基于“山水林田湖草生命共同體”理念的“水工藝儀表與控制”課程案例式教學的探索
——以北京林業大學為例

杜子文 張立秋 封 莉 黨 巖

(北京林業大學環境科學與工程學院，北京 100083)

“水工藝儀表與控制”是北京林業大學給排水和環境工程專業的一門基礎課程，其教學目的是幫助學生正確認知水工藝儀表，掌握水處理過程中儀表的基本控制技術，了解各類水處理工藝中儀表的應用方法和控制系統的設置方法。“水工藝儀表與控制”課程教學以生活飲用水處理、廢水處理、城市生活污水處理以及給水排水系統工藝設置流程為核心內容，課程教學與我國生態文明建設倡導的“山水林田湖草生命共同體”理念中的“水”密切相關。

目前，高等林業院校圍繞“山水林田湖草生命共同體”的理念，將與生態環境密切相關的學科和專業都納入了建設的范疇。“水工藝儀表與控制”課程教學雖然缺少與林業相關的內容，但林業建設離不開“水”，“水”也離不開“林”。因此，“水工藝儀表與控制”課程教學應以“山水林田湖草生命共同體”的生態理念為指導，增加與“林”相關的課程教學內容，引導學生樹立環境保護意識，為生態建設培養專業人才。

一、“水工藝儀表與控制”課程教學面臨的問題

(一)學生缺乏對林業生態環境的認知

筆者對“水工藝儀表與控制”課程教學現狀進行了科學分析后發現，學生在學習過程中缺少對生態環境整體概念的認知。他們認為“水工藝儀表與控制”課程知識就是將自動化技術應用到水處理工藝當中，與生態環境關聯不緊密，這導致了學生對專業知識的理解不夠深入，僅停留在對水處理專業技術方面的學習，當面對實際生態環境問題時則無法從生態環境的整體角度提出完善的解決方案。此外，“水工藝儀表與控制”課程教學增加了過渡過程控制、雙位邏輯控制等內容，由于這些內容屬于自動化范疇，與水處理專業技術和林業生態知識的關聯性不強，學生對新增課程內容的學習較為懈怠，甚至產生抵觸情緒[1]。究其原因，正是由于缺少對林業生態環境的認知，導致學生自身知識體系單一且綜合知識儲備不足[2]。

(二)課程教學內容的側重點不符合專業技能培養的要求

在“水工藝儀表與控制”課程教學中，教學內容的安排缺少科學性也是影響教學效果的原因之一。擔任“水工藝儀表與控制”課程教學任務的教師通常是給排水或環境專業的教師，缺少自動化專業背景，因此在教學過程中對水處理工藝的介紹較為全面，而有關自動化技術的講授較為淺顯，教師對生態環境領域自動化的應用需求了解得不深，無法較好地指導學生將自動化知識與水處理技術的實際應用相結合。例如，在教學內容安排上，多數教師將大部分學時用在自動化概念和理論的講授上，如自動化控制原理、模型和算法等，而水處理技術需要的是選擇合適的自動化控制方式和邏輯控制系統，并不需要對理論進行深入的剖析。課程教學內容對學生的指導意義有限，導致給排水和環境專業學生的自動化相關知識儲備不足，學生在面對實際環境問題時無從下手，在一定程度上影響了學生實際工作能力的培養，也無法有效激發學生的學習興趣[3]。

(三)課程教學方法單一

“水工藝儀表與控制”現有的教學方法比較單一，主要采取的是教師講、學生聽的灌輸式教學方法，缺少調動學生自主學習的環節[3]。單向知識傳遞的模式，使課堂教學缺少了討論和互動，導致課堂氣氛沉悶，學生注意力分散，難以用心學習，無法有效地培養學生獨立獲取知識和剖析問題的能力。同時，教師的教學手段也較為單一，主要是通過文字和圖片介紹自動化理論知識，而儀表和自動控制是一個動態的、三維的過程，這種單一的教學手段很難讓學生形成立體的感官認識。因此，如何改變當前教學中教學方法單一的問題，已經成為當前“水工藝儀表與控制”課程急待解決的問題[4-8]。

二、“水工藝儀表與控制”課程實施案例式教學的具體做法

(一)選取與“林”相關的教學案例

廢水處理工藝中的儀表與自動控制是“水工藝儀表與控制”課程教學的重點，筆者在講授這一章節時選取了造紙廢水處理的教學案例，這一案例可以較好地將理論知識與實際應用相結合。造紙是林木工業生產中的典型行業，也是容易造成環境污染的重點行業。在造紙過程中，由于制漿方法、林木原料以及制漿率的不同，其廢水中的污染物有著較大區別，但共同點是都含有大量的難降解的木質素等大分子物質。因為林業院校學生在大一階段的學習中，已經較好地掌握了植物學和林學等相關知識，所以他們可以對造紙廢水組分的特點進行較為準確的分析，并能選擇適宜的水處理工藝和控制儀表以解決造紙廢水的處理問題。通過這一教學案例，可以使學生結合林業基礎知識加深對水工藝儀表與控制專業知識的理解和掌握程度。

在案例教學實施前，筆者通過教學平臺上傳了不同造紙工藝的背景知識和相關文獻資料，讓學生在課前快速了解造紙廢水的來源和性質，為案例教學的開展做好準備。同時將學生分成幾個小組，對典型造紙廢水處理工藝流程進行預習。學生通過網絡收集相關資料，并結合林業相關知識，分析造紙廢水的性質和配套處理工藝的特點；之后各組學生還要根據廢水性質和處理后的達標要求，對比篩選合適的儀表，將儀表信息進行整理；最后基于造紙廢水處理工藝，設計簡略的控制系統，畫出控制框圖，用于課上討論。

在課上，筆者首先講授每個工藝環節可采用的儀表及其安裝位置和適用條件，給出不同儀表的性能和經濟適用性以及評價和篩選的原則。再根據選用的儀表類型和工藝控制要求，講授設計配套控制系統的方法和系統運行的調節手段。在課堂的剩余時間，筆者讓學生以小組為單位進行交流討論，每個小組根據課前準備的相關資料，將自己小組選用的用于處理造紙廢水的儀表和控制系統展示給其他同學。最后，教師對每個小組的展示內容給予建議和評價。

案例教學結束后，筆者將課上的教學案例資料上傳到教學平臺，供學生課下學習。學生也可以通過教學平臺，反饋對案例教學的意見和建議，以幫助教師進一步改進教學方法。

(二)通過典型教學案例豐富課程教學內容

污泥是水處理過程中產生的有機固體物質，既可被視為污染物，又可被視為可資源化的有機養料。現階段污泥處置方法有填埋、焚燒、建材、土地利用等，其中污泥的土地利用是我國應用最為廣泛的一種資源化利用方式。園林綠化、森林用地、苗圃等都是污泥再利用的場所，而水中的有機物也可以污泥有機肥的形式回歸于土壤，污泥的利用正是“山水林田湖草生命共同體”理念的最好體現。

但是，在傳統“水工藝儀表與控制”課程教學中，有關水處理的內容講授得較多，對污泥的處理工藝講授得較少。因此，為了豐富課程教學內容，筆者引入了污泥產品林地利用的教學案例，引導學生從生態環境的宏觀角度去思考問題。污泥產品林地利用的教學案例涉及了污泥濃縮、脫水、熱水解、厭氧消化到最終成為有機肥產品等污泥處理的所有工藝，這些工藝過程又涉及了加藥設備與儀表、壓力儀表、泵與風機控制系統、熱水解和厭氧消化控制系統等自動化內容，有助于學生建立完善的儀表與控制的知識體系。

(三)采取多種教學組織形式開展案例教學

1.以專題的形式

在每個章節的理論知識講授完成后，筆者都會針對所講內容以專題的形式向學生介紹一項有關治水、治山、治林典型案例中的儀表應用與控制技術，通過案例現場錄制的視頻，再輔以三維動畫，將實際案例中相關理論知識生動地展現給學生。在視頻動畫播放過程中，教師可以實時講解有關的知識點，幫助學生了解理論知識在工程實際中的應用方法。同時根據專題內容，設計相關問題，通過提問的方式啟發學生自主思考，以此加深對課程知識的深入理解，提高學生課堂的參與度。

2.以網絡第二課堂的形式

筆者將“水工藝儀表與控制”課程涉及的教學案例及其自動化專業相關的國家精品課程資源上傳到網絡教學平臺，將其作為網絡二課堂的教學內容。學生可自主下載并學習網絡二課堂教學內容。這些教學內容不作為考試內容，但可將學生網絡學習的學時數作為平時成績，以此督促學生開展自主學習。

3.以工程實踐的形式

“水工藝儀表與控制”作為一門應用性較強的課程，單純的理論教學不能讓學生完全理解實際工程中控制系統和儀表的運行情況。因此，在開展案例教學的同時，還應增設實踐環節，讓學生接觸到真實的工程案例，提高學生的實踐能力。例如，在講解污泥林地資源化處理案例時，筆者帶領學生參觀了相關污泥有機肥生產單位或污泥資源化處理單位，現場考察各類儀表在實際工程中的應用方法和控制系統的實操方式。通過工程實踐，學生可以將理論知識與實際應用相結合，培養了學生的實際工程能力。

三、“水工藝儀表與控制”課程實施案例式教學的成效

(一)激發了學生的學習興趣

課程教學結束后，筆者針對北京林業大學環境學院給排水專業已完成了“水工藝儀表與控制”課程學習的大三學生進行了問卷調查，結果顯示，73%的學生對案例式教學給予肯定，50%的學生認為案例式教學提高了他們對課程知識的理解程度，激發了他們對課程學習的熱情。尤其是通過林業工程案例的學習，提高了學生理論聯系實際的能力，增強了學生的專業使命感。

(二)提升了學生解決實際工程問題的能力

課程教學結束后，82%的學生表示對課程學習的意義有了更深的理解。教學案例使他們將所學的林業基礎知識與課程專業知識相結合，并將其應用到實際工程中，培養了學生解決實際工程問題的能力。同時林業教學案例加深了學生對“山水林田湖草生命共同體”理念的理解，使他們能從多維度思考專業問題。