系統(tǒng)性“大工程”實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建探究
——以給排水科學(xué)與工程專業(yè)為例

尤永軍 李發(fā)永 王 閃

在“新工科”背景下，各高校在給排水科學(xué)與工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案中，經(jīng)常提到“提升工程能力”“面向復(fù)雜工程問(wèn)題”等內(nèi)容，致力于培養(yǎng)具備工程實(shí)踐能力的畢業(yè)生。在給排水專業(yè)教學(xué)中，解決以“綜合性、多樣性、跨學(xué)科交融”為特征的復(fù)雜工程問(wèn)題[1]，必須深刻認(rèn)識(shí)到客觀事物的多方面聯(lián)系、發(fā)展變化性，運(yùn)用系統(tǒng)思維，把水資源利用的各個(gè)環(huán)節(jié)連成整體“大工程”。不僅要在理論教學(xué)方面增加內(nèi)容，更要從實(shí)踐教學(xué)方面，使學(xué)生的思維從簡(jiǎn)單的工程認(rèn)知跨越到系統(tǒng)性認(rèn)知上。

本文從“新工科”人才培養(yǎng)的角度，以培養(yǎng)和提升給排水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)性思維為導(dǎo)向，系統(tǒng)地整合專業(yè)課程體系，篩選工程內(nèi)容，構(gòu)建“給排水科學(xué)與工程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)”。旨在使學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)，動(dòng)手搭建系統(tǒng)性工程模型，參與水資源開(kāi)放利用建設(shè)全過(guò)程，具備規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等環(huán)節(jié)的實(shí)踐能力，培養(yǎng)具有系統(tǒng)性思維的大學(xué)生，更好地達(dá)成給排水科學(xué)與工程專業(yè)的工科人才培養(yǎng)目標(biāo)[2]。

一、給排水科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀

作為工科專業(yè)，給排水科學(xué)與工程專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)致力于營(yíng)造良好的工程環(huán)境，建立合理完善的實(shí)踐教育體系，培養(yǎng)出高素養(yǎng)的創(chuàng)新型、應(yīng)用型高等技術(shù)綜合人才[3]。其實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，按功能目標(biāo)要求可分為基本技能訓(xùn)練、專業(yè)技能培養(yǎng)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)三個(gè)層次[4]。通過(guò)集中性實(shí)踐教學(xué)如課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)，大多數(shù)學(xué)生可以達(dá)到第一、二層次的培養(yǎng)目標(biāo)，但第三層次的目標(biāo)需要通過(guò)第二課堂、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，覆蓋面小。對(duì)于工科專業(yè)教師而言，如何在有限的集中性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，培養(yǎng)學(xué)生工程思維，鍛煉其工程能力，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新，是關(guān)系到工科專業(yè)人才培養(yǎng)和教學(xué)質(zhì)量提升的關(guān)鍵內(nèi)容。以塔里木大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)為例，從目前的給排水教學(xué)方式看，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，增加實(shí)習(xí)基地，已經(jīng)使實(shí)踐教學(xué)體系得到了很大改善，但仍然存在三個(gè)方面的問(wèn)題。

（一）學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的聯(lián)系認(rèn)知不夠

對(duì)于給排水科學(xué)與工程專業(yè)而言，水資源的利用全過(guò)程涉及取水、送水、用水、排水等必要環(huán)節(jié)，理論知識(shí)主要通過(guò)泵與泵站、水質(zhì)工程學(xué)、建筑給水排水工程、給排水管網(wǎng)系統(tǒng)、給水排水工程施工、水工藝設(shè)備等專業(yè)課來(lái)獲得，實(shí)踐能力通過(guò)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)得到鍛煉。由于專業(yè)課分布在不同的學(xué)期，學(xué)生在以往的學(xué)習(xí)中往往缺乏系統(tǒng)性思維，不能很好地掌握課程與課程之間的聯(lián)系，很難把理論知識(shí)與實(shí)踐內(nèi)容對(duì)應(yīng)起來(lái)，存在理論知識(shí)豐富而實(shí)踐能力不足的問(wèn)題。

（二）課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)教學(xué)效果不理想

雖然多數(shù)學(xué)生可以順利完成課程設(shè)計(jì)，但在面對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，往往存在工程設(shè)計(jì)銜接不暢、設(shè)計(jì)片面、綜合性不足的問(wèn)題[5]。如在設(shè)計(jì)水廠時(shí)，盡管已經(jīng)做過(guò)泵站設(shè)計(jì)，學(xué)生依然不清楚泵站放在什么位置，揚(yáng)程如何確定，水廠內(nèi)管道材質(zhì)、埋深應(yīng)該如何選擇等。比如在建筑給排水工程時(shí)，很多學(xué)生只知道管道穿越樓板的走線方向，卻不清楚過(guò)墻的處理方式，認(rèn)為管道可以穿越承重墻、無(wú)須考慮穿墻的防水處理等，設(shè)計(jì)成果問(wèn)題百出。這些問(wèn)題在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)暴露出來(lái)后，需要指導(dǎo)教師進(jìn)行系統(tǒng)性指導(dǎo)，才能使其認(rèn)識(shí)并理解實(shí)踐與理論知識(shí)之間的聯(lián)系，形成較為完整的設(shè)計(jì)成果。

（三）學(xué)生對(duì)給排水工程的組成不明確

給排水科學(xué)與工程專業(yè)涉及的實(shí)踐環(huán)節(jié)主要包括實(shí)驗(yàn)課程（基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)）、課程設(shè)計(jì)（水質(zhì)工程學(xué)、建筑給水排水與管網(wǎng)）和實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)（認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)與畢業(yè)實(shí)習(xí)）三類(lèi)。在培養(yǎng)過(guò)程中工程實(shí)踐內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立且陳舊，導(dǎo)致學(xué)生難以發(fā)現(xiàn)各實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)在聯(lián)系，缺少整體意識(shí)，不能很好地運(yùn)用整體思維來(lái)解決復(fù)雜的工程問(wèn)題，當(dāng)面對(duì)實(shí)際給排水工程問(wèn)題時(shí)仍然感到棘手[6]。尤其是在傳統(tǒng)形式的課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求學(xué)生看書(shū)籍或電子圖紙認(rèn)識(shí)設(shè)備、建（構(gòu)）筑物，再利用CAD（Computer Aided Drafting）軟件來(lái)繪圖，完成水廠總平面圖、高程圖和建（構(gòu)）筑物圖等的設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)的要求較低，但很多水廠、泵站等建（構(gòu)）筑物的樣子在學(xué)生腦海中沒(méi)有形成概念，導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)知嚴(yán)重不足，設(shè)計(jì)出的圖紙達(dá)不到初步擴(kuò)大設(shè)計(jì)的程度，與實(shí)際工程存在很大差距。因此，采用單純的說(shuō)明書(shū)、圖紙作為課程設(shè)計(jì)的成果，實(shí)踐教學(xué)效果十分有限，達(dá)不到培養(yǎng)或提高學(xué)生工程能力、實(shí)踐應(yīng)用能力的目標(biāo)。

針對(duì)以上問(wèn)題，在“新工科”工程教育大背景下，梳理專業(yè)課在系統(tǒng)性工程中所處的位置，篩選重要工程知識(shí)信息，突出課程設(shè)計(jì)內(nèi)容之間的聯(lián)系，改進(jìn)課程設(shè)計(jì)實(shí)施環(huán)節(jié)和評(píng)價(jià)體系，形成“大工程”課程教學(xué)群，由單獨(dú)的課程設(shè)計(jì)變?yōu)橄到y(tǒng)性工程設(shè)計(jì)，以突出整體性、連續(xù)性，使專業(yè)課教學(xué)尤其是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)系統(tǒng)性更強(qiáng)[7-8]，對(duì)增強(qiáng)學(xué)生的設(shè)計(jì)本領(lǐng)、提升學(xué)生的系統(tǒng)性思維至關(guān)重要。

二、系統(tǒng)性“大工程” 實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

（一）明確實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建原則

在“新工科”建設(shè)背景下，應(yīng)用型給排水科學(xué)與工程專業(yè)人才的知識(shí)和能力結(jié)構(gòu)要求，應(yīng)以培養(yǎng)工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力為總體目標(biāo)[9]。實(shí)踐教學(xué)體系和內(nèi)容設(shè)置，應(yīng)遵循三個(gè)原則[10]。

一是堅(jiān)持系統(tǒng)性思維，遵循整體優(yōu)化的原則構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系。根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，將學(xué)生綜合能力培養(yǎng)貫穿人才培養(yǎng)全過(guò)程，強(qiáng)化各實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)之間的內(nèi)在聯(lián)系。應(yīng)按照學(xué)生所處階段和獲得的知識(shí)與能力，并根據(jù)各環(huán)節(jié)的作用和內(nèi)在聯(lián)系，由淺入深、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜地實(shí)施實(shí)踐環(huán)節(jié)，循序漸進(jìn)地實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合能力的提升。

二是堅(jiān)持能力導(dǎo)向原則，以學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、交流能力和探索精神培養(yǎng)為目標(biāo)。實(shí)踐環(huán)節(jié)不僅是對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，強(qiáng)化其實(shí)踐技能，更要注重學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，開(kāi)發(fā)其內(nèi)在潛能，使其加強(qiáng)合作交流，使知識(shí)理論、工程思想與工程實(shí)踐得以結(jié)合，將學(xué)生從單一狹窄的實(shí)踐活動(dòng)引向多學(xué)科交叉滲透的綜合工程實(shí)踐。

三是加強(qiáng)實(shí)踐設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的質(zhì)量管理，堅(jiān)持評(píng)價(jià)主體多元化、評(píng)價(jià)指標(biāo)合理化、評(píng)價(jià)方式多樣化的原則，做好持續(xù)改進(jìn)。相比于理論教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)難以有效量化，需結(jié)合實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行層層分解，制定詳細(xì)明確且具體化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，注重學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力、實(shí)際問(wèn)題解決能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力等方面的考核，對(duì)學(xué)生綜合能力提升發(fā)揮導(dǎo)向作用。教師可以將過(guò)程性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，對(duì)實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行全程系統(tǒng)化考核，不斷探索和持續(xù)改進(jìn)評(píng)價(jià)體系，達(dá)到良好的實(shí)踐教學(xué)效果。

（二）貫通專業(yè)理論課程體系

在給排水專業(yè)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，泵與泵站、水質(zhì)工程學(xué)、建筑給水排水工程、城市管網(wǎng)系統(tǒng)均設(shè)有課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)，但由于任課教師不同，每一名學(xué)生的不同課程設(shè)計(jì)之間相互獨(dú)立。圍繞“大工程”的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用反向設(shè)計(jì)法，打破原有課程間壁壘，圍繞水基礎(chǔ)、水處理、水輸運(yùn)和水管理四個(gè)主題，重新構(gòu)建“大工程”核心課程群。利用各門(mén)課程理論知識(shí)方面的聯(lián)系，打通各門(mén)課程設(shè)計(jì)的連接點(diǎn)，利用連接點(diǎn)將不同課程設(shè)計(jì)串聯(lián)起來(lái)，形成“系統(tǒng)性大工程”，形成層次分明、聯(lián)系緊密而又相對(duì)完善的綜合性體系。首先，合理編排課程的開(kāi)課時(shí)間，建議開(kāi)課先后順序如下：泵與泵站→水質(zhì)工程學(xué)→城市管網(wǎng)系統(tǒng)→建筑給水排水工程→給水排水工程施工（或水工藝設(shè)備）→水工藝設(shè)備（或給水排水工程施工）。其次，在第一門(mén)課程設(shè)計(jì)發(fā)布時(shí)，將基本信息如地理位置、城市道路、水體圖紙、人口數(shù)據(jù)和用水/排水定額等資料一同發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生根據(jù)每一門(mén)課程設(shè)計(jì)所需要的原始資料進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，不可隨意改變?cè)假Y料。再次，將上一個(gè)課程設(shè)計(jì)得出的水量、水質(zhì)等參數(shù)作為下一個(gè)課程設(shè)計(jì)的依據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)容設(shè)計(jì)。待每一項(xiàng)設(shè)計(jì)完成后，單獨(dú)評(píng)分，并逐步將分項(xiàng)工程的設(shè)計(jì)成果補(bǔ)充進(jìn)“系統(tǒng)性大工程”中。最后，將各門(mén)課程設(shè)計(jì)整合成一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或在已完成的設(shè)計(jì)中完善施工、設(shè)備等內(nèi)容，形成“系統(tǒng)性大工程”設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。可將其作為畢業(yè)實(shí)習(xí)的組成部分，指導(dǎo)教師依據(jù)說(shuō)明書(shū)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性、合理性、完整性和創(chuàng)新性等評(píng)分點(diǎn)給出評(píng)價(jià)。

（三）豐富實(shí)踐設(shè)計(jì)成果形式

以往課程設(shè)計(jì)的成果主要是說(shuō)明書(shū)、設(shè)計(jì)圖紙，為了彌補(bǔ)課程設(shè)計(jì)成果實(shí)踐性不足的問(wèn)題，提高學(xué)生對(duì)泵房、水廠和建（構(gòu)）筑物的認(rèn)知，利用課程設(shè)計(jì)周，要求學(xué)生以組為單位，每組成員承擔(dān)一方面的任務(wù)。利用紙板、PS 塑料板、密度板和膠水等材料，將泵站、水處理建（構(gòu)）筑物以模型的形式制作出來(lái)，模型的形式、大小、結(jié)構(gòu)按統(tǒng)一比例制作，至全部課程學(xué)習(xí)完，形成一個(gè)綜合水廠模型。在布置廠區(qū)道路、管道系統(tǒng)時(shí)，以側(cè)簽的形式展示管道材質(zhì)、管徑、開(kāi)挖方式、管道附件、設(shè)備型號(hào)等信息。教師可考察模型制作的準(zhǔn)確度、美觀性、完整性，以此作為學(xué)生畢業(yè)實(shí)習(xí)成績(jī)?cè)u(píng)定的依據(jù)。

依據(jù)上述步驟形成的綜合模型，可將所有的設(shè)計(jì)成果融合在一起，各單項(xiàng)工程之間的先后順序、銜接關(guān)系一目了然，系統(tǒng)性更強(qiáng)。模型的制作既可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、協(xié)作能力，增強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維和工程觀念，又可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)的理解，使理論與實(shí)踐教學(xué)效果均得到提高[11]。

（四）開(kāi)發(fā)BIM 技術(shù)的構(gòu)筑物模型

在水處理共存設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)成果僅能通過(guò)二維圖紙展示，不能夠形成直觀的成果。這樣會(huì)導(dǎo)致建（構(gòu)）筑物或平面圖上的有關(guān)信息存在建（構(gòu)）筑物型式不對(duì)、布線不合理、結(jié)構(gòu)不明和缺少附件等問(wèn)題，導(dǎo)致圖紙與實(shí)物存在較大偏差。如濾池屬于構(gòu)造較為復(fù)雜的建（構(gòu)）筑物，使用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)方法，由于其中包含的平面和剖面較繁復(fù)，需要處理的問(wèn)題較多。利用BIM（BuildingInformation Modeling）技術(shù)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、建造和管理功能，對(duì)水處理建（構(gòu)）筑物快速建模甚至是做出動(dòng)畫(huà)效果，將復(fù)雜建（構(gòu)）筑物直觀地展示出來(lái)，將有利于提高學(xué)生水廠類(lèi)項(xiàng)目建模效率和整體設(shè)計(jì)效率。

面對(duì)新時(shí)期工程問(wèn)題的復(fù)雜性，具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的工科人才培養(yǎng)工作越來(lái)越受到重視。給排水科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)要始終結(jié)合工程實(shí)際，立足全局，不斷改革實(shí)踐教學(xué)體系，創(chuàng)新工作方法。通過(guò)將系統(tǒng)性較強(qiáng)的專業(yè)課程統(tǒng)一起來(lái)，打通設(shè)計(jì)資料和內(nèi)容，開(kāi)展建（構(gòu)）筑物立體模型的制作等環(huán)節(jié)，提升學(xué)生在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的投入度，拓寬學(xué)生的思路，引導(dǎo)學(xué)生形成系統(tǒng)性思維，以更好地提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。