“新工科”理念下給排水科學與工程專業(yè)實踐教學改革探索

薛英文，方正，李江云，劉子正，王弘宇，邵森林

（武漢大學土木建筑工程學院，湖北武漢 430072）

為主動應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家戰(zhàn)略，2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設(shè)，發(fā)布了《教育部高等教育司關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》[1]、《教育部辦公廳關(guān)于推薦新工科研究與實踐項目的通知》[2]、《教育部辦公廳關(guān)于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》[3]，先后形成了“復旦共識”[4]、“天大行動”[5]和“北京指南”[6]，并全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等教育強國建設(shè)。在此背景下，教育部于2017年初提出了“新工科”計劃，旨在培養(yǎng)有跨學科能力和創(chuàng)新能力的新型科技人才，以適應(yīng)未來10～15年新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)發(fā)展中各工程領(lǐng)域“復雜工程問題”的挑戰(zhàn)與需求。要解決復雜工程問題，需要學生參與更多的工程實踐，讓學生全過程了解工程問題，并培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。

《高等學校給排水科學與工程本科指導性專業(yè)規(guī)范》（以下簡稱《專業(yè)規(guī)范》）[7]中除了規(guī)定專業(yè)理論教學外，對本專業(yè)實踐教學與創(chuàng)新教學有明確規(guī)定。《高等學校給排水科學與工程專業(yè)評估認證標準》[8]中明確要求“設(shè)置完善的實踐教學體系，并與企業(yè)合作，開展實習、實訓，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力”。因此實踐教學是“新工科”建設(shè)中人才培養(yǎng)的一個重要環(huán)節(jié)。實踐教學的改革，將專業(yè)理論、跨學科知識與實踐和創(chuàng)新能力相融會貫通，為復合型人才培養(yǎng)、創(chuàng)新型教學發(fā)展提供保障。

一、給排水科學與工程專業(yè)實踐教學存在的問題

（一）綜合實踐教學與創(chuàng)新實踐教學如何結(jié)合

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)計建設(shè)中各類復雜工程不斷涌現(xiàn)，其中包含了一些超規(guī)范的內(nèi)容，因此在設(shè)計中就需要創(chuàng)新思維。而綜合實踐教學目前僅包括一般設(shè)計、基礎(chǔ)性實驗等，無法鍛煉學生的創(chuàng)新能力。創(chuàng)新實踐教學在大多數(shù)學校中，主要體現(xiàn)在大學生科研創(chuàng)新項目、各類競賽項目以及參與教師的科研項目，這些項目以理論研究和基礎(chǔ)研究為主，一般創(chuàng)新性要求高，要求學生具有扎實的理論基礎(chǔ)知識和寬廣的專業(yè)知識，本科生在參加這類項目時，多數(shù)情況下很難將所負責任務(wù)與工程問題進行系統(tǒng)考慮。因此如何將綜合實踐教學與創(chuàng)新實踐教學進行融合，需要深入探討。

（二）傳統(tǒng)實踐教學與信息技術(shù)應(yīng)用如何結(jié)合

傳統(tǒng)實踐教學中，學生主要進行實際動手實驗、設(shè)計繪圖、現(xiàn)場觀摩等環(huán)節(jié)的訓練，而在實踐過程中，由于學分限制、實驗條件有限等，教學過程中存在一些難以解決的問題，比如可動手的實驗內(nèi)容不能覆蓋本專業(yè)要求的全部教學內(nèi)容；現(xiàn)場觀摩無法看清構(gòu)筑物內(nèi)部情況；無法深入了解建筑消防滅火過程等。而隨著信息技術(shù)的發(fā)展，部分可視化的編程軟件已逐漸在市場上推廣應(yīng)用，如果將這部分信息技術(shù)引入課堂教學中，則有助于解決以上問題。如通過BIM技術(shù)，可以把建筑信息參數(shù)化后以數(shù)字建模的方式呈現(xiàn)給學生，使學生更直觀地認識水處理構(gòu)筑物的整體特征與施工現(xiàn)場，讓學生以更生動的方式掌握專業(yè)知識，深化學習內(nèi)容[9，10]；通過虛擬仿真軟件，模擬水廠內(nèi)水處理構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)，模擬給水管網(wǎng)與排水管網(wǎng)等[11]；通過SWMM、Infoworks等軟件，使學生緊跟社會需求，掌握海綿城設(shè)建設(shè)中的相關(guān)知識[12-14]。

二、教學實踐活動改革舉措

根據(jù)給排水行業(yè)“智慧水務(wù)”[15]發(fā)展對畢業(yè)生具備“新工科”特征的新要求，克服傳統(tǒng)社會實踐教學環(huán)節(jié)停留在“課堂演示、現(xiàn)場參觀、紙上畫畫”的膚淺方式，真正做到學生入心入腦，真正能解決復雜工程問題，實現(xiàn)從“認知動手能力、基本工程技能、技術(shù)創(chuàng)新與科學探究能力”3個層次的本科生實踐能力結(jié)構(gòu)塑造，達到培養(yǎng)兼具技術(shù)綜合應(yīng)用能力與科技創(chuàng)新能力的給排水一流工程師的人才培養(yǎng)目標，構(gòu)建了實踐教學創(chuàng)新體系。圖1為給排水科學與工程專業(yè)實踐教學創(chuàng)新體系與本科生能力培養(yǎng)層次結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系示意圖。

圖1 給排水學科實踐教學創(chuàng)新體系與本科生能力培養(yǎng)層次結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系

（一）構(gòu)建“新工科”人才培養(yǎng)體系，加強學生對行業(yè)應(yīng)用信息技術(shù)的知識儲備

深入行業(yè)調(diào)查，充分論證，精心制訂給排水專業(yè)人才培養(yǎng)方案，建設(shè)體現(xiàn)給排水工程知識、科研素質(zhì)和綜合能力特征的專業(yè)核心課程體系，根據(jù)新工科建設(shè)要求，編制新版培養(yǎng)方案。

針對土木類大一新生開設(shè)新生研討課，討論信息化社會的大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新科技或新產(chǎn)業(yè)對傳統(tǒng)工科專業(yè)的影響和沖擊，擴展給排水專業(yè)涉及的知識面，合理架構(gòu)學生在專業(yè)技術(shù)、項目管理、綜合人文方面的知識體系。

針對高年級本科生，聘請行業(yè)知名專家進行學術(shù)講座，使學生了解行業(yè)新動向和社會新需求，激發(fā)學生自主學習新技術(shù)的熱情，合理規(guī)劃專業(yè)學習計劃，使其專業(yè)學習的目的性更強，促使學生加強解決實際工程問題的知識儲備。

（二）改革實踐教學環(huán)節(jié)教學模式，提高學生運用信息技術(shù)的能力

加強信息技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)用。聘請企業(yè)專家和行業(yè)精英定期進校講座、指導設(shè)計，強化學生對智慧水務(wù)、海綿城市等新工科內(nèi)容的掌握；鼓勵學生利用Infoworks、Pipenet、BIM等計算機軟件，利用GIS平臺[16]，使用Excel表格、matlab等軟件自主編制給水管網(wǎng)平差、排水管網(wǎng)設(shè)計計算軟件，通過與管立得等專業(yè)軟件進行比對，使學生對管網(wǎng)計算原理與過程有清晰的認識。

整合實驗課教學內(nèi)容，提高綜合性、設(shè)計性、探究性實驗比例。在《專業(yè)規(guī)范》要求的7類實驗基礎(chǔ)上，在新版培養(yǎng)方案中增加《水處理綜合設(shè)計實驗》，包含給水綜合設(shè)計實驗、污水處理綜合設(shè)計實驗、超純水綜合設(shè)計實驗、工業(yè)廢水綜合設(shè)計實驗與建筑給排水綜合設(shè)計實驗，要求學生利用虛擬仿真軟件進行仿真，然后利用實驗室的水處理模型進行不同組合，探究不同處理工藝的水處理效果；探究不同排氣管設(shè)計對建筑內(nèi)排水管道中水流的影響。

改革畢業(yè)設(shè)計教學方式，加強過程控制。精心遴選課題，鼓勵指導教師與企業(yè)導師聯(lián)合指導畢業(yè)設(shè)計工作，并提前2個月給學生下達畢業(yè)設(shè)計、論文題目或任務(wù)書，讓學生先期開展資料檢索等準備工作；加強過程監(jiān)督檢查，在開題報告、中期檢查、系列講座、評閱檢查、畢業(yè)答辯等5個集中檢查環(huán)節(jié)，分別組織集中檢查評估。

（三）重視師資隊伍建設(shè)，提高教師工程實踐能力

建設(shè)高水平教師隊伍。引進掌握新科技的年輕教師是專業(yè)改革的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對引進教師在課堂教學及工程教學經(jīng)驗方面的不足進行一對一指導，同時聘請國內(nèi)外著名高校教授為兼職教師；重視青年教師工程能力培養(yǎng)，鼓勵青年教師到國內(nèi)大型企業(yè)進行實踐鍛煉。

充分利用企業(yè)教育資源，聘請企業(yè)校友擔任兼職指導教師。要求每位學生結(jié)合畢業(yè)設(shè)計到生產(chǎn)單位進行實習，安排企業(yè)導師全程指導；關(guān)鍵環(huán)節(jié)由校外企業(yè)導師和校內(nèi)導師對學生進行分組檢查，兼職教師參加學生實習、畢業(yè)設(shè)計指導、評閱及答辯。

（四）調(diào)動發(fā)揮教師積極性，鼓勵學生創(chuàng)新實踐活動

制定政策，激勵學生自主創(chuàng)新。通過評獎、保研、先進評定等制度鼓勵學生開展實踐創(chuàng)新活動。近兩年武漢大學給排水與工程專業(yè)學生參加各類科技創(chuàng)新、競賽活動接近60人，社會實踐活動76人次，本科生獲國家級競賽獎9項，發(fā)表SCI收錄論文11篇，申請發(fā)明專利4項，實用新型專利2項。

三、教學實踐改革解決的教學問題與應(yīng)用效果

（一）解決的教學問題

1.結(jié)合行業(yè)需求，體現(xiàn)“新工科”特點的培養(yǎng)體系建設(shè)問題。通過廣泛調(diào)研，深入行業(yè)第一線，充分論證，重點建設(shè)體現(xiàn)給排水工程知識、科研素質(zhì)和綜合能力特征的專業(yè)核心課程。通過不斷對專業(yè)培養(yǎng)方案進行修訂，加強信息類課程設(shè)置。

2.如何強化實踐教學，提高學生解決實際復雜工程問題能力。整合實驗課教學內(nèi)容，提高綜合性、設(shè)計性、探究性實驗比例；鼓勵學生參加課外實踐活動，參與教師科研項目與各種科技活動；學生生產(chǎn)單位實際工程訓練實現(xiàn)全覆蓋；鼓勵學生在企業(yè)導師指導下完成實際工程項目的畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)學生獨立自主能力及綜合素質(zhì)。

3.如何提高教學效果，創(chuàng)新工程實踐教學模式問題。開展以問題為導向，以實際項目建設(shè)全過程為背景，建立相應(yīng)的工程案例庫，采取專題研究、文獻綜述、可研性報告等為載體的探索式學習模式，培養(yǎng)學生從工程全局出發(fā)，綜合運用多學科知識、各種現(xiàn)代技術(shù)與工具解決復雜工程問題的能力，理解和評價復雜工程對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。

4.實踐創(chuàng)新活動如何覆蓋全體學生問題。充分調(diào)動教師積極性，組織學生參加全國大學生科技創(chuàng)新、暑期社會實踐等，結(jié)合成圖、節(jié)能減排、土木結(jié)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)+、給排水科技創(chuàng)新大賽、給排水論壇等全國性賽事，保證每個學生至少能參加一項創(chuàng)新活動，基本可以做到全覆蓋。

（二）教學實踐改革應(yīng)用效果

1.促進了學科及專業(yè)發(fā)展，多次以優(yōu)異成績通過國家專業(yè)認證。通過教學實踐改革，專業(yè)教學質(zhì)量顯著提高，學生創(chuàng)新能力明顯加強，教學管理更加規(guī)范。武漢大學給排水科學與工程專業(yè)分別于2009年、2014年、2019年三次以優(yōu)異成績通過全國高等教育給排水科學與工程專業(yè)評估（認證），獲得進校評估專家一致好評。2019年教育部認證專家來?？疾煺J為，武漢大學給排水畢業(yè)生綜合素質(zhì)高、文理交融、學生動手能力強，在科技創(chuàng)新等方面具有顯著特色。

2.畢業(yè)生的工程創(chuàng)新能力顯著提高，得到用人單位普遍好評。通過對2屆應(yīng)屆生、5屆畢業(yè)生及用人單位的調(diào)查問卷反饋表明：

（1）畢業(yè)生在武漢大學期間個人和團隊能力、職業(yè)規(guī)范能力、溝通能力、終身學習能力等得到顯著提高，學生在新產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計編程、BIM、Infoworks、AutoCAD等軟件應(yīng)用方面具有明顯優(yōu)勢，具有極強的自主學習能力，對現(xiàn)代信息技術(shù)的領(lǐng)悟與掌握能力明顯加強。

（2）用人單位對本專業(yè)畢業(yè)的員工整體評價較高，特別對畢業(yè)生的專業(yè)知識能力、職業(yè)規(guī)范能力、個人和團隊能力有較高認可度。用人單位特別對我校學生解決復雜工程問題的應(yīng)變能力、對新技術(shù)的適應(yīng)能力、編程能力印象深刻。

四、實踐教學改革創(chuàng)新點與結(jié)論

（一）實踐教學改革創(chuàng)新點

1.因材施教，新工科特色逐漸顯現(xiàn)。根據(jù)不同的人才特質(zhì)，建立工程師和科研人員兩種培養(yǎng)模式，畢業(yè)生在信息技術(shù)知識方面后勁十足，多數(shù)畢業(yè)生在單位從事BIM、智慧水務(wù)、海綿城市建設(shè)等工作。

2.實踐創(chuàng)新全覆蓋。改革創(chuàng)新實踐教學模式，充分調(diào)動教師積極性，利用各類創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)，將創(chuàng)新實踐教學從過去僅注重個別優(yōu)秀學生的科研及工程能力培養(yǎng)，逐漸轉(zhuǎn)向面向全體學生的教學培養(yǎng)模式的建立，保證學生在校期間參加各類創(chuàng)新活動1次以上。

3.校內(nèi)校外協(xié)同，教育教學質(zhì)量全過程控制。通過全過程嚴把畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量關(guān)，學生工程能力顯著提高。充分調(diào)動校外企業(yè)導師作用，通過校企合作指導和交流，在指導學生進行工程設(shè)計的同時，也加強了校內(nèi)師資的工程實踐能力培養(yǎng)，解決了年輕教師工程經(jīng)驗薄弱的問題。

（二）結(jié)論

新工科建設(shè)在國內(nèi)方興未艾，建設(shè)過程中仍有諸多問題需要解決，也沒有固定的模式可以借鑒。

1.給排水專業(yè)學生實踐教學應(yīng)利用給排水專業(yè)知識覆蓋面廣的特點，培養(yǎng)具有跨學科知識能力的綜合性人才。

2.新工科建設(shè)過程中需要各個學校結(jié)合本校與本專業(yè)的特點，在發(fā)揮學生與老師、校內(nèi)與校外各種力量的同時，協(xié)調(diào)理論教學與實踐教學之間的關(guān)系，制定完善的培養(yǎng)方案。

3.新工科的實踐教學需要嚴把質(zhì)量關(guān)，應(yīng)嚴格進行全過程監(jiān)控管理，不能將實踐教學流于形式。