ソ鉀Q工業(yè)水處理問題卻需要學(xué)生主體去完成。因此，如何填平“工具箱”與問題場景之間的鴻溝是獲得良好教學(xué)效果的關(guān)鍵著力點，也是體現(xiàn)以學(xué)生為中心的理念所在。為此，筆者在教學(xué)過程中設(shè)計了“兩步走”策略：第一步是講授“工具箱”所述的6類工業(yè)水處理關(guān)鍵技術(shù)。該過程以課堂教學(xué)為主，通過板書、多媒體以及實物展示等多種方式推進教學(xué)，同時構(gòu)建基于雨課堂的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔助平臺，專門制作符合手機屏幕顯示特征的課件便于學(xué)生的課后復(fù)習(xí)。利用雨課堂來發(fā)布課后習(xí)題和拓展學(xué)習(xí)資料，由此達到前文所述的第1層次（認識工具）和第2層次（理解工具）目標。第二步則是將前文所述的8個水質(zhì)問題場景逐次呈現(xiàn)給學(xué)生。在每次呈現(xiàn)時均將全部學(xué)生劃分包含8人的工程師小組，并將這一部分的授課地點改為智慧教室，每個工程師小組均可在智慧教室內(nèi)圍桌而坐以便于討論，同時攜帶電腦用于資料的隨手查詢。此時教師的主要任務(wù)則是引導(dǎo)并輔助學(xué)生利用“工具箱”中的各類工業(yè)水處理工具去解決不同水質(zhì)問題場景中的工業(yè)水處理問題，通過這樣的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練過程，可以達到前文所述的第3層次（使用工具）目標，并在此過程中啟發(fā)并引導(dǎo)學(xué)生向第4層次（改良工具）和第5層次（創(chuàng)造工具）目標進行沖擊。

課程的考核應(yīng)該和課程的教學(xué)特點相適應(yīng)。基于上述“工業(yè)水處理”教學(xué)方式的變革，筆者設(shè)計了注重過程評價的考核方式，其中平時成績與期末成績各占50%。平時成績主要考查學(xué)生對知識原理的掌握情況、應(yīng)用所學(xué)知識解決工程問題的實踐能力、口頭和文字表達能力以及團隊合作能力，分數(shù)由雨課堂課后習(xí)題作答情況、課堂研討中學(xué)生自評、同學(xué)評價和教師評價共同決定。期末考核則通過提交結(jié)課論文的方式來完成，要求每名學(xué)生自行選定一個工業(yè)水處理主題撰寫一篇綜述類文章，根據(jù)所交結(jié)課論文的質(zhì)量進行打分，打分依據(jù)是論文的完整性、合理性、原創(chuàng)性以及學(xué)術(shù)規(guī)范性。對于部分撰寫水平較高的原創(chuàng)論文，在經(jīng)過教師的進一步指導(dǎo)完善后嘗試發(fā)表于相關(guān)的學(xué)術(shù)期刊。這種考核方式有效地提高了學(xué)生的課堂參與度，并可引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮其創(chuàng)造力。

結(jié)語

為了提升給排水科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)能力，筆者針對工業(yè)水處理技術(shù)的時代發(fā)展特征與現(xiàn)實問題首次提出了“CUEMC”人才培養(yǎng)理念，并以此為指導(dǎo)推進了“工業(yè)水處理”課程教學(xué)改革。需要指出的是，本文所述的教學(xué)方案并非定式。鑒于工業(yè)水處理技術(shù)與市政污水和自來水處理技術(shù)的顯著不同之處是其豐富多樣且快速更新的應(yīng)用與發(fā)展特點，“工業(yè)水處理”課程的教學(xué)內(nèi)容亦應(yīng)該以年為單位進行動態(tài)調(diào)整，且體現(xiàn)出不同地方高校的區(qū)域與行業(yè)特征，避免走上傳統(tǒng)教學(xué)模式的僵化老路。